基于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的次同步分析和預(yù)警

張 耀，程 閱，裴浩浩

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司哈密供電公司，新疆 哈密 839000，2.國網(wǎng)新疆電力有限公司奎屯供電公司，新疆 奎屯 833200,3.新疆中信金源電力科技有限公司，烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著中國環(huán)境污染壓力的不斷加大，國家提出大力發(fā)展新能源、減少碳排放的政策，從2000年之后中國新能源裝機(jī)容量和裝機(jī)速度都處于全世界前列。目前中國新能源的裝機(jī)容量已突破總裝機(jī)容量的20%，但中國新能源裝機(jī)中心與負(fù)荷中心距離遠(yuǎn)，需要匯集到固定地點(diǎn)且長距離輸送到負(fù)荷中心，中國采取了高壓直流輸電工程來解決能源長距離、大容量輸送問題。新能源匯集輸送與高壓直流工程以及配套火電機(jī)組產(chǎn)生了次同步振蕩問題[1-2]，雙饋機(jī)型的風(fēng)電大容量輸送問題更為明顯。新疆哈密地區(qū)在2016年發(fā)生風(fēng)電次同步振蕩問題[3]，造成風(fēng)電送出地區(qū)輸送容量受限，極大地影響了中國的新能源送出工程。目前，國內(nèi)專家學(xué)者針對哈密產(chǎn)生次同步振蕩的問題提出大量的機(jī)理分析和調(diào)控建議[4-5]，為國內(nèi)解決新能源送出問題提供了有益的嘗試和合理的解決方案。

目前國內(nèi)對于次同步振蕩的分析和監(jiān)測主要有兩種方案：一是基于WAMS系統(tǒng)[6-8]，該系統(tǒng)是國內(nèi)變電站和發(fā)電廠的標(biāo)準(zhǔn)配置，監(jiān)測系統(tǒng)主要提供監(jiān)測點(diǎn)的電壓和電流的傳輸任務(wù)，但PMU監(jiān)測頻率最高只有50 Hz，而次同步振蕩頻率可能在75～100 Hz之間，僅依靠現(xiàn)有的WAMS系統(tǒng)很難滿足次同步監(jiān)測的頻率需求；二是依靠便攜式儀器進(jìn)行短時監(jiān)測，便攜式儀器雖能滿足采樣頻率的要求，但無法長時間監(jiān)測，且儀器價格昂貴，無法實(shí)現(xiàn)次同步諧振的經(jīng)濟(jì)監(jiān)測。

由于風(fēng)電和光伏電站本身都是電力電子設(shè)備，在并網(wǎng)的同時會向電網(wǎng)注入一定數(shù)量的諧波，因此風(fēng)電和光伏并網(wǎng)時，在電網(wǎng)公共連接點(diǎn)裝設(shè)有電能質(zhì)量監(jiān)測裝置?，F(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對電網(wǎng)的主要諧波電壓和電流都進(jìn)行監(jiān)測，最高監(jiān)測頻率為25次諧波，因此依靠電能質(zhì)量監(jiān)測裝置提供的諧波次數(shù)完全能夠滿足采樣定理的要求。電能質(zhì)量還可以監(jiān)測間諧波的分布，其功能與次同步監(jiān)測是類似的，使用現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置進(jìn)行次同步監(jiān)測的拓展完全具備技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件，有利于提高現(xiàn)有的次同步監(jiān)測和分析水平，為次同步諧振的監(jiān)測和分析提供更好的數(shù)據(jù)條件。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采樣的原始電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，從而準(zhǔn)確計算出次同步振蕩的頻率成分，實(shí)現(xiàn)了次同步振蕩頻率的監(jiān)測。此外，通過對新能源送出線路的電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測，利用全波電壓和電流數(shù)據(jù)建立起諧波阻抗模型，將其輸入到隨機(jī)子空間的模型中，輸出新能源線路阻抗幅頻特性，從而定位次同步振蕩發(fā)生位置，為實(shí)際中次同步監(jiān)測提供更多的決策信息。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)框架

現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置有多種結(jié)構(gòu)，但常用的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)一般采用兩級電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為常見的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電能質(zhì)量監(jiān)測采用點(diǎn)選取監(jiān)測回路或計量回路進(jìn)行監(jiān)測，選取這兩個回路的原因是兩個回路穩(wěn)態(tài)測量精度較好且不會影響保護(hù)回路的動作正確性，具有較好的安全性。電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)在就地端子站處理后，將監(jiān)測后諧波電壓、諧波電流、閃變等95%概率值通過通訊網(wǎng)上傳到主站，經(jīng)過子站處理模擬系統(tǒng)采集的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)量已被壓縮，傳輸壓縮后的數(shù)據(jù)可以提高電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸效率。

