新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問題及其解決辦法分析

康謀

【摘? 要】科技的進(jìn)步，促進(jìn)新能源工程建設(shè)事業(yè)得到快速發(fā)展。新能源機(jī)組接入電網(wǎng)的行為大多通過電力電子變流器來完成，在電網(wǎng)和變流器產(chǎn)生交互作用時(shí)，有概率造成機(jī)組出現(xiàn)振蕩或諧振的問題，致使機(jī)組出現(xiàn)新能源機(jī)組跳閘的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)組設(shè)備的損壞。國(guó)內(nèi)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)在接入電網(wǎng)后存在振蕩問題引發(fā)的主要問題為次同步振蕩，需要工作人員從不同角度，共同努力才能使問題得以解決。本文就新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問題及其解決辦法展開探討。

【關(guān)鍵詞】新能源并網(wǎng)系統(tǒng);復(fù)雜振蕩問題;解決辦法

引言

隨著風(fēng)電和光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)滲透率的不斷提高，電網(wǎng)呈現(xiàn)出弱電網(wǎng)甚至極弱電網(wǎng)特性，給新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和高效運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的復(fù)雜振蕩

（1）新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩特點(diǎn)。對(duì)近年來世界發(fā)生的新能源機(jī)組形態(tài)振蕩穩(wěn)定性問題分析可知，在新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的振蕩問題多為次同步振蕩，現(xiàn)階段我國(guó)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的安全問題仍沒有得到良好的解決，其依舊是我國(guó)新能源電力發(fā)展中重點(diǎn)關(guān)注問題，新能源并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題發(fā)生的主要誘因便是電網(wǎng)與多變流器間的交互作用。并網(wǎng)系統(tǒng)中多變流器產(chǎn)生的振蕩頻率較高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，振幅傳播范圍較大，振幅影響范圍較廣等特點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)電力電子變流器在運(yùn)行階段會(huì)很快引起相應(yīng)設(shè)備的持續(xù)回應(yīng)，且其振蕩頻率和傳統(tǒng)機(jī)電的振蕩頻率相比頻率更高，但是又比電網(wǎng)高次諧波頻率低。由于電力電子變流器產(chǎn)生振蕩的誘因較為復(fù)雜，受外界因素影響較大（電網(wǎng)參數(shù)、變流器聚合效應(yīng)以及外部條件等），這些因素均會(huì)對(duì)變流器的穩(wěn)定程度造成影響，降低變流器穩(wěn)定性，進(jìn)而造成并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩的問題，造成電廠運(yùn)行階段的安全隱患。（2）對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)電路穩(wěn)定性的判斷。解決并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題的首要條件便是對(duì)系統(tǒng)振蕩產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行全方位了解，并將對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的檢查工作結(jié)果，作為判斷系統(tǒng)電路穩(wěn)定性的依據(jù)。在進(jìn)行電路穩(wěn)定性判斷時(shí)，需要注意電壓、電流以及鎖相環(huán)對(duì)其產(chǎn)生的影響。判斷過程簡(jiǎn)述如下：第一，檢測(cè)人員應(yīng)在系統(tǒng)運(yùn)行階段通過干擾分析的方法判斷電路的穩(wěn)定程度，并對(duì)變流器和電網(wǎng)兩側(cè)的頻率響應(yīng)特征進(jìn)行檢測(cè)，以此判斷系統(tǒng)是否存在振蕩事故發(fā)生的預(yù)兆，進(jìn)而判斷系統(tǒng)電路的穩(wěn)定程度。第二，通過電路運(yùn)行圖分析系統(tǒng)內(nèi)變流器與電網(wǎng)間的電流關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行電路穩(wěn)定程度的判定。此方法使用優(yōu)點(diǎn)為計(jì)算結(jié)果通過函數(shù)計(jì)算得出，數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確;判定過程中分析了電路和理論間關(guān)系，在得到并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩頻率的響應(yīng)后，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)電路穩(wěn)定程度進(jìn)行了驗(yàn)證。這種方法的特點(diǎn)為結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確，適合在大型工程中使用，在機(jī)組系統(tǒng)較大且參數(shù)未知的條件下，也能得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果作為判斷系統(tǒng)電路穩(wěn)定程度的依據(jù)。

2解決新能源并網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜振蕩的對(duì)策

2.1PV有功附加阻尼控制

為提升發(fā)電效率，PV電站正常并網(wǎng)時(shí)均處于最大功率點(diǎn)跟蹤模式?？紤]到不削弱光伏電站有功輸出能力，現(xiàn)有低頻振蕩抑制策略常選擇無功分量作為控制對(duì)象。但根據(jù)相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)定，光伏逆變器必須能實(shí)現(xiàn)快速的無功支撐和電壓調(diào)節(jié)，無功附加阻尼調(diào)制勢(shì)必會(huì)在一定程度上影響光伏電站對(duì)瞬態(tài)過電壓的響應(yīng)能力，特別是在光伏并入弱送端系統(tǒng)時(shí)，將存在電壓越限的風(fēng)險(xiǎn)。為避免此種情況的發(fā)生，該文選擇PV有功附加阻尼控制策略來實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振蕩的抑制。PV仿真模型為兩級(jí)式架構(gòu)，光伏陣列出口后分別經(jīng)DC-DC升壓電路及DC-AC逆變回路并入電網(wǎng)。采用電流內(nèi)環(huán)、直流電壓中環(huán)及MPPT控制外環(huán)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)來保證光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行。將最能直接體現(xiàn)低頻振蕩特性的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度偏差經(jīng)LQR進(jìn)行附加調(diào)制后，輸出信號(hào)ΔUdamp作用到中環(huán)電壓參考值Udc_ref處，再與實(shí)測(cè)直流電壓相減后送入原PI回路，進(jìn)而得到電流內(nèi)環(huán)參考值Idref。

