新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題及其解決辦法分析

李明明 趙家豪 王瑞琦 閆嬌 張思源

【摘要】? ? 本文以新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)復(fù)雜振蕩問(wèn)題實(shí)例為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)其出現(xiàn)振蕩的特點(diǎn)以及對(duì)系統(tǒng)電路穩(wěn)定性的判斷，提出次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)優(yōu)化、日常檢測(cè)控制以及加強(qiáng)系統(tǒng)研究力度四項(xiàng)解決方法，改善新能源并網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜振蕩問(wèn)題，希望對(duì)我國(guó)新能源發(fā)電工作提供一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】? ? 新能源并網(wǎng)系統(tǒng)? ? 復(fù)雜振蕩問(wèn)題? ? 解決辦法

引言：

我國(guó)近年來(lái)新能源事業(yè)發(fā)展勢(shì)頭較為猛烈，而新能源機(jī)組接入電網(wǎng)的行為大多通過(guò)電力電子變流器來(lái)完成，在電網(wǎng)和變流器產(chǎn)生交互作用時(shí)，有概率造成機(jī)組出現(xiàn)振蕩或諧振的問(wèn)題，致使機(jī)組出現(xiàn)新能源機(jī)組跳閘的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)組設(shè)備的損壞。國(guó)內(nèi)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)在接入電網(wǎng)后存在振蕩問(wèn)題引發(fā)的主要問(wèn)題為次同步振蕩，需要工作人員從不同角度，共同努力才能使問(wèn)題得以解決。

一、新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的復(fù)雜振蕩

1.1新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題實(shí)例

在新能源電力高速發(fā)展的背景下，如需提高新能源并網(wǎng)系統(tǒng)安全性，降低安全問(wèn)題發(fā)生概率仍需要相關(guān)人員共同努力。由于我國(guó)現(xiàn)階段的新能源并網(wǎng)系統(tǒng)在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜振蕩問(wèn)題，其對(duì)機(jī)組和設(shè)備方面存在極大的危害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞的情況發(fā)生，對(duì)企業(yè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。且我國(guó)近年來(lái)由于并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的振蕩問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，例如：在2011年河北沽源地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)事件以及2015年在新疆哈密地區(qū)發(fā)生的振蕩事件等，在電力行業(yè)中引發(fā)了極大程度的關(guān)注。由于此類振蕩事故影響范圍較大，每次事故發(fā)生時(shí)電廠內(nèi)上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生同步振蕩，且振蕩頻率非常高，造成電廠內(nèi)風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模的跳閘、高壓直流功率瞬間降低以及部分機(jī)組脫網(wǎng)的事故發(fā)生，對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行安全性和工作效率產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，在如今電廠廣泛使用新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)境下，電廠管理人員以及相關(guān)研究人員均對(duì)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注。

1.2新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩特點(diǎn)

對(duì)近年來(lái)世界發(fā)生的新能源機(jī)組形態(tài)振蕩穩(wěn)定性問(wèn)題分析可知，在新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的振蕩問(wèn)題多為次同步振蕩，現(xiàn)階段我國(guó)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的安全問(wèn)題仍沒有得到良好的解決，其依舊是我國(guó)新能源電力發(fā)展中重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，新能源并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題發(fā)生的主要誘因便是電網(wǎng)與多變流器間的交互作用。并網(wǎng)系統(tǒng)中多變流器產(chǎn)生的振蕩頻率較高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，振幅傳播范圍較大，振幅影響范圍較廣等特點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)電力電子變流器在運(yùn)行階段會(huì)很快引起相應(yīng)設(shè)備的持續(xù)回應(yīng)，且其振蕩頻率和傳統(tǒng)機(jī)電的振蕩頻率相比頻率更高，但是又比電網(wǎng)高次諧波頻率低。由于電力電子變流器產(chǎn)生振蕩的誘因較為復(fù)雜，受外界因素影響較大（電網(wǎng)參數(shù)、變流器聚合效應(yīng)以及外部條件等），這些因素均會(huì)對(duì)變流器的穩(wěn)定程度造成影響，降低變流器穩(wěn)定性，進(jìn)而造成并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩的問(wèn)題，造成電廠運(yùn)行階段的安全隱患。

