新能源場(chǎng)合下火電機(jī)組附加勵(lì)磁控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李秀琴,石華棟,李志鵬

(1.北京國(guó)電電力有限公司上灣熱電廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.神華國(guó)華九江發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 九江 332000)

近年來，以風(fēng)電為代表的新能源在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，其在電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量占比不斷提高。截至2016年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)容量已達(dá)1.49億kW，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到2億kW。然而，新能源機(jī)組由于并網(wǎng)形式和傳統(tǒng)火電機(jī)組不一樣，多以電力電子變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，存在與電網(wǎng)發(fā)生次同步諧振或振蕩的問題；同時(shí)風(fēng)電、光伏與無功補(bǔ)償裝置相互耦合，也有可能在新能源場(chǎng)站匯集地區(qū)激發(fā)次同步振蕩；新能源場(chǎng)站與電網(wǎng)之間發(fā)生的振蕩若振蕩頻率與火電機(jī)組軸系頻率互補(bǔ)，則會(huì)進(jìn)一步引起火電機(jī)組的扭振問題[1]。

2009年，美國(guó)得州雙饋風(fēng)機(jī)群與串補(bǔ)線路發(fā)生頻率20Hz附近的次同步諧振現(xiàn)象，造成大量風(fēng)機(jī)變流器損壞和脫網(wǎng)，這是世界上有報(bào)道的最早發(fā)生的雙饋風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)之間的次同步振蕩問題。在我國(guó)華北沽源地區(qū)也發(fā)生過類似的次同步振蕩現(xiàn)象，風(fēng)電集群與串補(bǔ)線路在風(fēng)機(jī)輕載情況下產(chǎn)生次同步諧振，諧振頻率在6～10 Hz之間隨運(yùn)行方式的變化而變化，造成變壓器異常振動(dòng)和風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。此外，我國(guó)新疆哈密地區(qū)在2015年發(fā)生了更為復(fù)雜的風(fēng)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(gè)電壓等級(jí)電網(wǎng)，引發(fā)距離300 km以外的多臺(tái)高壓直流配套火電機(jī)組扭振保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)[2]。

我國(guó)大部分的風(fēng)電開發(fā)基地位于西北、東北、華北地區(qū)。在內(nèi)蒙、甘肅、新疆等省份，風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比已超過30%，振蕩穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為影響我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要挑戰(zhàn)之一。本文以新疆哈密振蕩事件為基礎(chǔ)，分析了新能源場(chǎng)合下次同步振蕩的特點(diǎn)，提出火電機(jī)組側(cè)的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)附加勵(lì)磁阻尼控制器的控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了效果驗(yàn)證。

1 新能源場(chǎng)合下的次同步振蕩特征分析

新疆輸電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，火電、風(fēng)電、光伏、直流交錯(cuò)傳輸，哈密地區(qū)風(fēng)、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(qū)廣域測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常監(jiān)測(cè)到20～35 Hz的功率振蕩，振蕩幅值會(huì)超過基波功率的幅值，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。2015年7月1日，哈密地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重的次同步諧振事故，事故起源于該地區(qū)大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)，并沿傳輸線路傳播擴(kuò)散到整個(gè)哈密電網(wǎng)，最終導(dǎo)致天中直流配套的花園電廠三臺(tái)運(yùn)行機(jī)組相繼動(dòng)作跳閘，造成功率損失128萬kW，電網(wǎng)頻率從50.05 Hz降為49.5 Hz。

根據(jù)PMU數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，電網(wǎng)側(cè)的電氣量次同步頻率變化范圍，在振蕩發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)，電網(wǎng)側(cè)存在16～24 Hz的次同步電壓、電流信號(hào)，當(dāng)次同步電壓、電流分量的頻率與火電機(jī)組軸系扭振頻率互補(bǔ)時(shí)，激發(fā)了機(jī)組的軸系扭振。某火電廠模態(tài)3頻率為30.76 Hz，互補(bǔ)頻率為19.24 Hz，根據(jù)電網(wǎng)側(cè)電流次同步頻率波動(dòng)圖，系統(tǒng)諧波頻率在10:50左右短時(shí)穿越19.24 Hz(圖1中靠上的水平線)，其后在11:50后持續(xù)在19.24 Hz波動(dòng)。對(duì)比火電機(jī)組軸系的模態(tài)幅值變化曲線，如圖2，模態(tài)扭振幅值變化的時(shí)間段，與系統(tǒng)振蕩頻率在19.24 Hz附近的時(shí)間段完全吻合。

