220 kV光伏電站SVG高頻振蕩仿真分析

張明強，何廷一，曾丕江，何鑫，馬紅升，彭俊臻，余多

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650127；2.云南電力調度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

十四五期間，云南將新增新能源裝機5000萬千瓦，成為我國首個新能源裝機超40%的水電、新能源雙主體電力系統。為加快建設新型電力系統步伐，大規模風機、光伏和SVG接入電網，高比例電力電子端口與電網之間的能量交互極易引發高頻振蕩，嚴重影響電網安全穩定運行[1-5]。截至目前，云南電網已出現三起SVG高頻振蕩事件，2022年9月，昭通地區某220 kV光伏電站SVG在1200 Hz附近振蕩導致SVG跳閘脫網；2023年3月，保山地區某220 kV光伏電站SVG在1650 Hz附近振蕩導致局部電網電壓持續波動；2023年11月，昭通地區某220 kV光伏電站SVG在1450 Hz附近振蕩導致SVG跳閘。在未來，大規模新能源快速接入云南電網，由新能源引發的高頻振蕩故障可能頻繁發生，因此，有必要深入分析高頻振蕩機理及抑制措施。

本文主要介紹220 kV光伏電站SVG高頻振蕩引發電壓波動的故障案例，首先基于現場故障錄波分析確定振蕩原因；然后基于RTlab仿真，復現故障過程，確保復現結果與現場故障錄波一致；最后提出高頻振蕩抑制措施并驗證其有效性。

1 故障概況

2023年3 月，中調、地調OCS主站監測到220 kV變電站母線三相電壓均出現幅值約4~10 kV左右的波動。通過現場故障錄波分析可知，電壓波動原因為：該變電站附近的220 kV光伏電站SVG與系統產生高頻振蕩，振蕩頻率主要為1650 Hz（33次諧波）。振蕩期間32、33、34次諧波電流被放大，導致35 kV母線電壓過高，最終光伏電站的#5、#6、#7、#8 SVG因過壓保護動作而跳閘，同時諧波電流傳導至附近的220 kV變電站引發電壓波動。#8 SVG故障錄波電流如圖1所示，35 kV母線電壓故障錄波如圖2所示，#8 SVG電流諧波占比如圖3所示。

圖2 35 kV母線故障錄波電壓（#8 SVG）

圖3 #8 SVG電流諧波占比

2 故障復現與抑制

本次故障復現將以#8 SVG故障錄波波形為參考，復現SVG高頻振蕩至跳閘全過程，在此基礎上，云南電科院和云南電力調度控制中心對SVG廠家提出了“消除SVG高頻段550~2000 Hz范圍內負阻尼”的要求，督促廠家完成軟件升級與參數修改，并投入光伏電站現場應用。

2.1 搭建光伏電站全站電磁暫態模型

高頻振蕩前，220 kV光伏電站站內接線如圖4所示，#1、#2、#3、#4 SVG與35 kV公用I母相連，額定容量均為27 Mvar，與35 kV公用I母相連的所有集電線路均處于斷開狀態。#5、#6、#7、#8 SVG與35 kV公用Ⅱ母相連，額定容量均為30 Mvar，有3回帶箱變的空載集電線路與35 kV公用Ⅱ母相連。根據圖4所示的光伏電站站內接線圖，本次故障復現將搭建包含站用變、接地變、集電線路、箱變、220 kV主變和#1~8 SVG一次部分的電磁暫態模型。

圖4 220 kV光伏電站站內接線圖

2.2 搭建光伏電站附近局部電網模型

高頻振蕩具有局部電網故障特性，因此，需要搭建光伏電站附近的局部電網模型，主要包括：與光伏電站相連的500 kV變電站及500 kV變電站附近的所有220 kV變電站，采用BPA等值得到局部電網的外部電網特性，所有網架參數與BPA保持一致。基于RTlab仿真平臺所搭建的包含光伏電站和局部電網的電磁暫態仿真模型見圖5。

圖5 光伏電站和局部電網電磁暫態模型

2.3 基于RTlab硬件在環仿真的故障復現與分析

本次故障復現將基于RTlab硬件在環仿真平臺來完成，SVG實物控制器見圖6，其內部程序、控制參數與現場完全一致，RTlab實時仿真器見圖7。

圖6 SVG實物控制器

圖7 RTlab實時仿真器

基于圖5光伏電站和局部電網電磁暫態模型，將SVG實物控制器接入RTlab實時仿真器，在圖4中35 kV公用Ⅱ母（振蕩點）處進行阻抗掃描，將#5、#6、#7、#8 SVG看成一個整體，多頻次阻抗特性記為ZSVG，其余部分的阻抗特性記為ZGrid，二者在同一坐標系下的bode圖如圖8。從圖8可知，SVG在550~2250 Hz范圍內呈現負阻尼特性，這是引發高頻振蕩的原因。在圖8中綠色豎線fs=1650 Hz（33次諧波）處，ZSVG和ZGrid幅值相等，ZSVG相位呈現感性負阻尼特性，ZGrid相位接近純容性，二者滿足在fs=1650 Hz（33次諧波）處產生高頻振蕩的條件[6-7]。