1.3對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)電路穩(wěn)定性的判斷

解決并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題的首要條件便是對(duì)系統(tǒng)振蕩產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行全方位了解，并將對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的檢查工作結(jié)果，作為判斷系統(tǒng)電路穩(wěn)定性的依據(jù)。在進(jìn)行電路穩(wěn)定性判斷時(shí)，需要注意電壓、電流以及鎖相環(huán)對(duì)其產(chǎn)生的影響。判斷過(guò)程簡(jiǎn)述如下：第一，檢測(cè)人員應(yīng)在系統(tǒng)運(yùn)行階段通過(guò)干擾分析的方法判斷電路的穩(wěn)定程度，并對(duì)變流器和電網(wǎng)兩側(cè)的頻率響應(yīng)特征進(jìn)行檢測(cè)，以此判斷系統(tǒng)是否存在振蕩事故發(fā)生的預(yù)兆，進(jìn)而判斷系統(tǒng)電路的穩(wěn)定程度。第二，通過(guò)電路運(yùn)行圖分析系統(tǒng)內(nèi)變流器與電網(wǎng)間的電流關(guān)系，并通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行電路穩(wěn)定程度的判定。此方法使用優(yōu)點(diǎn)為計(jì)算結(jié)果通過(guò)函數(shù)計(jì)算得出，數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確;判定過(guò)程中分析了電路和理論間關(guān)系，在得到并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩頻率的響應(yīng)后，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)電路穩(wěn)定程度進(jìn)行了驗(yàn)證。這種方法的特點(diǎn)為結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確，適合在大型工程中使用，在機(jī)組系統(tǒng)較大且參數(shù)未知的條件下，也能得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果作為判斷系統(tǒng)電路穩(wěn)定程度的依據(jù)[2]。

二、解決新能源并網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜振蕩的對(duì)策

2.1建立次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

在進(jìn)行新能源并網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜振蕩問(wèn)題的解決工作時(shí)，傳統(tǒng)針對(duì)振蕩問(wèn)題進(jìn)行解決的方案是不可取且不科學(xué)的。由于在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，其信息采樣率較低，無(wú)法及時(shí)獲取系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度等相關(guān)信息，導(dǎo)致傳統(tǒng)系統(tǒng)中沒有辦法接收到來(lái)自系統(tǒng)振蕩問(wèn)題的預(yù)警。所以，若想最大程度的解決新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題，便需要從系統(tǒng)方面開展，對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)和完善，并建立對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，這是十分重要的優(yōu)化措施。次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是對(duì)本地系統(tǒng)的高精度電源管理單元進(jìn)行采樣，同時(shí)由技術(shù)人員通過(guò)信息技術(shù)的方式對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸以及長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的工作，以此建立起對(duì)系統(tǒng)大范圍的次/超同步振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)這一系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)獲取并網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的次/超同步波譜和波形等相關(guān)信息，達(dá)到并網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生振蕩問(wèn)題前，可以根據(jù)振蕩發(fā)生前兆對(duì)工作人員進(jìn)行預(yù)警的操作，使工作人員可以在事故發(fā)生前進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)防處理措施安排，降低振蕩事故造成對(duì)企業(yè)正常運(yùn)行造成的影響[1]。

