李自明,姚秀萍,王維慶,常喜強(qiáng),郭小龍,薛 忠,王 衡

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心,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.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京211102)

風(fēng)電場次同步諧波監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李自明1,姚秀萍2,王維慶1,常喜強(qiáng)2,郭小龍2,薛 忠3,王 衡2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心,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.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京211102)

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電通過特高壓直流外送系統(tǒng)輸送電力存在次同步振蕩的問題,以同步相量測量裝置(PMU)為工具,將風(fēng)電場、換流站等風(fēng)電匯集地區(qū)相關(guān)站點(diǎn)的次同步裝置都納入監(jiān)測系統(tǒng),采用監(jiān)測聯(lián)絡(luò)線有功功率振蕩波形并結(jié)合聯(lián)絡(luò)線次同步諧波頻率特征進(jìn)行次同步振蕩的判斷。從監(jiān)測系統(tǒng)中PMU記錄的數(shù)據(jù)頻譜來看具體的某一次擾動(dòng),次同步諧波監(jiān)測裝置所監(jiān)測到的擾動(dòng)與其他扭振監(jiān)測保護(hù)裝置的監(jiān)測記錄結(jié)果等在發(fā)生實(shí)踐、擾動(dòng)波形趨勢上基本一致。

次同步諧波；同步相量測量裝置；監(jiān)測系統(tǒng)；風(fēng)電場

0 引 言

風(fēng)電的規(guī)?；l(fā)展、及其本身的隨機(jī)性與波動(dòng)性[1-2]、源荷分離等特點(diǎn)使得原本較弱的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得不堪重負(fù),次同步諧振或次同步振蕩現(xiàn)象[3]在電網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生。1970年美國Mohave電站先后兩次因次同步諧振而引起發(fā)電機(jī)組大軸損壞；1977年美國Square Butte直流輸電工程調(diào)試時(shí)首先發(fā)現(xiàn)直流輸電引起汽輪發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩問題；以上都是早期火電機(jī)組發(fā)生次同步振蕩的雛形。到2009年,美國Texas風(fēng)電場輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障,切除部分線路,使得串補(bǔ)度由50%提高至75%,導(dǎo)致風(fēng)電場出現(xiàn)次同步振蕩,漸漸引發(fā)了人們對(duì)風(fēng)電場次同步振蕩問題的關(guān)注。

文獻(xiàn)[4]以直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場為例,分析了接入交流電網(wǎng)強(qiáng)弱、風(fēng)機(jī)出力、并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、風(fēng)機(jī)控制參數(shù)及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)振蕩特性的影響；文獻(xiàn)[5]以雙饋風(fēng)機(jī)風(fēng)電場為例,提出了一種基于定子側(cè)變流器的附加阻尼控制策略來抑制次同步振蕩,但是對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)串補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩機(jī)理的研究有待進(jìn)一步的深入；文獻(xiàn)[6]研究了整流站附近多臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行時(shí)的次同步阻尼控制器(SSDC)抑制機(jī)組次同步振蕩的設(shè)計(jì)方法,得出不論是何種機(jī)型,SSDC輸入信號(hào)中消去異模分量可抑制多臺(tái)機(jī)組的次同步振蕩。

2015年7月1日,哈鄭特高壓直流輸電工程引發(fā)次同步振蕩,其直流配套花園電廠三臺(tái)機(jī)組因軸系扭振保護(hù)[7,8]動(dòng)作相繼跳閘,經(jīng)查證發(fā)現(xiàn)造成軸系扭振保護(hù)的電流諧波分量源于風(fēng)電場,但具體是風(fēng)電場哪一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的次同步諧波尚不明確。故如何利用現(xiàn)有的風(fēng)電集電線和各等級(jí)變電站的電網(wǎng)側(cè)次同步監(jiān)測裝置(SMU)、以及同步相量測量裝置(PMU)數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置,構(gòu)建風(fēng)電匯集地區(qū)次同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),將是解決風(fēng)電場次同步振蕩問題的關(guān)鍵。因此為了充分收集電網(wǎng)發(fā)生次同步振蕩數(shù)據(jù),需要對(duì)電網(wǎng)中輸電線路以及變電站中的次同步諧波進(jìn)行監(jiān)測,掌握現(xiàn)場一手的資料和數(shù)據(jù)。

