新能源匯集區域次同步振蕩控制防線的研究與應用

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(1.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830002； 2.國網新疆電力有限公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

新疆具有得天獨厚的風能、太陽能資源，具備大規模開發的條件。近年來，隨著國家對新能源建設的大力推進，新疆風電、光伏呈井噴式發展，已成為新疆第二、第三大電源。但是受限于風能資源與負荷中心的逆向分布，大規模新能源發電普遍采用“集中式開發、遠距離輸送”的發展模式。新能源匯集系統內風電場、光伏電站多為輻射型連接,匯集線路較長,并且少有或沒有負荷接入,末端網架結構單一、短路電流水平低，其實質是一個弱聯接送端電網[1-3]。同時新能源發電特性區別于常規電源，一是新能源均需通過電力電子裝置實現與大電網相聯；二是新能源自身無法向系統提供無功功率，需要依賴外接動態無功補償裝置，實現并網點無功電壓支撐，導致大量的電力電子裝置應用于電網引起次同步振蕩問題無法避免[4-6]。如何防止和解決新能源匯集區域次同步振蕩對電網的影響，提高清潔能源送出的能力及可靠性已成為當前新能源送出系統必須解決的問題，也是電網企業需要著重關注的重要方面。

下面對風電并網次同步振蕩的機理進行了研究，并對相關影響因素進行了深入的分析。結合現階段對次同步振蕩機理的認識以及現有的電網防御體系，從運行方式調整、風機發電模式及風電場SVC/SVG的控制、功率振蕩控制、次同步振蕩功率控制4個方面，建立了新能源匯集區域次同步控制防御體系，提出了基于機組模態頻率的次同步振蕩控制系統，并結合某次次同步振蕩案例分析，驗證了次同步控制體系的正確性。

1 風電并網次同步振蕩的機理

目前電網常用的風力發電機組主要為雙饋風機和直驅風機，兩者均需通過電力電子變換器件與系統相連。由于電網內部電氣諧振、電力電子裝置的快速動作、非特征次諧波等原因的影響，引發電網中含有某一頻率的電氣參量加大，從而導致次同步振蕩發生。

1.1 雙饋風機并網次同步振蕩的機理

雙饋異步風機經過箱式變壓器-升壓變壓器-輸電線路-串補并入系統。

圖1 雙饋風機經串補并網

當DIFG定子存在次同步電流時，風機有功將產生與該次同步頻率互補的振蕩分量，風機采集到的瞬時功率和電流都將發生變化，對于兩相旋轉dq坐標系，轉子電流的dq軸分量將發生變化，轉子側控制器感受到該變化后會調節機側變頻器RSC的電壓Ur，Ur的變化會反作用于轉子電流，同時感應定子電流，產生新的次同步電流。若新的次同步電流與原始次同步電流疊加，二者相位差小于90°，則原始次同步電流被助增，形成一個閉環，如圖2所示。

圖2 風電控制引起的次同步振蕩不穩定

1.2 直驅風機并網次同步振蕩的機理

直驅風機通過全功率變流器并網的示意圖如圖3。雙饋風機因為定子和電網直接相連，網側次同步電流可以通過感應進入電機轉子回路。直驅風機由于通過全功率AC/DC/AC變頻器和電網相連，風機軸系難以和電氣量直接耦合，即使接入串補系統，也不會發生類似感應電機效應的次同步振蕩。但直驅風機網側濾波器可能在電網的某種高次背景諧波下形成諧振回路，進而使得風機與系統產生高頻的諧振。

圖3 永磁直驅同步機組并網

2 產生次同步振蕩的影響因素

通過對大量的次同步振蕩事故分析，次同步振蕩的頻率范圍較寬，主要集中分布在7～85 Hz頻率范圍內，有7 Hz、25 Hz、30 Hz、75 Hz等多個頻率段，且動態漂移，存在次同步、超同步兩種頻帶，振蕩分布如圖4所示。

由于振蕩頻率發散漂移、振蕩區域動態轉移變化，次同步振蕩源可能不止一個區域。系統多種擾動可能激發次同步振蕩。風電大發、小發、正常發電均可能出現振蕩，出力大振蕩頻率低，出力小振蕩頻率高。

圖4 次同步振蕩曲線

2015年9月3日哈密地區次同步及超同步諧波分布如圖5所示。

圖5 次同步及超同步諧波分布

通過分析：次同步諧波與超同步諧波同時存在；超同步諧波分量大于次同步諧波分量；風電場周圍線路的次同步及超同步諧波含量較多，隨著線路功率的傳輸及電壓等級的升高，諧波含量減少；振蕩頻率呈動態漂移的趨勢，穿透能力強，能穿越多個電壓等級。

三塘湖750 kV變電站投運后，望陽臺東220 kV變電站取代麻黃溝東220 kV變電站成為振蕩幅值最大的地點，諧波含量減少，主要是頻率為25 Hz和75 Hz附近的諧波。三塘湖750 kV變電站投運后，發現存在幅值較大的諧波通過三塘湖地區傳至哈密地區，次同步振蕩傳播方向如圖6所示。

通過對大量次同步振蕩數據分析，影響新能源匯集區域發生次同步振蕩的因素主要有以下4個方面：

1)網架結構與風機接入系統方式及規模。新能源匯集區域風電裝機規模較大，網架結構相對薄弱，風電場串供經長距離接入電網，風電匯集點的短路容量較小，風電上網匯集點短路比較小，不利于風電上網穩定運行。

