一種基于儲能的次/超同步振蕩抑制方法研究

王新宇 任正 陳肖璐 鄭博文 趙振宇

摘要：雙饋感應發(fā)電機（DFIG）也稱雙饋風力發(fā)電機，其變速恒頻的優(yōu)點在風電場中得到了廣泛應用。隨著大量風電能源并網，遠距離高壓輸電使用串補電容技術容易引起電網發(fā)生次同步振蕩（SSO）。DFIG的定子繞組直連電網，因此在運行過程中極易受到電網SSO的影響。針對DFIG的SSO及抑制策略進行研究。提出了一種采用儲能裝置附加阻尼控制環(huán)節(jié)的方式來重塑風電場阻抗并抑制次/超同步振蕩。通過電磁暫態(tài)仿真驗證了該方案的性能，能成功地抑制不同頻率的次同步電流，以提高目標系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：雙饋異步風力發(fā)電機（DFIG）? 次/超同步振蕩? 時域仿真? 附加阻尼控制

中圖分類號：TM74

Research on a Method for Suppressing Sub/Super-Synchronous Oscillation Based on Energy Storage

WANG Xinyu? REN Zheng? CHEN Xiaolu （CHENG-XIAL Lu？？）? ZHENG Bowen? ZHAO Zhenyu

（Electric Power Research Institute，State Grid East Inner Mongolia Electric Power Co.， Ltd.， Hohhot，Inner Mongolia Autonomous Region，010000 China）

Abstract：A doubly-fed induction generator（DFIG）， also known as a doubly-fed wind generator， has been widely used in wind farms due to its advantages of variable speed and constant frequency. With the integration of a large amount of wind energy， the use of series compensation capacitor technology for long-distance high-voltage transmission is prone to causing subsynchronous oscillation （SSO） in the grid. The stator winding of the DFIG is directly connected to the grid， so it is highly susceptible to the influence of the SSO of the grid during operation. This paper studies the SSO of the DFIG and its suppression strategies， and proposes a method of using energy storage devices added by the damping control link to reshape the impedance of wind farms and suppress sub/super-synchronous oscillation. The performance of this scheme has been verified through electromagnetic transient simulation， which can successfully suppress the sub-synchronous currents of different frequencies， so as to improve the stability of the target system.

Key Words：Doubly-fed wind generator; Sub/super-synchronous oscillation; Time-domain simulation; Additional damping control

近年來，隨著我國的新能源大規(guī)模投入運行，以及柔性輸電等電力電子技術的高速發(fā)展，我國電網逐漸形成了以高比例可再生能源和高比例電力電子設備接入為特點的“雙高”電力系統(tǒng)[1]。隨著風電并網比例逐年增加，以及串聯(lián)補償技術和大量電力電子裝置的廣泛應用，導致雙饋風電遠距離外送系統(tǒng)寬頻振蕩問題日益凸顯，振蕩失穩(wěn)風險加劇，風電消納受到制約[2]。然而，在2009年德克薩斯州發(fā)生的第一次風電次同步振蕩（SSR）事件后，串聯(lián)電容器對雙饋感應發(fā)電機（DFIG）風力發(fā)電的不利影響逐步成為關注的焦點。我國新疆哈密風電基地也發(fā)生過嚴重的次同步振蕩事件，造成大量風機異常脫網[3]。

為了抑制SSCI，研究了各種方法。對于新型次/超同步振蕩的分析研究，目前主要有狀態(tài)空間法、阻抗法與時域仿真法3種[4]。在電力系統(tǒng)的不同階段，如規(guī)劃、運行、控制和保護階段，研究可能會降低安全和恢復能力的影響因素。目前，在雙饋風電場經串補電容并網引發(fā)次同步振蕩的抑制方法研究中仍然存在不足之處[5]。

由于風電次同步振蕩受到控制系統(tǒng)和電氣傳輸系統(tǒng)的結構的影響，SSCI通常具有時變頻率。然而，傳統(tǒng)的研究大多集中在固定的頻率上。那么SSCI控制器能否在寬范圍內提供阻尼并覆蓋變化頻率成為一個研究熱點。

針對DFIG的SSO及抑制策略進行研究，本文提出了一種采用儲能裝置附加阻尼控制環(huán)節(jié)的方式來重塑風電場阻抗并抑制次/超同步振蕩。通過電磁暫態(tài)仿真驗證了該方案的性能，能成功地抑制不同頻率的次同步電流，以提高目標系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1? 串聯(lián)補償風電系統(tǒng)及其SSR評價

1.1? 某系統(tǒng)的說明

某風電場共有24個風電場，總裝機容量約為3 GW，與220 kV變電站連接。然后，沿兩條500 kV平行串聯(lián)補償輸電線路輸電，補償度分別為40%和45%。該區(qū)域采用3種風力發(fā)電機，包括SEIG（2型）、DFIG（3型）和永磁同步發(fā)電機（PMSGs，4型）。超過80%的電力是由3型風力發(fā)電機組提供。

1.2? SSR事件

在某風力發(fā)電系統(tǒng)中，在2010年串聯(lián)電容器的接入后，已經檢測到了幾個SSR事件。從2012—2015年，有多達58個SSR事件。SSR主要是由DFIG的控制系統(tǒng)與串聯(lián)電容器之間的相互作用引起的，因此該風電的SSR被歸類為SSCI。SSCI事件導致諧波電流、變壓器異常振動、風力發(fā)電機跳閘、輸出損失。振蕩頻率是風力發(fā)電系統(tǒng)的主要SSR特性之一。