除此之外，在加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作的同時(shí)，建立并網(wǎng)系統(tǒng)的安全自動(dòng)控制系統(tǒng)也是十分重要的。安全自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要工作便是對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的振蕩信號(hào)進(jìn)行在線的監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩幅度超過(guò)了設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)且持續(xù)振蕩時(shí)間達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，安全自動(dòng)控制系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的斷開工作，即將并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行分次的切除和斷開，以此達(dá)到避免并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜振蕩問(wèn)題的目的。同時(shí)，安全自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用還可以對(duì)火電機(jī)組發(fā)生損壞脫網(wǎng)等現(xiàn)象進(jìn)行有效的遏制，防止此類問(wèn)題的發(fā)生。在并網(wǎng)系統(tǒng)中使用次同步振蕩監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)以及安全自動(dòng)控制系統(tǒng)，在二者共同運(yùn)行下，能幫助企業(yè)最大程度的減少并網(wǎng)系統(tǒng)中復(fù)雜振蕩問(wèn)題發(fā)生，對(duì)電力企業(yè)新能源方面的發(fā)展提供良好的環(huán)境。

2.2優(yōu)化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)

對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段的并網(wǎng)系統(tǒng)研究顯示，并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)的影響。在風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)不適合電網(wǎng)使用時(shí)，便會(huì)造成系統(tǒng)在次同步頻段運(yùn)行時(shí)，表現(xiàn)為弱阻尼的形式，進(jìn)而造成系統(tǒng)發(fā)生振蕩問(wèn)題?；诖?，工作人員若想更好的解決并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題，則需要對(duì)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，這需要研究人員與風(fēng)機(jī)廠家進(jìn)行合作探究，制定最優(yōu)化的風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)。例如：研究人員可以制定多組控制器參數(shù)，之后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)機(jī)參數(shù)的實(shí)用性試驗(yàn)，對(duì)使用不同參數(shù)運(yùn)行的控制器系統(tǒng)穩(wěn)定程度進(jìn)行觀察，并連接并網(wǎng)系統(tǒng)觀察系統(tǒng)振蕩次數(shù)等相關(guān)信息，以此確定最優(yōu)化的系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)，從風(fēng)機(jī)方面提高并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

2.3對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查和勘測(cè)

除了上述提出的解決對(duì)策外，對(duì)于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題還應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)人員對(duì)不同地區(qū)和機(jī)構(gòu)使用的并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行定期一系列的檢查。檢查項(xiàng)目主要為：電機(jī)型號(hào)的檢查，電機(jī)規(guī)模的檢查以及電機(jī)接入系統(tǒng)強(qiáng)度的檢查。檢查的主要方向?yàn)椋簩?duì)電機(jī)安全情況的檢測(cè)工作。除此之外，在新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行階段，各機(jī)構(gòu)自身的系統(tǒng)使用人員也要充分發(fā)揮自身對(duì)系統(tǒng)監(jiān)督、檢查以及控制的作用，同時(shí)注意勘測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，即通過(guò)使用安全自動(dòng)控制系統(tǒng)以及次同步振蕩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)施科學(xué)管理措施。系統(tǒng)操作人員若發(fā)現(xiàn)自身系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩問(wèn)題，則應(yīng)盡快將問(wèn)題上報(bào)管理人員，并采取借鑒發(fā)生過(guò)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題案件的單位處理經(jīng)驗(yàn)制定的應(yīng)急方案，根據(jù)具體振蕩問(wèn)題形式使用類似的解決方案，防止振蕩問(wèn)題進(jìn)一步對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生影響，提高電網(wǎng)運(yùn)行階段的安全性能[3]。

