新能源場合下火電機組附加勵磁控制參數優化設計

李秀琴,石華棟,李志鵬

(1.北京國電電力有限公司上灣熱電廠，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.神華國華九江發電有限責任公司，江西 九江 332000)

近年來，以風電為代表的新能源在世界范圍內迅猛發展，其在電力系統中的裝機容量占比不斷提高。截至2016年底，我國風電并網容量已達1.49億kW，預計2020年將達到2億kW。然而，新能源機組由于并網形式和傳統火電機組不一樣，多以電力電子變流技術實現并網，存在與電網發生次同步諧振或振蕩的問題；同時風電、光伏與無功補償裝置相互耦合，也有可能在新能源場站匯集地區激發次同步振蕩；新能源場站與電網之間發生的振蕩若振蕩頻率與火電機組軸系頻率互補，則會進一步引起火電機組的扭振問題[1]。

2009年，美國得州雙饋風機群與串補線路發生頻率20Hz附近的次同步諧振現象，造成大量風機變流器損壞和脫網，這是世界上有報道的最早發生的雙饋風機與系統之間的次同步振蕩問題。在我國華北沽源地區也發生過類似的次同步振蕩現象，風電集群與串補線路在風機輕載情況下產生次同步諧振，諧振頻率在6～10 Hz之間隨運行方式的變化而變化，造成變壓器異常振動和風機脫網。此外，我國新疆哈密地區在2015年發生了更為復雜的風電集群的次同步振蕩，振蕩頻率在25～30 Hz之間變化，振蕩功率穿越35/110/220/500/750 kV 5個電壓等級電網，引發距離300 km以外的多臺高壓直流配套火電機組扭振保護動作跳機[2]。

我國大部分的風電開發基地位于西北、東北、華北地區。在內蒙、甘肅、新疆等省份，風電、光伏裝機占比已超過30%，振蕩穩定性問題已經成為影響我國大規模風電并網安全穩定運行的主要挑戰之一。本文以新疆哈密振蕩事件為基礎，分析了新能源場合下次同步振蕩的特點，提出火電機組側的應對措施，對附加勵磁阻尼控制器的控制參數進行了優化，并通過現場試驗進行了效果驗證。

1 新能源場合下的次同步振蕩特征分析

新疆輸電網絡架構復雜，火電、風電、光伏、直流交錯傳輸，哈密地區風、光、火打捆的電源輸送基地通過±800 kV直流輸送至鄭州。自2014年6月起，該地區廣域測量系統經常監測到20～35 Hz的功率振蕩，振蕩幅值會超過基波功率的幅值，對電網的安全運行產生影響。2015年7月1日，哈密地區電網發生嚴重的次同步諧振事故，事故起源于該地區大規模直驅風電場，并沿傳輸線路傳播擴散到整個哈密電網，最終導致天中直流配套的花園電廠三臺運行機組相繼動作跳閘，造成功率損失128萬kW，電網頻率從50.05 Hz降為49.5 Hz。

根據PMU數據進行分析，電網側的電氣量次同步頻率變化范圍，在振蕩發生的時間段內，電網側存在16～24 Hz的次同步電壓、電流信號，當次同步電壓、電流分量的頻率與火電機組軸系扭振頻率互補時，激發了機組的軸系扭振。某火電廠模態3頻率為30.76 Hz，互補頻率為19.24 Hz，根據電網側電流次同步頻率波動圖，系統諧波頻率在10:50左右短時穿越19.24 Hz(圖1中靠上的水平線)，其后在11:50后持續在19.24 Hz波動。對比火電機組軸系的模態幅值變化曲線，如圖2，模態扭振幅值變化的時間段，與系統振蕩頻率在19.24 Hz附近的時間段完全吻合。

圖1 電網側次同步振蕩頻率變化

圖2 某電廠機組模態3幅值變化曲線

新疆地區發生的新能源并網引發的次同步振蕩，在整個電網不同電壓等級都出現了持續的次同步頻率范圍內的振蕩，說明該次同步振蕩是在系統范圍內大范圍傳播；而且此次振蕩呈現隨時間頻率、幅值等振蕩特征大尺度變化的特點，當振蕩頻率的漂移穿越火電廠機組軸系模態的諧振點時，機組軸系相應出現振蕩，持續的振蕩將導致機組跳閘，破壞電網穩定運行[3-5]。

2 附加勵磁控制器參數優化設計

新能源接入引發的次同步振蕩大范圍傳播，嚴重威脅到了區域電網相關設備的安全穩定運行，特別是系統內的火電機組面臨著較高的扭振風險。由于系統中持續存在頻率、幅值不斷變化的次同步振蕩，火電機組極可能在某個或者某些頻率點出現振蕩，火電機組的次同步振蕩抑制技術面臨新的挑戰。即火電機組次同步抑制的目標不僅僅是提供足夠的阻尼，讓機組扭振快速的收斂，同時更要關注最終的控制扭振幅值在安全的范圍內，避免出現長時間的疲勞累積。因此需要進一步優化控制策略，充分利用勵磁可調節的空間，達到保障機組軸系安全的目標[6]。

