基于多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略研究

劉樹偉，姚秀萍，王海云，李自明，張海寧，張占鋒

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力調(diào)度控制中心，新疆烏魯木齊830001；3.國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電有限公司，浙江桐鄉(xiāng)314500；4.國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北承德067000；5.國網(wǎng)安徽省電力有限公司安慶供電公司，安徽安慶246000)

近年來，高比例的風電并網(wǎng)改變電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行的同時，也給電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定帶來了一定的影響[1]。諸如，2015年7月1日以直驅(qū)風電機組為主的哈密某風電匯集群出現(xiàn)次同步振蕩[2](SSO)，首次出現(xiàn)了風電產(chǎn)生頻率變化的次同步電流在多個不同電壓等級的交流系統(tǒng)中傳播，最終導致200 km以外的直流送出配套火電機組軸系扭應力繼電器保護啟動，引起花園電廠三臺火電機組跳閘。

鑒于我國網(wǎng)架的與電網(wǎng)接線方式的不同，風電機組控制參數(shù)不同及多種電力電子裝置接入，導致西北和華北地區(qū)振蕩機理[3]亦不同。為此，本文通過次同步振蕩振蕩源判定及振蕩相關因素分析，提出了多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略，并將該控制策略嵌入到現(xiàn)有穩(wěn)控三合一裝置。通過哈密地區(qū)風電場現(xiàn)場試驗以驗證該控制策略的準確性與有效性。

1 次同步振蕩源的判定與振蕩因素分析

1.1 次同步振蕩源的判定

目前，國內(nèi)外學者提出了許多振蕩源定位方法[4- 5]，包括基于行波的定位方法、阻尼轉(zhuǎn)矩法、模態(tài)振型法等。表1對這些方法的名稱、原理和優(yōu)缺點進行了分析。

表1 振蕩源判定方法

中國曾多次發(fā)生次同步振蕩事故，次同步振蕩起始于某一個誘因，繼而引發(fā)多頻率的局部振蕩模式，接著附近的其它機組跟進參與，隨著振蕩的持續(xù)，更大范圍內(nèi)的機組參與，逐漸演變?yōu)橐粋€區(qū)域電網(wǎng)與交流聯(lián)系的其它電網(wǎng)的次同步振蕩模式[8]。振蕩發(fā)生、發(fā)展的過程非常短暫，是一種機電能量波的傳播過程，期間伴隨著切機、甩負荷的發(fā)生，我將其稱之為“滾雪球效應”。

圖1為新疆哈密地區(qū)次同步振蕩數(shù)據(jù)分析，由圖可以看出有功功率和無功功率即按照“滾雪球效應”呈現(xiàn)出振蕩不斷增大模式。

圖1 新疆哈密地區(qū)次同步振蕩數(shù)據(jù)分析

利用“滾雪球效應”的時間先后順序與頻率特征，通過同步監(jiān)測就可以找到最先產(chǎn)生振蕩的某個支路(振蕩源)，只要及時解列振蕩源，就能平息振蕩。本文根據(jù)“滾雪球效應”時間先后順序切除振蕩源方法，提出了根據(jù)線路振蕩相對幅度大小，切除次同步振蕩的多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略。

1.2 引起次同步振蕩的相關因素分析

(1)風機的逆變器或變流器產(chǎn)生75～85 Hz間諧波電流分量，與電壓中的基波分量相乘產(chǎn)生了25～35 Hz有功功率次同步分量，切除部分風電，振蕩消失。

(2)風電場所在的局部電網(wǎng)在該頻率段阻抗低，缺乏電壓支撐，呈現(xiàn)“弱阻尼”現(xiàn)象，為間諧波提供向外傳播通路。

(3)風電場裝設的SVG由于響應速度快，放大倍數(shù)高，對75～85 Hz間諧波電流分量起到顯著放大作用(達基波的10倍以上)。

(4)發(fā)電機組并聯(lián)在換流站交流母線上，25～35 Hz的有功功率次同步振蕩與機組的扭振蕩模式2、3的振蕩頻率接近，引發(fā)機組軸系在某一軸系扭振頻率共振。

2 多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略及實現(xiàn)方案

現(xiàn)階段，尚未有針對次同步振蕩的有效控制方法[7]，本節(jié)針對次同步振蕩提出了基于多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略。其總體原則為：結合次同步振蕩監(jiān)測[8]方法，當監(jiān)測到次同步振蕩且呈現(xiàn)增幅振蕩時，根據(jù)線路振蕩相對幅度大小，切除次同步振蕩最嚴重區(qū)域，消除與隔離次同步振蕩。

下面通過新疆哈密典型風電匯集區(qū)域電網(wǎng)結構(圖2)說明多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略。