圖8 SVG和等效電網的阻抗特性

基于阻抗掃描結果，可以得到ZSVG和ZGrid的高頻振蕩分析等效電路，如圖9所示，SVG向電網注入電流Ie的閉環傳遞函數如式（1）：

圖9 高頻振蕩分析等效電路

電流Ie的開環傳遞函數為：

計算G0(s)在fs=1650 Hz處的開環頻率特性：

根據奈奎斯特穩定性判據[8-9]，在fs=1650 Hz處，閉環系統的開環頻率特性非常接近點（-1 ,j0），這表明閉環系統在fs=1650 Hz處不穩定，閉環系統開環頻率特性Nyquist圖如圖10所示。

圖10 閉環系統開環頻率特性的Nyquist圖

高頻振蕩需要小擾動激發，本次故障復現采用切除35 kV母線上微小電容的方式來激發振蕩，切除電容后，ZSVG和ZGrid剛好出現阻抗匹配，滿足高頻振蕩的條件：負阻尼+諧振點[10]，進而在fs=1650 Hz處產生振蕩。故障錄波和故障復現時#8 SVG的三相電流分別如圖11、12所示，故障錄波和故障復現時35 kV母線三相電壓分別如圖13、14所示，故障錄波和故障復現時#8 SVG的諧波電流占比分別如圖15、16所示。

圖11 #8 SVG電流（故障錄波）

圖12 #8 SVG電流（故障復現）

圖13 35 kV母線電壓（故障錄波）

圖14 35 kV母線電壓（故障復現）

圖15 #8 SVG 電流諧波占比（故障錄波）

圖16 #8 SVG 電流諧波占比（故障復現）

將故障復現和故障錄波的電流、電壓及諧波占比進行比對可知，故障復現波形和實際現場的故障波形基本一致，存在的少量偏差的原因為：一是實際現場有4臺27 Mvar和4臺30 Mvar的SVG控制器，但目前實驗室只有一臺30 Mvar的SVG控制器，本次故障復現是基于“單機倍乘”的原則擴展出4臺27 Mvar和4臺30 Mvar的SVG，不同容量的控制器因控制參數的差異會導致電磁暫態響應有差異；二是局部電網的負荷特性會影響其阻抗特性，而當前無法獲得局部電網精準的阻抗特性。

2.4 高頻振蕩抑制

SVG高頻振蕩的原因主要是SVG控制器在特定高頻段具有負阻尼，因此，消除SVG高頻段負阻尼將成為解決高頻振蕩問題的關鍵，提出“消除SVG高頻段550~2000 Hz范圍內負阻尼”的要求，修改并升級控制器程序，在實物控制器中增加了“相位補償”功能，其控制效果如圖17所示。

圖17 “相位補償”投入前后SVG的阻抗特性

“相位補償”投入前，SVG在600~2000 Hz范圍內呈現感性負阻尼，而“相位補償”投入后，該頻段范圍內的負阻尼已全部消除。“相位補償”功能投入并切除35 kV母線上的小電容后，#8 SVG的三相電流波形見圖18所示，該過程未出現高頻振蕩。因此，SVG“相位補償”功能在高頻段確有抑制高頻振蕩的效果。

圖18 “相位補償”功能投入后#8 SVG電流

3 結束語

本文介紹了光伏電站SVG高頻振蕩的實際故障案例。基于RTlab電磁暫態仿真平臺搭建了光伏電站全站電磁暫態模型和局部電網模型，將SVG實物控制器接入仿真器，完成了光伏電站SVG高頻振蕩故障復現，且復現結果與實際故障錄波基本一致，清楚地展示了高頻振蕩的內在機理；提出了高頻振蕩抑制措施，并通過仿真驗證其有效性。對此，結論與展望如下：

1）高頻振蕩的條件為：在特定頻率下，二端口兩側阻抗幅頻特性相等，相頻特性呈現“感性負阻尼和容性”或“容性負阻尼和感性”。消除SVG特定高頻段的負阻尼可避免在該頻段出現振蕩。

2）本文研究的振蕩頻段大于1000 Hz，考慮控制器鎖相環特性，可忽略正負序耦合，分析以正序分量開展，仿真復現結果與抑制策略驗證完全滿足實際工程要求。

3）局部電網阻抗特性受電網規模及運行方式影響較大，研究高頻振蕩故障復現時，搭建多大規模的局部電網可以保證其阻抗特性與故障發生時電網的阻抗特性一致將是未來值得思考和研究的問題。

4）在云南電網大規模新能源快速并網的背景下，提前摸清光伏、風機和SVG在各頻段的阻抗特性，督促各新能源廠家制定對應的負阻尼消除措施，將對云南電網的安全穩定運行及新能源消納具有重大意義。