本文通過PMU次同步振蕩監(jiān)測系統(tǒng),闡明了電網(wǎng)次同步諧波目前的監(jiān)測情況以及次同步諧波監(jiān)測技術(shù)的原理。將該次同步諧波監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到新疆某地區(qū)風(fēng)電場,對(duì)比分析次同步諧波監(jiān)測裝置所監(jiān)測到的擾動(dòng)與其他扭振監(jiān)測保護(hù)裝置監(jiān)測的結(jié)果,看發(fā)生實(shí)踐與擾動(dòng)波形趨勢是否有一定的共性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)對(duì)整個(gè)新疆電網(wǎng)的風(fēng)電場次同步諧波監(jiān)測有一定的指導(dǎo)意義。

1 風(fēng)電場次同步諧波監(jiān)測現(xiàn)狀

風(fēng)電場次同步監(jiān)測系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測,其中涉及高精度次同步諧波提取、SMU以及PMU高采樣率錄波等。然后,將PMU、SMU數(shù)據(jù)上送至廣域監(jiān)測系統(tǒng)(WAMS),并且在WAMS主站進(jìn)行存儲(chǔ)。最終在WAMS主站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、告警與顯示。為深入分析次同步振蕩過程,可利用PMU裝置暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)功能,在電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)或有開關(guān)量變位時(shí),啟動(dòng)暫態(tài)錄波以記錄原始的電壓、電流采樣值。通常PMU暫態(tài)錄波速率不低于1.2 kHz,因此可有效分析5～50 Hz的頻率分量,可更好地、如實(shí)地反映電網(wǎng)次同步振蕩過程。

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的連續(xù)同步監(jiān)測,在初期監(jiān)測方案中對(duì)電網(wǎng)內(nèi)大型發(fā)電廠和變電站進(jìn)行了初篩,取次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)較高的廠站作為監(jiān)測點(diǎn),并安裝電網(wǎng)次同步諧波監(jiān)測裝置?，F(xiàn)通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)構(gòu)建成廣域的次同步監(jiān)測系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)次同步電流的連續(xù)、在線、不間斷的監(jiān)視和錄波功能。針對(duì)風(fēng)火打捆、直流送出系統(tǒng)復(fù)雜的次同步振蕩問題,本文將風(fēng)電場、換流站等相關(guān)站點(diǎn)的次同步監(jiān)測、抑制、保護(hù)裝置都納入監(jiān)測系統(tǒng),構(gòu)成解決電網(wǎng)次同步振蕩問題的三道防線(見圖1)。

圖1 三道防線

圖1中監(jiān)測、預(yù)防是風(fēng)電場次同步振蕩監(jiān)測系統(tǒng)第一道防線,包括火電廠側(cè)次同步監(jiān)測裝置(TMU)、部署在風(fēng)電集電線和各等級(jí)的變電站的SMU、還有PMU的數(shù)據(jù)監(jiān)測,同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于這些監(jiān)測裝置的大數(shù)據(jù)分析、展示與告警。第二道防線,即抑制,包括火電廠側(cè)附加勵(lì)磁阻尼抑制[9](SEDC)、直流側(cè)SSDC、風(fēng)電饋線側(cè)和風(fēng)電匯集站的專用抑制裝置廣域附加阻尼控制(WSDC)、以及基于現(xiàn)有SVG的附加次同步抑制[10]。第三道防線,即保護(hù),包括火電廠側(cè)軸系扭振保護(hù)(TSR)、風(fēng)電級(jí)聯(lián)線和風(fēng)電匯集站保護(hù)(WSR)。以上三道防線中第一道防線能夠監(jiān)測出火電廠側(cè),風(fēng)電集電線以及變電站的電網(wǎng)側(cè)次同步信號(hào),并將告警信號(hào)上送WAMS,進(jìn)而為第二、三道防線的抑制與保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 風(fēng)電場次同步諧波監(jiān)測原理