圖1 電網(wǎng)側(cè)次同步振蕩頻率變化

圖2 某電廠機(jī)組模態(tài)3幅值變化曲線

新疆地區(qū)發(fā)生的新能源并網(wǎng)引發(fā)的次同步振蕩，在整個(gè)電網(wǎng)不同電壓等級(jí)都出現(xiàn)了持續(xù)的次同步頻率范圍內(nèi)的振蕩，說明該次同步振蕩是在系統(tǒng)范圍內(nèi)大范圍傳播；而且此次振蕩呈現(xiàn)隨時(shí)間頻率、幅值等振蕩特征大尺度變化的特點(diǎn)，當(dāng)振蕩頻率的漂移穿越火電廠機(jī)組軸系模態(tài)的諧振點(diǎn)時(shí)，機(jī)組軸系相應(yīng)出現(xiàn)振蕩，持續(xù)的振蕩將導(dǎo)致機(jī)組跳閘，破壞電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[3-5]。

2 附加勵(lì)磁控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

新能源接入引發(fā)的次同步振蕩大范圍傳播，嚴(yán)重威脅到了區(qū)域電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，特別是系統(tǒng)內(nèi)的火電機(jī)組面臨著較高的扭振風(fēng)險(xiǎn)。由于系統(tǒng)中持續(xù)存在頻率、幅值不斷變化的次同步振蕩，火電機(jī)組極可能在某個(gè)或者某些頻率點(diǎn)出現(xiàn)振蕩，火電機(jī)組的次同步振蕩抑制技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。即火電機(jī)組次同步抑制的目標(biāo)不僅僅是提供足夠的阻尼，讓機(jī)組扭振快速的收斂，同時(shí)更要關(guān)注最終的控制扭振幅值在安全的范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的疲勞累積。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化控制策略，充分利用勵(lì)磁可調(diào)節(jié)的空間，達(dá)到保障機(jī)組軸系安全的目標(biāo)[6]。

附加勵(lì)磁阻尼器(SEDC)是應(yīng)用成熟的二次側(cè)設(shè)備，占地小，投資低，對(duì)次同步振蕩能起到較好的抑制效果。SEDC是基于勵(lì)磁控制系統(tǒng)在常規(guī)調(diào)節(jié)(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(huán)節(jié)。它采集能反映機(jī)組軸系扭振的信號(hào)作為反饋信號(hào)，通過一定的信號(hào)處理和控制策略后，形成針對(duì)次同步振蕩的控制信號(hào)，并附加在PSS或AVR輸出上，對(duì)勵(lì)磁電壓進(jìn)行附加的次同步頻率調(diào)制，進(jìn)而形成轉(zhuǎn)子側(cè)的次同步頻率的電磁轉(zhuǎn)矩。通過控制閉環(huán)控制策略的實(shí)施，這個(gè)轉(zhuǎn)矩就能對(duì)次同步振蕩起到阻尼作用。SEDC的閉環(huán)控制規(guī)律主要包括模態(tài)濾波環(huán)節(jié)和比例移相環(huán)節(jié)兩個(gè)環(huán)節(jié)[7-8]。

(1)模態(tài)濾波環(huán)節(jié)

帶通濾波器的離散化表達(dá)式為

(1)

其中N(z)，D(z)為算子z的多項(xiàng)式，即

N(z)=bmzm+bm-1z(m-1)+…+b1z+b0

(2)

D(z)=anzn+an-1z(n-1)+…+a1z+a0

(3)

針對(duì)新能源接入后系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩頻率范圍較寬的特點(diǎn)，SEDC設(shè)計(jì)寬頻帶濾波器，以實(shí)現(xiàn)在振蕩頻率波動(dòng)時(shí)仍可以提供較好的抑制效果，一種較為合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下，濾波器設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(huán)節(jié)

SEDC的比例移相環(huán)節(jié)典型傳遞函數(shù)為

(4)