1.3? 電磁暫態(tài)仿真

風電機組電磁暫態(tài)仿真如圖1所示。

2? 基于儲能的次/超同步振蕩抑制方法

2.1? 控制原理概述

風電機組與電網之間阻抗的動態(tài)相互作用可能導致次/超同步振蕩，風電并網系統(tǒng)中存在的負阻尼特性將使得振蕩持續(xù)存在并發(fā)散。為解決大規(guī)模風電送出系統(tǒng)中的次/超同步振蕩問題，可采用儲能裝置附加阻尼控制環(huán)節(jié)的方式來重塑風電場阻抗并抑制次/超同步振蕩。其基本工作原理是，通過合理設計次同步阻尼控制器，使其產生與電壓次/超同步分量成正比的參考電流信號，從而產生次/超同步電流，將該次/超同步電流注入到風電場并網系統(tǒng)中，對風電場次/超同步振蕩起到阻尼作用。首先選取風電場并網母線的三相電壓作為控制器的輸入信號，通過頻率辨識和濾波提取其中的次/超同步分量，對次/超同步信號的幅值和相位進行補償，生成電流參考信號；然后儲能裝置產生相應電流，并注入系統(tǒng)中，從而達到抑制次/超同步振蕩的目的。

在風電場中配備的儲能裝置中采用附加阻尼控制的結構。阻尼控制器主要實現(xiàn)對參考電流的計算功能，即對輸入的信號進行濾波和比例移相。儲能的功率變換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）根據參考電流信號產生相應電流并注入系統(tǒng)中。其中，iL為風電場并網線路中的電流，up為并網點的電壓，iref為參考電流信號，iG為通過儲能裝置注入的電流。

當采用電壓作為輸入信號時，控制器可以等效為一個可控阻抗，和風電場并聯(lián)后調整風電場的阻抗特性，從而有效抑制振蕩。

2.2? 控制參數(shù)設計

本項目需要根據振蕩特性對控制器的濾波和移相環(huán)節(jié)進行設計。

2.2.1? 濾波器

濾波器環(huán)節(jié)的主要作用是濾出輸電線路的電流信號iL中的次/超同步電流分量iSSR或者系統(tǒng)電壓信號up中的次/超同步電壓分量uSSR。由于次/超同步振蕩的耦合特性，控制器可以選擇對其中一種分量的振蕩進行抑制。目前仿真模型中超同步諧振頻率主要集中在10～15 Hz，濾波器需要濾出相應頻率的信號。本控制器中采用復合濾波器組實現(xiàn)濾波功能。復合濾波器組由一個二階次同步帶通濾波器、一個二階超同步帶阻濾波器和一個二階工頻帶阻濾波器構成。這樣既可以準確地提取超同步分量，又能避免阻尼控制器輸出不需要的工頻分量。

2.2.2? 移相環(huán)節(jié)

濾波器環(huán)節(jié)可能會對目標模式諧振信號產生相移，影響次同步振蕩的抑制效果，因此需要在移相環(huán)節(jié)做適當?shù)难a償。移相環(huán)節(jié)的表達式如下：

式（1）中：為比例系數(shù)；為時間常數(shù)；n為正整數(shù)，表示n個移相環(huán)節(jié)串聯(lián)。為了提高控制系統(tǒng)對風電場次同步振蕩的抑制效果，需要對次同步阻尼控制器的參數(shù)進行設計。主要目標是通過合理設計移相環(huán)節(jié)時間常數(shù)值，補償濾波器環(huán)節(jié)對目標信號產生的相移，同時保證控制器投入后整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。取n=2時，可以得到計算時間常數(shù)的公式為

式（2）中，為期望得到的總相移，為濾波器附加的相角，為需要抑制的振蕩頻率。進一步地，可以根據風電場和控制器的阻抗模型，對控制器參數(shù)進行優(yōu)化計算。

2.2.3? 控制效果仿真

阻尼控制器利用儲能裝置向風電場并網系統(tǒng)中注入電流，可等效為并聯(lián)的受控電流源。考慮雙饋風電機組與串補相互作用的振蕩場景，儲能附加次同步阻尼抑制裝置能夠起到很好的抑制效果。仿真場景設置如下：當仿真運行5 s時，風電場外接電網的串補線路退出一回，此時出現(xiàn)振蕩發(fā)散現(xiàn)象。將儲能附加次同步阻尼抑制裝置等效的電流源接入35 kV母線，容量設置為風電額定容量的5%，在仿真運行6 s時投入阻尼控制，振蕩得到明顯抑制，風電場電流中僅有工頻分量，頻譜分析結果如圖2、圖3所示。

3? 結語

本文提出了一種采用儲能裝置附加阻尼控制環(huán)節(jié)的方式來重塑風電場阻抗并抑制次/超同步振蕩。增加控制方法簡單實用，可以為大范圍的SSR頻率提供正阻尼。驗證了該方案的性能，并能成功地抑制不同頻率的次同步電流。因此，可以提高目標系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]孫學博.大規(guī)模風電并網系統(tǒng)次同步振蕩傳播機理與分布特性研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2023.

[2]劉朝輝.考慮風電并網系統(tǒng)時變特性的寬頻振蕩風險評估方法的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2023.

[3]翟文超.直驅式風電場聯(lián)網次同步振蕩特性分析與控制[D].吉林：東北電力大學，2023.

[4]宮彥.大規(guī)模風電外送系統(tǒng)次/超同步振蕩形態(tài)特征及傳播特性研究[D].四川：電子科技大學，2023.

[5]余成駿.基于阻抗建模的雙饋風電場次同步振蕩特性分析與阻尼抑制策略研究[D].云南：昆明理工大學，2023.