采用監(jiān)測功率振蕩波形原理的PCS-993C型次同步振蕩監(jiān)測裝置進(jìn)行次同步振蕩判別,該裝置作為電力系統(tǒng)次同步振蕩事故時(shí)的監(jiān)控裝置,當(dāng)風(fēng)電場內(nèi)發(fā)生次同步振蕩時(shí),迅速進(jìn)行啟動(dòng)和判斷,發(fā)出報(bào)警,并可采取解列、切機(jī)等控制措施,以消除次同步振蕩事故。

2.1 風(fēng)電場次同步諧波信號(hào)的提取

風(fēng)電場次同步諧振電流在線監(jiān)測裝置通過高精度、高分辨率的數(shù)字化采樣技術(shù)和濾波技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸電線路電流中次同步諧振電流的頻率和幅值在線計(jì)算和監(jiān)測。線路正常運(yùn)行時(shí),線路電流是工頻的正弦信號(hào),線路電流可以表示為

(1)

式中,X0為工頻信號(hào)的有效值大小;φ0為工頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的初相位。在發(fā)生次同步諧振時(shí),線路電流可以認(rèn)為是在工頻正弦信號(hào)上疊加了次同步頻率信號(hào),此時(shí)輸電線路的電流可以表示為

(2)

式中,Xk為模態(tài)k的次同步頻率信號(hào)的有效值大小;f和φ分別為對(duì)應(yīng)的頻率和相位。

電網(wǎng)次同步電流監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場輸電線路中次同步模態(tài)電流信號(hào)的監(jiān)測。通過線路三相電流的模態(tài)電流信號(hào)分離和峰值計(jì)算,以及模態(tài)頻率的監(jiān)測和顯示,可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波以適應(yīng)現(xiàn)場線路電流頻率成份的微小變化,為次同步振蕩現(xiàn)象的研究和分析提供了科學(xué)的監(jiān)測手段和方法。

2.2 次同步諧波監(jiān)測裝置的啟動(dòng)判據(jù)

正常運(yùn)行時(shí),次同步諧波監(jiān)測裝置一直監(jiān)視聯(lián)絡(luò)線輸送的有功功率,當(dāng)發(fā)生次同步振蕩時(shí),裝置能根據(jù)聯(lián)絡(luò)線功率的變化情況迅速進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。由監(jiān)測裝置判斷啟動(dòng)的方程式為

(3)

式中,Pk為聯(lián)絡(luò)線當(dāng)前功率;Peqv為聯(lián)絡(luò)線前10 s的平均功率;Psetqd為啟動(dòng)功率門檻定值。

2.3 次同步振蕩的確認(rèn)判據(jù)

裝置啟動(dòng)后,通過波形分析技術(shù)對(duì)聯(lián)絡(luò)線的電壓、電流、有功功率進(jìn)行計(jì)算分析；若潮流波動(dòng)是由于系統(tǒng)故障引起,則裝置可靠閉鎖；若潮流波動(dòng)是由于次同步振蕩引起,則裝置可靠找出每個(gè)振蕩周期聯(lián)絡(luò)線有功功率的最大值Pmaxk、最小值Pmink以及每個(gè)周期內(nèi)最大值Pmaxk出現(xiàn)的時(shí)刻Tmaxk。由此可求出每個(gè)振蕩周期的振蕩幅度dPk和振蕩周期Tk

dPk=Pmaxk-Pmink

(4)

Tk=Tmaxk+1-Tmaxk

(5)

每個(gè)振蕩周期的振幅應(yīng)滿足

dPk≥Psetzd

(6)

式中,Psetzd為振蕩確認(rèn)功率門檻定值。振蕩周期應(yīng)滿足

Tsetmin≤Tk≤Tsetmax

(7)

式中,Tsetmin為振蕩周期的低門檻定值；Tsetmax為振蕩周期的高門檻定值。增幅振蕩的判斷條件為

dPk/dPk-1>1.05

(8)

減幅振蕩的判斷條件為

dPk/dPk-1<0.95

(9)