圖6 次同步振蕩傳播方向

2)風機類型、風機控制模式。通過試驗數據和現場運行數據分析，次同步振蕩的諧波與風機類型、風機控制模式及控制參數有一定的關聯關系，但需要進一步驗證。

3)SVC、SVG裝置類型及控制模式。經多次對SVC、SVG進行現場和仿真試驗后發現，次同步諧波與SVC、SVG的裝置類型、控制模式及控制參數均有一定關聯關系。

4)網源運行方式。經多次現場試驗后發現，多次次同步振蕩存在一定的不確定性和偶然性因素，但也表明振蕩與網源及系統運行方式等多因素有一定的關聯關系。

3 次同步振蕩控制防線的構建

為隔離次同步振蕩諧波，減小次同步諧波的進一步放大對交流系統、直流系統的影響，提出了融合機組模態頻率(或機組扭振保護啟動信號)的控制防線，保證次同步控制系統的靈敏性和可靠性。

3.1 電網運行方式調整

新能源匯集區域電網網架結構較為薄弱，系統短路電流水平以及抗擾動能力較低。為了提升新能源匯集區域短路電流容量，在電網安全穩定運行前提下，調整運行方式，采用電磁環網運行，增加次同步振蕩傳播路徑來提高末端電網與系統的電氣聯系，提升系統短路容量，從而緩解了次同步振蕩問題。

3.2 風機機端無功控制方案優化措施

針對風機自身無功調節引起的波動問題，將哈密山北地區所有風電場風機功率因數均設置為恒功率因數1的模式，保證風機在運行過程中機端無功出力恒為0，優化含風電場、風機、風電場匯集站、直流系統及220 kV交流系統在內的統一無功電壓協調控制策略，避免由于風機在有功波動過程中造成風機無功出力的波動，從而引發風電場次同步振蕩。

3.3 SVC/SVG無功控制方案優化措施

針對風機出力較小時會引起誤判誤調整對次同步諧波的放大問題，優化風電場及風電匯集站的SVC、SVG動態無功補償裝置的動態無功控制策略，增加了延時閉鎖功能。

調整了哈密山北地區省、地電壓控制曲線，優化了哈密山北地區動態補償裝置SVC、SVG的投運方式，將具有抑制功能的3套SVG投入自動方式，其余SVC、SVG均投入固定(電容器、電抗器)補償模式。調整了動態無功補償設備反饋模式。針對風電場及匯集站SVG、SVC的控制參數靈敏度過大和響應性過快問題，縮小了放大倍數；針對動態無功補償設備反饋信號抗波動性弱的問題，增加了電流反饋采集回路，調整SVC、SVG的控制母線由高壓改為低壓，降低SVC、SVG的頻繁響應。

通過改變SVC、SVG比例系數與積分時間常數降低對并網點電壓造成的影響。圖7分別展示的是K=10，T=0.002;K=5，T=0.002；K=10，T=0.004時的影響情況。

圖7 并網點電壓影響

3.4 次同步振蕩功率控制

根據現有的穩控系統構建次同步振蕩控制系統，如圖8所示：當監測到的次同步頻率滿足直流配套火電機組扭振保護啟動頻率判據后，通過功率振蕩幅值和振蕩次數判據，分輪實現對各相關振蕩風電場的切除功能；當監測到的聯絡線功率滿足啟動判據后，通過振蕩幅值和振蕩次數判據，分輪實現對各相關振蕩風電場的切除功能；當系統振蕩頻率接近15.9 Hz、26.7 Hz、30.76 Hz 3個頻率值時，分輪實現對各相關振蕩風電場的切除功能，達到隔離次同步振蕩、防范次同步振蕩頻率的漏監。

圖8 次同步振蕩控制系統

目前電網發生次同步振蕩時，常用的手段為切除并網風電來平息振蕩。為了更早發現并消除振蕩，采取風機自主切機，盡量減小切機范圍，減小對電網的功率擾動：第1輪，切除單個站內最大的風電場；第2輪，比較多站振幅，切除單個匯集站全部風電；第3輪，全網按比例切除風電。依據次同步振蕩控制系統，制定了次同步振蕩控制策略，控制策略分為啟動判據和確認判據，如式(1)至式(5)所示。

啟動判據：|Pk-Peqv|>Psetqd

(1)

確認判據：dPk=Pmaxk-Pmink

(2)

dPk≥Psetzd

(3)

Tsetmin≤Tk≤Tsetmax

(4)

Nk≥Nsetzd

(5)

4 實例分析

2016年某次次同步振蕩實例：望洋臺東風電匯集站次同步振蕩兩輪動作，全切望洋臺東風電，損失430 MW；風電切除后花園電廠3號機組模態2啟動(1號、2號、4號機組停備)，17:15模態2幅值

0.409 rad/s。圖9為2016年某次次同步振蕩分布結果。

對從三塘湖地區傳播到天山換流站的次同步諧波電流進行了分流，南湖電廠和綠洲電廠次同步電流均較小，花園電廠次同步電流較大，傳播路徑和分流影響因素較多。通過事故分析可以看出，所提出的次同步振蕩控制系統能正確動作，防止事故進一步擴大。

5 結 語

新能源匯集地區產生的次同步振蕩問題影響因素較多、機理復雜，為保證新能源匯集區域電網的安全穩定運行，基于新疆電網實際網架結構及穩控系

圖9 次同步振蕩分布

統，建立了次同步振蕩控制防線，可有效隔離次同步振蕩。通過研究得出以下結論:

1)目前電網發生次同步振蕩時，常用的手段為切除并網風電來平息振蕩。為了更早發現并消除振蕩，采取措施實現風機自主切機，并在更小范圍內切除機組，減小對電網的功率擾動，需建立風電機組的次同步監測與控制。

2)為了盡快掌握次同步振蕩機理，需進一步加強新能源仿真模型的研究，提高仿真的精度。

3)需要結合電網網架結構、新能源機組及動態無功補償設備，進一步優化運行方式及運行參數，從源頭緩解次同步振蕩。