附加勵磁阻尼器(SEDC)是應用成熟的二次側設備，占地小，投資低，對次同步振蕩能起到較好的抑制效果。SEDC是基于勵磁控制系統在常規調節(如AVR/PSS)功能上附加的用于抑制次同步振蕩(SSO)的阻尼控制環節。它采集能反映機組軸系扭振的信號作為反饋信號，通過一定的信號處理和控制策略后，形成針對次同步振蕩的控制信號，并附加在PSS或AVR輸出上，對勵磁電壓進行附加的次同步頻率調制，進而形成轉子側的次同步頻率的電磁轉矩。通過控制閉環控制策略的實施，這個轉矩就能對次同步振蕩起到阻尼作用。SEDC的閉環控制規律主要包括模態濾波環節和比例移相環節兩個環節[7-8]。

(1)模態濾波環節

帶通濾波器的離散化表達式為

(1)

其中N(z)，D(z)為算子z的多項式，即

N(z)=bmzm+bm-1z(m-1)+…+b1z+b0

(2)

D(z)=anzn+an-1z(n-1)+…+a1z+a0

(3)

針對新能源接入后系統發生次同步振蕩頻率范圍較寬的特點，SEDC設計寬頻帶濾波器，以實現在振蕩頻率波動時仍可以提供較好的抑制效果，一種較為合理的設計指標如下，濾波器設計為中心頻率左右1 Hz的帶寬，過渡帶的相位隨頻率的變化盡可能的平緩，同時還要兼顧在滿足條件的前提下，濾波器的階次盡可能的低，以減小裝置的計算量。以中心頻率20 Hz為例，頻譜特性如圖3所示。

圖3 SEDC寬頻帶濾波器頻譜特性

(2)比例移相環節

SEDC的比例移相環節典型傳遞函數為

(4)

式中kp——比例移相環節增益系數；

T1、T2——移相時間常數。

kp代表了SEDC整個控制環節的開環增益，在移相參數一定的條件下，通過kp的合理選擇可以實現最終整體的控制效果。

受勵磁容量的限制，當SEDC抑制能量輸出過大時，會限幅輸出，削弱了SEDC的抑制效果。為此，增加動態增益調節功能，即對kp進行適當的動態調整。當調節輸出大于限幅值時，可自動調節增益，使得各模態的輸出接近正弦，不再限幅輸出，減少對勵磁系統的沖擊[9-10]。

動態增益調節功能支持按幅值的動態調節和按容量的動態調節。按幅值的動態調節考慮的主要是各模態移相環節的增益，按容量的動態調節考慮的主要是各模態移相后的輸出容量，不管是哪種方式的調節，各模態的輸出總和不會超出總限幅值[11]。

以某現場火電機組為例，機組軸系含有三個次同步模態頻率，分別為15.8 Hz、27.4 Hz、30.9 Hz，經過前期PSCAD仿真，SEDC在三個模態的移相增益分別為100、323、100時，能達到較好的抑制效果。在此條件下，進行單一模態加量測試，加量27.4 Hz，幅值為2 rad/s，SEDC針對此振蕩信號，進行調節，輸出抑制信號。在無動態調節、按幅值調節、按容量調節，三種情況下SEDC的輸出效果，如圖4。

圖4 SEDC輸出對比圖

無動態調節：經過比例移相后輸出達到頂值，SEDC限幅輸出；

按容量調節：經過比例移相后輸出達到頂值，按最大容量調節，生成正弦信號，SEDC按最大容量不限幅輸出；

按增益調節：經過比例移相后輸出達到頂值，按移相增益調節，生成正弦信號，沒有達到最大容量，SEDC不限幅輸出。

3 附加勵磁控制器現場應用效果分析

SEDC參數優化設計后，應用于某火電廠，此火電廠位于新能源基地外送網絡架構內。現場通過勵磁注入激勵法進行參數整定，參數整定優化后，SEDC的比例移相環節的參數如表1。

表1 參數整定優化后SEDC的比例移相環節參數

機組在有/無SEDC控制情況下軸系扭振被激發后，模態1、模態2和模態3的動態情況比較分別如圖5、圖6、圖7所示。退出激勵后，在機組自身阻尼條件下，機組各個模態的模態衰減情況和在經過參數優化整定后的SEDC抑制條件下的模態衰減情況如圖所示，可以看到，投入SEDC抑制后，模態轉速的衰減速率明顯加快。

圖5 SEDC參數優化-模態1抑制效果

圖6 SEDC參數優化-模態2抑制效果

圖7 SEDC參數優化-模態3抑制效果

4 結論

新能源并網后，系統次同步振蕩呈現出新的特征，振蕩頻率隨機時變，振蕩能量跨電壓等級大范圍傳播，由此引起的次同步振蕩問題更加復雜。本文從火電機組側的抑制措施入手，選擇應用范圍較廣、設備成本較低的附加勵磁阻尼控制器，針對新能源接入引起的次同步振蕩的新特點，對控制參數進行了優化設計。現場試驗表明，優化后的附加勵磁阻尼控制參數對火電機組的次同步振蕩起到很好的阻尼效果。