當(dāng)相鄰兩個(gè)振蕩周期內(nèi)的振蕩幅度既不滿足增幅振蕩判斷條件也不滿足減幅振蕩判斷條件則判定為等幅振蕩。

3 電網(wǎng)次同步諧波監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

本文通過在關(guān)鍵廠站安裝專用監(jiān)測裝置SMU,并將PMU規(guī)約上送至區(qū)調(diào)WAMS主站。在條件不允許的周邊廠站,將PMU改為高采樣率、長時(shí)間錄波,同時(shí)上送WAMS主站從而實(shí)現(xiàn)次同步振蕩數(shù)據(jù)監(jiān)測、錄波分析、告警等功能,從而構(gòu)建完整的次同步振蕩監(jiān)測系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 次同步諧波監(jiān)測系統(tǒng)

由圖2可以看出,次同步諧波監(jiān)測系統(tǒng)中的換流站、變電站以及風(fēng)電廠均裝設(shè)有網(wǎng)側(cè)次同步監(jiān)測裝置SMU,火電廠裝有TSR、SEDC和TMU,此外風(fēng)電廠還有風(fēng)電級(jí)聯(lián)線和WSR,他們可以將各自廠站所監(jiān)測的到不同頻段的振蕩信息及時(shí)上傳至調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng),加之各廠站配有同步時(shí)鐘GPS,能夠精確定位各振蕩源所在位置,最后由調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)將來自不同廠站的信息送至D5000WAMS。

以電網(wǎng)發(fā)生功率振蕩為參考,獲取功率振蕩期間各廠站采樣頻率為100 Hz的PMU動(dòng)態(tài)錄波文件,山北變安裝的監(jiān)測裝置的SMU、TSR錄波數(shù)據(jù)中山黃線SUM監(jiān)測到的主要諧波頻率為19.4 Hz和29.66 Hz,幅值為4.2 A。監(jiān)測到的山黃線A相次同步諧波電流信號(hào)PMU量測幅值圖像如圖3所示。

圖3 山黃線A相次同步諧波電流信號(hào)

將圖3測得電流幅值信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)頻譜分析,找出每分鐘內(nèi)該線路次同步振蕩幅值最大時(shí)段(以10 s為時(shí)間單位),其頻譜如圖4所示。

圖4 山黃線PUM數(shù)據(jù)頻譜分析

圖5 振蕩最大時(shí)段山黃線頻譜分析

分析圖4中數(shù)據(jù)頻譜可以看出,山黃線A相電流幅值含有29.66 Hz的諧波分量以及其他頻率分量。對(duì)振蕩幅值最大的10 s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出,除含較多的29.6 Hz和19.4 Hz諧波分量外,還有9.8 Hz和42.2 Hz振幅較大的諧波分量,這對(duì)分析產(chǎn)生次同步振蕩主導(dǎo)頻率分量又增加了一定困難。在這些諧波中,9.8 Hz振幅為24.81 A,占基頻的27.49%；19.4 Hz振幅為29.6 A,占基頻33.19%；42.2 Hz振幅為8.75 A,僅占基頻9.73%。

扭振監(jiān)測保護(hù)裝置監(jiān)測到的花園電廠模態(tài)3(軸系固有頻率30.76 Hz)幅值信號(hào)如圖6所示。

圖6 花園電廠模態(tài)3幅值信號(hào)

圖6中根據(jù)機(jī)組模態(tài)頻率與系統(tǒng)側(cè)頻率互補(bǔ)的原則,花園電廠模態(tài)3頻率為30.76 Hz,系統(tǒng)側(cè)對(duì)應(yīng)的特征頻率為50-30.76=19.24 Hz。因此山北變現(xiàn)場安裝的功率振蕩穩(wěn)控裝置的特征頻率范圍定值為17～20 Hz。次同步頻率諧波分量主要有兩個(gè)頻率,分別為29.6 Hz和19.4 Hz,但次同步諧波分量幅值均較小,二次值分別為0.004 8 A和0.005 A,一次值分別為5.76 A和6 A,其中19.4 Hz頻率落入安控動(dòng)作頻率門檻17～20 Hz(花園電廠模態(tài)3互補(bǔ)頻率)的范圍,故主導(dǎo)動(dòng)作諧波頻率應(yīng)為19.4 Hz。這一研究結(jié)果將為新疆風(fēng)電場次同步諧波監(jiān)測的提供一定的參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文通過次同步諧波監(jiān)測系統(tǒng),采用監(jiān)測聯(lián)絡(luò)線有功功率振蕩波形并結(jié)合聯(lián)絡(luò)線次同步諧波頻率特征進(jìn)行次同步振蕩判斷。