圖2 典型風電匯集區(qū)域的電網(wǎng)結構示意

圖3 次同步振蕩控制裝置部署

圖2中有2個風電匯集站A與B，且呈輻射狀連接若干風電場，裝設控制裝置的A、B經(jīng)級聯(lián)接于220 kV變電站C，其控制策略為：首先，監(jiān)測各風電場110 kV出線以及變電站之間220 kV級聯(lián)線路的功率振幅特征。其次，計算各監(jiān)視支路的功率振幅即

Pk=Pmax-k-Pmin-k

(1)

式中，Pmax-k、Pmin-k分別為第k條支路有功功率最大值與最小值。在各輪控制對象里，通過設置不同輪次的動作時間和門檻值，對功率振幅的大小進行排序，對時間和空間進行多維度控制，實現(xiàn)控制對象的動態(tài)尋優(yōu)。第一輪在A、B內(nèi)選擇功率振幅最大的一個風電場切除。第二輪比較A、B內(nèi)風電場的功率振幅之和，切除功率振幅大匯集站內(nèi)的所有風電場。第三輪切除A、B下屬的所有風電場(即A1～A4、B1～B3)。若A1為振蕩源，那么控制裝置會在第一輪切除A1；若A1～A4都為振蕩源，并且每條風電場輸電線路的振幅都不大，不滿足第一輪動作條件，但滿足第二輪動作條件，則需切除A1～A4；若所有風電場均為振蕩源，并且每條風電場線路的振幅都不大，不滿足第一輪動作條件，也不滿足第二輪動作條件，但滿足第三輪動作條件，則切除所有風電場。

3 哈密地區(qū)風電場現(xiàn)場試驗

3.1 次同步振蕩安全控制裝置部署情況

目前，在哈密220 kV山北變以及麻黃溝等風電匯集站部署有次同步監(jiān)測及控制裝置如圖3所示。本文將基于多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略嵌入到現(xiàn)有穩(wěn)控裝置PCS- 992(由次同步振蕩檢測裝置PCS- 987T、及功率振蕩檢測裝置PCS- 993和穩(wěn)控裝置構成)，通過所在匯集站穩(wěn)控裝置切除望洋臺、望洋臺西、望洋臺東下屬風電場的110 kV進線。

圖4 PCS992錄波波形

圖3中山北變部署穩(wěn)控裝置PCS- 992；麻黃溝東風電匯集站通過增加板卡的方式，將PCS- 987T裝置與原有功率振蕩檢測裝置PCS- 993進行了融合；此外，圖3中其余風電匯集站通過增加板卡的方式，將PCS- 993、PCS- 987T裝置融合進現(xiàn)有穩(wěn)控裝置PCS- 992。

3.2 次同步振蕩事件概況

2016年4月18日2:48望洋臺東具備次同步及功率振蕩檢測功能的穩(wěn)控裝置PCS992振蕩第一輪動作，切除建望東風一線，損失風電出力100 MW。并詢問南湖電廠、花園電廠、綠洲電廠，機組運行正常。

3.3 裝置動作情況

圖4可以看出，動作前220 kV塘望東線功率振幅在100 MW左右，達到功率振蕩動作定值；110 kV建望東風一線的功率振幅在20 MW左右，達到動作定值，其他風電線路功率振蕩幅值也在動作定值附近。由于110 kV振蕩次數(shù)定值較小，建望東風一線最先達到定值，故振蕩第一輪切除了建望東風一線。從波形中可以看出切除建望東風一線后振蕩平息。另外，通過仿真復現(xiàn)的形式模擬了這一故障，220 kV側(cè)輸電線路的功率曲線如圖5所示。

經(jīng)圖5分析表明，2 s時刻PCS- 992穩(wěn)控裝置啟動，切除110 kV建望東風一線，次同步振蕩消失，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行狀態(tài)。從而證明了，嵌入多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略的穩(wěn)控裝置動作的準確性。

圖5 220 kV側(cè)輸電線路的功率曲線

3.4 次同步分析結果

對相關廠站長錄波數(shù)據(jù)進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電流中存在22.8、77.3 Hz左右的間諧波分量如表2所示。從以上數(shù)據(jù)可以看出：

(1)220 kV線路中，塘望東線間諧波含量最高，哈山雙線也有較明顯的間諧波分量，可以推斷出一部分間諧波通過哈山雙線向外傳播。煙墩地區(qū)的風電匯集線路煙莊線和煙潤線間諧波現(xiàn)象明顯。

(2)220 kV線路中，塘望東線的間諧波絕對量最大，是其他220 kV風電線路的幾十倍，初步判斷是本次振蕩的振蕩源。

4 結 論

本文通過哈密地區(qū)風電場現(xiàn)場試驗，得出以下結論：

(1)嵌入多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略的穩(wěn)控裝置能夠正確的切除次同步振蕩線路，防止次同步振蕩事故的發(fā)生。

(2)由廠站長錄波數(shù)據(jù)進行頻譜分析220 kV線路中間諧波含量關系，可以推斷出部分間諧波傳播路徑。并根據(jù)間諧波絕對量最大，初步斷出本次振蕩的振蕩源。

表2 220 kV線路電流簡諧波含量