式中kp——比例移相環(huán)節(jié)增益系數(shù)；

T1、T2——移相時(shí)間常數(shù)。

kp代表了SEDC整個(gè)控制環(huán)節(jié)的開環(huán)增益，在移相參數(shù)一定的條件下，通過kp的合理選擇可以實(shí)現(xiàn)最終整體的控制效果。

受勵(lì)磁容量的限制，當(dāng)SEDC抑制能量輸出過大時(shí)，會(huì)限幅輸出，削弱了SEDC的抑制效果。為此，增加動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)功能，即對(duì)kp進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出大于限幅值時(shí)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)增益，使得各模態(tài)的輸出接近正弦，不再限幅輸出，減少對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的沖擊[9-10]。

動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)功能支持按幅值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和按容量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。按幅值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)考慮的主要是各模態(tài)移相環(huán)節(jié)的增益，按容量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)考慮的主要是各模態(tài)移相后的輸出容量，不管是哪種方式的調(diào)節(jié)，各模態(tài)的輸出總和不會(huì)超出總限幅值[11]。

以某現(xiàn)場(chǎng)火電機(jī)組為例，機(jī)組軸系含有三個(gè)次同步模態(tài)頻率，分別為15.8 Hz、27.4 Hz、30.9 Hz，經(jīng)過前期PSCAD仿真，SEDC在三個(gè)模態(tài)的移相增益分別為100、323、100時(shí)，能達(dá)到較好的抑制效果。在此條件下，進(jìn)行單一模態(tài)加量測(cè)試，加量27.4 Hz，幅值為2 rad/s，SEDC針對(duì)此振蕩信號(hào)，進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出抑制信號(hào)。在無動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、按幅值調(diào)節(jié)、按容量調(diào)節(jié)，三種情況下SEDC的輸出效果，如圖4。

圖4 SEDC輸出對(duì)比圖

無動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)：經(jīng)過比例移相后輸出達(dá)到頂值，SEDC限幅輸出；

按容量調(diào)節(jié)：經(jīng)過比例移相后輸出達(dá)到頂值，按最大容量調(diào)節(jié)，生成正弦信號(hào)，SEDC按最大容量不限幅輸出；

按增益調(diào)節(jié)：經(jīng)過比例移相后輸出達(dá)到頂值，按移相增益調(diào)節(jié)，生成正弦信號(hào)，沒有達(dá)到最大容量，SEDC不限幅輸出。

3 附加勵(lì)磁控制器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

SEDC參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，應(yīng)用于某火電廠，此火電廠位于新能源基地外送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)通過勵(lì)磁注入激勵(lì)法進(jìn)行參數(shù)整定，參數(shù)整定優(yōu)化后，SEDC的比例移相環(huán)節(jié)的參數(shù)如表1。

表1 參數(shù)整定優(yōu)化后SEDC的比例移相環(huán)節(jié)參數(shù)

機(jī)組在有/無SEDC控制情況下軸系扭振被激發(fā)后，模態(tài)1、模態(tài)2和模態(tài)3的動(dòng)態(tài)情況比較分別如圖5、圖6、圖7所示。退出激勵(lì)后，在機(jī)組自身阻尼條件下，機(jī)組各個(gè)模態(tài)的模態(tài)衰減情況和在經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化整定后的SEDC抑制條件下的模態(tài)衰減情況如圖所示，可以看到，投入SEDC抑制后，模態(tài)轉(zhuǎn)速的衰減速率明顯加快。

圖5 SEDC參數(shù)優(yōu)化-模態(tài)1抑制效果

圖6 SEDC參數(shù)優(yōu)化-模態(tài)2抑制效果

圖7 SEDC參數(shù)優(yōu)化-模態(tài)3抑制效果

4 結(jié)論

新能源并網(wǎng)后，系統(tǒng)次同步振蕩呈現(xiàn)出新的特征，振蕩頻率隨機(jī)時(shí)變，振蕩能量跨電壓等級(jí)大范圍傳播，由此引起的次同步振蕩問題更加復(fù)雜。本文從火電機(jī)組側(cè)的抑制措施入手，選擇應(yīng)用范圍較廣、設(shè)備成本較低的附加勵(lì)磁阻尼控制器，針對(duì)新能源接入引起的次同步振蕩的新特點(diǎn)，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的附加勵(lì)磁阻尼控制參數(shù)對(duì)火電機(jī)組的次同步振蕩起到很好的阻尼效果。