2 基于電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的次同步傳遞函數(shù)辨識

如圖2所示，新能源匯集系統(tǒng)等值為電壓源和等值阻抗并聯(lián)的形式，根據(jù)歐姆定律可以寫出圖2所對應(yīng)的表達(dá)式：

圖2 新能源系統(tǒng)的簡化等值示意圖

Upcc=Us+IpccZs

(1)

式(1)中Ipcc和Upcc為已知量，Zs和Us為未知量。式(1)適用于單相系統(tǒng)，對于三相系統(tǒng)而言，式(1)可以擴(kuò)展為

(2)

式(2)可以寫為如下形式：

(3)

式中：Bi(s)為第i個傳遞函數(shù)的分子；Fi(s)為第i個傳遞函數(shù)的分母；y(t)為實(shí)際輸出變量；ui(t)為第i個輸入變量；e(t)為實(shí)際輸出y(t)和理想輸出∑Gi(s)ui(t)之間的誤差；Gi(s)為第i個輸入對應(yīng)的傳遞函數(shù)。

根據(jù)式(3),假設(shè)電壓為輸出y(t)，電流為輸入ui(t)，使用隨機(jī)子空間方法可以辨識出對應(yīng)的傳遞函數(shù)，隨機(jī)子空間方法的計算原理參見文獻(xiàn)[9]。

3 實(shí)測分析

測試地點(diǎn)選取在西北某變電站，該變電站為風(fēng)電送出站，如圖3所示。

圖3 風(fēng)電送出站測試期間的接線圖

測試期間，變電站的運(yùn)行方式為220 kV側(cè)并列運(yùn)行，110 kV側(cè)并列運(yùn)行，35 kV側(cè)分裂運(yùn)行。

主變?nèi)齻?cè)2次諧波如表1所示，主變中壓側(cè)2次諧波如表2所示。從表1可以看出，1號、2號中壓側(cè)諧波電壓和電流最大，中壓側(cè)和低壓側(cè)相對較小，說明諧波從中壓側(cè)向低壓側(cè)和高壓側(cè)流動，中壓側(cè)是潛在的諧波源，向系統(tǒng)注入諧波。

表1 主變?nèi)齻?cè)2次諧波

表2 主變中壓側(cè)2次諧波

從表2分析結(jié)果可以看出，中壓側(cè)2次諧波電壓和諧波電流均比較大，說明風(fēng)電場提供了一定數(shù)量的2次諧波電流。

將唐淖風(fēng)一線等效為圖2中電阻與電壓源串聯(lián)的形式，將唐淖風(fēng)一線的電壓和電流帶入式(3)，應(yīng)用隨機(jī)子空間方法計算得出如圖4所示的阻抗幅值，同時抽取阻抗的實(shí)部用于判斷振蕩的穩(wěn)定性。

圖4 唐淖風(fēng)一線的阻抗諧振頻譜圖

圖4的唐淖風(fēng)一線采用式(3)計算的誤差在3%，滿足工程擬合5%的精度要求。從圖4可以看出，唐淖風(fēng)一線在62.74 Hz處存在一處明顯的串聯(lián)諧振點(diǎn)，此時阻抗實(shí)部為負(fù)，該頻率點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)電線路處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從諧波分析的角度也可以看出，2次諧波電流和電壓都處于偏大狀態(tài)，主要原因是2次諧波的頻率點(diǎn)距離62.74 Hz諧振較近，發(fā)生明顯串聯(lián)諧振。

圖5為唐淖風(fēng)一線電流的FFT分析結(jié)果。從圖5可以看出，幅值最大的是50 Hz的諧波電流，次之為60.16 Hz的超同步分量。這與圖4分析的結(jié)果基本一致，說明唐淖風(fēng)一線在測試當(dāng)天發(fā)生了輕微的超同步諧振和次同步諧振。從幅值上來看，超同步分量占主導(dǎo)地位，次同步分量次之。

圖5 唐淖風(fēng)一線的電流頻譜圖

4 結(jié) 語

根據(jù)實(shí)測電能質(zhì)量數(shù)據(jù)對風(fēng)電場的次同步諧振風(fēng)險進(jìn)行評估。通過電能質(zhì)量監(jiān)測平臺采集的數(shù)據(jù)頻率為5 kHz，能夠滿足次同步分析的需要。風(fēng)電和光伏是次同步諧振發(fā)生的潛在諧振源，而實(shí)際中風(fēng)電和光伏裝設(shè)有電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，無需額外追加投資。該方案具有較好的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，雖可以計算風(fēng)電次同步振蕩的諧振點(diǎn)，但需要分析超同步和次同步發(fā)生的具體原因，需要采集風(fēng)電場的詳細(xì)參數(shù)，進(jìn)行仿真建模重現(xiàn)。