2.2建立次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

在進(jìn)行新能源并網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜振蕩問題的解決工作時(shí)，傳統(tǒng)針對(duì)振蕩問題進(jìn)行解決的方案是不可取且不科學(xué)的。由于在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，其信息采樣率較低，無法及時(shí)獲取系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度等相關(guān)信息，導(dǎo)致傳統(tǒng)系統(tǒng)中沒有辦法接收到來自系統(tǒng)振蕩問題的預(yù)警。所以，若想最大程度的解決新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜振蕩問題，便需要從系統(tǒng)方面開展，對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)和完善，并建立對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，這是十分重要的優(yōu)化措施。次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是對(duì)本地系統(tǒng)的高精度電源管理單元進(jìn)行采樣，同時(shí)由技術(shù)人員通過信息技術(shù)的方式對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸以及長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的工作，以此建立起對(duì)系統(tǒng)大范圍的次/超同步振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過這一系統(tǒng)來實(shí)時(shí)獲取并網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的次/超同步波譜和波形等相關(guān)信息，達(dá)到并網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生振蕩問題前，可以根據(jù)振蕩發(fā)生前兆對(duì)工作人員進(jìn)行預(yù)警的操作，使工作人員可以在事故發(fā)生前進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)防處理措施安排，降低振蕩事故造成對(duì)企業(yè)正常運(yùn)行造成的影響[1]。除此之外，在加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作的同時(shí)，建立并網(wǎng)系統(tǒng)的安全自動(dòng)控制系統(tǒng)也是十分重要的。安全自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要工作便是對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的振蕩信號(hào)進(jìn)行在線的監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩幅度超過了設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)且持續(xù)振蕩時(shí)間達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，安全自動(dòng)控制系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的斷開工作，即將并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行分次的切除和斷開，以此達(dá)到避免并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜振蕩問題的目的。同時(shí)，安全自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用還可以對(duì)火電機(jī)組發(fā)生損壞脫網(wǎng)等現(xiàn)象進(jìn)行有效的遏制，防止此類問題的發(fā)生。在并網(wǎng)系統(tǒng)中使用次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)以及安全自動(dòng)控制系統(tǒng)，在二者共同運(yùn)行下，能幫助企業(yè)最大程度的減少并網(wǎng)系統(tǒng)中復(fù)雜振蕩問題發(fā)生，對(duì)電力企業(yè)新能源方面的發(fā)展提供良好的環(huán)境。

2.3時(shí)域分析法的應(yīng)用

時(shí)域分析法的實(shí)現(xiàn)途徑大致可分為兩類：以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的時(shí)域仿真和以物理元件等效為思路的實(shí)物、半實(shí)物仿真。基于構(gòu)建的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)非線性方程的連續(xù)求解，獲得時(shí)域內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)變量的輸出曲線，并基于波動(dòng)曲線是否收斂或其他判定指標(biāo)來判斷弱連接下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法大多基于特有的軟件仿真環(huán)境，不受外部環(huán)境影響，具備流程化的操作規(guī)程，便于大多數(shù)科研學(xué)者進(jìn)行分析結(jié)果的驗(yàn)證或工程事故的復(fù)現(xiàn)。但是，其存在的問題主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）時(shí)域仿真的結(jié)果在很大程度上依賴于數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，模型構(gòu)建中的差異性會(huì)影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性;（2）對(duì)于電力電子拓?fù)浼?jí)的風(fēng)電系統(tǒng)或大型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，時(shí)域仿真所需求解的數(shù)值維度激增，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算效率低;（3）該方法難以用于穩(wěn)定性機(jī)理的分析，只能用于對(duì)特定算例的穩(wěn)定性判別，分析結(jié)果的通用性差。因此，常用作結(jié)論驗(yàn)證。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，研究人員應(yīng)對(duì)已經(jīng)發(fā)生的振蕩事故進(jìn)行仔細(xì)分析，積極反思事故誘因，并針對(duì)事故發(fā)生原因提出針對(duì)性的解決辦法。同時(shí)，國(guó)家也應(yīng)加大對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)安全性能的重視程度，增加其研究資源，通過對(duì)振蕩事故進(jìn)行理論和技術(shù)兩方面的研究，達(dá)到避免發(fā)生新能源并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩事故的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]武倩羽，周瑩坤，李晨陽(yáng)，等.新能源同步機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)慣性特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2019（06）：41-46

[2]黃星宇，羅萍萍，龔錦霞，等.新能源并網(wǎng)系統(tǒng)次同步諧波相量檢測(cè)方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2020，48（13）：38-44.

[3]王建學(xué)，李清濤，王秀麗，等.大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)電源規(guī)劃方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020，40（10）：3114-3124.