(1)通過監(jiān)測系統(tǒng)的PMU記錄的數(shù)據(jù)頻譜可知,29.6 Hz和19.4 Hz諧波分量較多,并由機(jī)組模態(tài)頻率與系統(tǒng)側(cè)頻率互補(bǔ)的原則推出主導(dǎo)動(dòng)作頻率應(yīng)為19.4 Hz。

(2)該監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視風(fēng)電匯集區(qū)域與主網(wǎng)之間線路電壓、電流與功率判斷,獲得次同步振蕩過程中的原始波形及振蕩的主導(dǎo)頻率,并將發(fā)生次同步振蕩并將振蕩信息上傳至D5000WAMS,由其下發(fā)控制命令抑制次同步振蕩。這為進(jìn)一步研究風(fēng)電場的次同步振蕩發(fā)生機(jī)理與抑制策略提供了借鑒與參考。

[1]周紅婷, 宋瑋. 計(jì)及動(dòng)態(tài)無功控制影響的大規(guī)模風(fēng)電匯集地區(qū)電壓穩(wěn)定性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(7): 13- 18．

[2]李自明, 姚秀萍, 王海云, 等. 計(jì)及時(shí)序遞進(jìn)的風(fēng)電場多級(jí)無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(9): 99- 103．

[3]張鵬, 畢天姝, 楊奇遜, 等. 相近扭振頻率并聯(lián)發(fā)電機(jī)組次同步振蕩研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(20): 5181- 5187．

[4]謝小榮, 劉華坤, 賀靜波, 等. 直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場與交流電網(wǎng)相互作用引發(fā)次同步振蕩的機(jī)理與特性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(0): 1- 7．

[5]董曉亮, 謝小榮. 雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)變流器附加阻尼抑制次同步振蕩方法研究[J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(1): 1- 7．

[6]徐振宇, 李樹鵬, 蘇靖棋, 等. 基于遺傳模擬退火算法的SEDC與SSDC控制參數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(7): 1983- 1988．

[7]郭磊, 張英敏, 李興源. 多通道高壓直流廣域改進(jìn)射影控制器設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(4): 29- 35．

[8]KOUTSOVASILIS P, DRIOT N, LU D, et al. Quantification of sub-synchronous vibrations for turbocharger rotors with full-floating ring bearings[J]. Archive of Applied Mechanics, 2015, 85(4): 481- 502．

[9]段剛, 嚴(yán)亞勤, 謝曉冬, 等. 廣域相量測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(1): 73- 80．

[10]BULLETIN M. Testing and validation of a fast real-time oscillation detection PMU-based application for wind-farm monitoring[C]∥First International Black Sea Conference on Communications and NETWORKING, 2013: 216- 221.

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Research and Application of Sub-synchronous Harmonic Monitoring System for Wind Farm

LI Ziming1, YAO Xiuping2, WANG Weiqing1, CHANG Xiqiang2, GUO Xiaolong2, XUE Zhong3, WANG Heng2
(1. Engineering Research Center for Renewable Energy Power Generation & Grid Technology Approved by Ministry of Education, College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang China;2. Xinjiang Electric Power Dispatching and Control Center, Urumqi 830001, Xinjiang, China;3. Nari-relays Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, Jiangsu, China)

In view of the sub-synchronous oscillation problem of wind power generation in UHV DC transmission system, the synchronous devices in wind farm, converter station and other related sites of wind power collection areas are incorporated into monitoring system based on synchronized Phasor Measurement Unit (PMU) tool. The sub-synchronous oscillation is judged by detecting the active power oscillation waveform of tie line and combining with the sub-synchronous harmonic frequency characteristics of contact line. To a specific disturbance, the data spectrum recorded by PMU in monitoring system show that the monitoring and recording results of sub-synchronous harmonics monitoring device and other torsion vibration monitoring protection device are basically same in processing and disturbance wave form．

sub-synchronous harmonic; PMU; monitoring system; wind farm

2016- 10- 18

自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2016D03021)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51267017);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2013AA050604)

李自明(1989—),男,山東臨沂人,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化．

TM712

A

0559- 9342(2017)05- 0086- 05