2.4加強(qiáng)對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的研究力度

2.4.1理論研究加強(qiáng)措施

現(xiàn)階段我國(guó)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的安全問(wèn)題仍沒有得到良好的解決，其依舊是我國(guó)新能源電力發(fā)展中重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，因此，國(guó)家和企業(yè)應(yīng)投入更多的人力、物力資源進(jìn)行相關(guān)研究。在對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的理論研究中，由于不同新能源使用的技術(shù)存在差異，導(dǎo)致不同能源的并網(wǎng)系統(tǒng)也存在相應(yīng)的差異，所以研究人員應(yīng)針對(duì)不同能源并網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性研究。同時(shí)，研究人員應(yīng)深入研究電力電子設(shè)備和電網(wǎng)之間的相互作用，通過(guò)對(duì)參與因子、影響因素等方面的具體分析成果，確定其影響系統(tǒng)運(yùn)行的作用原理。并且研究人員應(yīng)對(duì)新能源聚合等值的仿真和建模方法進(jìn)行深入研究，通過(guò)這一方式對(duì)系統(tǒng)次/超同步振蕩仿真分析工作中存在的維數(shù)災(zāi)難情況進(jìn)行解決。研究人員還應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中傳播同步振蕩的理論依據(jù)進(jìn)行分析研究，并結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部元件和電機(jī)等設(shè)備部件的響應(yīng)頻率特性研究工作，得出相應(yīng)的建模方法，使研究人員可以通過(guò)分析模型對(duì)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題進(jìn)行解決。研究人員還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電力電子設(shè)備非線性特征的研究工作，以此確定設(shè)備非線性特征對(duì)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題的影響規(guī)律，進(jìn)而制定相應(yīng)措施來(lái)解決問(wèn)題。研究人員通過(guò)對(duì)上述幾點(diǎn)影響因素分析后，可以進(jìn)行系統(tǒng)同步振蕩阻尼控制技術(shù)的研究工作，以此解決新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題。

2.4.2工程技術(shù)水平的改進(jìn)措施

對(duì)于我國(guó)現(xiàn)階段新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展情況來(lái)說(shuō)，想要解決新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題除了在理論方面進(jìn)行振蕩產(chǎn)生因素的研究外，還需要在結(jié)合理論依據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程施工方面的技術(shù)優(yōu)化、開發(fā)以及實(shí)踐。具體而言便是研究人員和技術(shù)人員相互配合從風(fēng)機(jī)側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、風(fēng)電場(chǎng)側(cè)以及系統(tǒng)運(yùn)行層面這些方面展開研究。以風(fēng)機(jī)側(cè)研究為例，我國(guó)現(xiàn)階段進(jìn)行的風(fēng)機(jī)側(cè)同步頻段阻抗特性研究技術(shù)并不完善，還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于工程施工技術(shù)水平的優(yōu)化和提高研究，則需要對(duì)工程建設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整優(yōu)化以及實(shí)測(cè)建模等系列性的實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)本身的性能進(jìn)行提高，以此達(dá)到提高風(fēng)機(jī)設(shè)備在接入電網(wǎng)，進(jìn)行運(yùn)行操作后的動(dòng)態(tài)性能可以進(jìn)一步提高的目的[4]。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，研究人員應(yīng)對(duì)已經(jīng)發(fā)生的振蕩事故進(jìn)行仔細(xì)分析，積極反思事故誘因，并針對(duì)事故發(fā)生原因提出針對(duì)性的解決辦法。同時(shí)，國(guó)家也應(yīng)加大對(duì)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)安全性能的重視程度，增加其研究資源，通過(guò)對(duì)振蕩事故進(jìn)行理論和技術(shù)兩方面的研究，達(dá)到避免發(fā)生新能源并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩事故的目的。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]商皓鈺，劉天琪，卜濤，等.基于ALARP準(zhǔn)則的高比例新能源并網(wǎng)系統(tǒng)日前運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].電力自動(dòng)化設(shè)備， 2021，41（03）：196-203.

[2]黃星宇，羅萍萍，龔錦霞，等.新能源并網(wǎng)系統(tǒng)次同步諧波相量檢測(cè)方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2020，48（13）：38-44.

[3]王建學(xué)，李清濤，王秀麗，等.大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)電源規(guī)劃方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020，40（10）：3114-3124.

[4]武倩羽，周瑩坤，李晨陽(yáng)，等.新能源同步機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)慣性特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2019（06）：41-46