王春華， 宋曉喆， 高培生， 王亮， 姜齊榮

(1.國網吉林省電力有限公司，吉林 長春 130021；2.北京理工大學 自動化學院，北京 100084；3.清華大學 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100086)

吉林通榆風電基地次同步振蕩現(xiàn)象研究

王春華1， 宋曉喆1， 高培生1， 王亮2， 姜齊榮3

(1.國網吉林省電力有限公司，吉林 長春 130021；2.北京理工大學 自動化學院，北京 100084；3.清華大學 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100086)

針對吉林省通榆風電基地的次同步振蕩現(xiàn)象，首先對 風電場的振蕩形態(tài)進行了歸納，發(fā)現(xiàn)其存在突發(fā)式短時間振蕩、恒幅值長時間振蕩和變動的長時間振蕩等三種典型的振蕩形態(tài)。然后，利用現(xiàn)場實驗研究了不同因素對系統(tǒng)振蕩的影響，結果表明雙饋型風力發(fā)電機組和固定串補是造成振蕩的根源。最后，提出了應對通榆風電基地次同步振蕩的對策。

次同步振蕩；風力發(fā)電；雙饋型風力發(fā)電機；固定串補；電力系統(tǒng)穩(wěn)定

0 引 言

作為一種清潔的可再生能源，風能在世界各主要國家得到了大力的發(fā)展。截止到2015年底，全球風電累計裝機容量達到432.4 GW，其中我國累計裝機容量達到145.1 GW，位居世界第一位[1]。2015年，我國風電發(fā)電量達1 863億千瓦時，占全部發(fā)電量的3.3%[2]。電力系統(tǒng)固定串聯(lián)電容補償(FSC)，簡稱固定串補，可以大幅降低輸電線路的等效電抗，提高線路的輸電能力和穩(wěn)定極限，同時，其結構簡單、可靠性高、成本低。因此，在我國電網得到了廣泛的應用。

國內外已有的運行經驗表明，固定串補會導致雙饋型風力發(fā)電機[3-6]的次同步振蕩(SSO)。次同步振蕩不僅會導致大量風機脫網，甚至會損壞風力發(fā)電機的撬棒電路。2016年1月份，在吉林省通榆風電基地也發(fā)生了次同步振蕩。目前，已有文獻對風電場次同步振蕩的研究多是基于現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)的仿真分析。本文通過通榆風電基地的現(xiàn)場實驗，對風電場次同步振蕩的形態(tài)及其影響因素進行了深入地研究。

1 通榆風電機基地的次同步振蕩現(xiàn)象

1.1 通榆風電基地的概況

吉林省通榆風電基地規(guī)劃建設9座風電場，總裝機容量可達2 300 MW。目前，已投運3座風電場，分別為XH、TJ及XLS風電場，如圖1所示。現(xiàn)在的裝機容量為493 MW，全部為雙饋型風力發(fā)電機，預計到2016年底裝機容量將達到543 MW。該風電基地經含有串補的500 kV輸電線路接入梨樹變電站，然后接入吉林電網。500 kV線路的串補容量為358 Mvar，線路補償度為30%。

圖1 通榆風電基地電氣接線圖

XH風電場裝機297 MW，共計安裝3個廠家的198臺1.5 MW風機；TJ風電場裝機147 MW，共計安裝兩個廠家的72臺2 MW和2臺1.5 MW風機；XLS風電場裝機49.5 MW，共計安裝1個廠家的33臺1.5 MW風機。各風電場安裝風機的情況詳見表1。

表1 風電基地的風機信息

1.2 通榆風電基地的振蕩現(xiàn)象

隨著風電機組的陸續(xù)并網，通榆風電基地通榆變及各風電場電壓、電流振蕩的情況時有發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)可知，振蕩發(fā)生時風電基地內各點均可觀測到振蕩，各點電壓、電流振蕩的幅度有所差別，但振蕩頻率以及變化趨勢一致。綜合已觀察到的大量振蕩過程，該地區(qū)的典型振蕩形態(tài)可分為三種：突發(fā)式短時間振蕩、恒幅值長時間振蕩和變動的長時間振蕩。

1)突發(fā)式短時間振蕩

2016年1月21日，TJ風電場1號主變低壓側A相電流和電壓的PMU錄波數(shù)據(jù)如圖2所示。顯然，在該時段內發(fā)生了突發(fā)式短時間振蕩。對該振蕩過程進行分析可知，系統(tǒng)電壓、電流呈現(xiàn)相同的振蕩規(guī)律，均在發(fā)生短時振蕩后恢復正常。分析結果表明，振蕩頻率為5.33 Hz，諧波電壓最大值272 V，基波電壓28.05 kV，諧波電壓含量僅為0.97%。諧波電流最大值為48.1 A，此時的基波電流為58.3 A，諧波電流含量達到82.3%?？梢姡C波電流的含量遠大于諧波電壓的含量。

圖2 TJ風電場1號主變35 kV側A相電壓和電流PMU數(shù)據(jù)

2)恒幅值長時間振蕩

4月6日，通榆風電基地發(fā)生了持續(xù)時間近兩小時的恒幅值振蕩。發(fā)生振蕩時TJ風電場1號主變220 kV側A相電流瞬時值如圖3所示。振蕩頻率為4.85 Hz，在此時間段內諧波電流幅值維持在5 A左右，基波電流幅值保持25 A基本不變，諧波電流含量約為20%。

圖3 TJ風電場1號主變220 kV側A相電流

3)變動的長時間振蕩

2016年1月17日，通榆地區(qū)發(fā)生振蕩。在此次振蕩過程持續(xù)時間很長，期間振蕩幅值變動也很大。通榆變1號主變220 kV側基波電流和諧振電流的傅里葉分析(FFT)結果如圖4所示?？梢姡袷幾顕乐貢r，諧振電流最高可達基波電流的119%。

圖4 通榆站錄波數(shù)據(jù)的傅里葉分析結果

2 振蕩影響因素的現(xiàn)場實驗研究

文獻[5-6]對影響風電場次同步振蕩的因素進行了理論分析和仿真驗證，包括串補容量、風速、控制器參數(shù)和并網風機臺數(shù)等。但是，并沒有進行現(xiàn)場驗證。本文通過現(xiàn)場實驗對可能影響風電場次同步振蕩的因素進行了全面的研究和實驗驗證，包括：靜止同步補償器(STATCOM)、35 kV集電線路、不同類型的風力發(fā)電機組和固定串補等。

2.1 靜止同步補償器

首先，本文對STATCOM與次同步振蕩間的關聯(lián)進行了考察。實際安裝的STATCOM具有兩種控制模式：(1)自動電壓調節(jié)控制，(2)定無功功率控制。實驗一中，STATCOM采用自動電壓調節(jié)控制，當XH風電場的1組STATCOM投入后，該風電場的振蕩情況加劇。實驗二中，STATCOM采用的是定無功功率控制。投入XH風電場的1組STATCOM，母線電壓由投入前的224.5 kV升至225 kV，如圖5所示，但系統(tǒng)振蕩情況并無明顯變化。因此，采用定無功功率控制的STATCOM對系統(tǒng)振蕩無明顯影響。

圖5 STATCOM投切實驗結果

2.2 35 kV集電線路

風電場中，35 kV集電線路均采用電纜，電纜單位長度的電容較大。為了排除系統(tǒng)與電纜電容振蕩的可能，課題組對35 kV集電線路進行了投切實驗。XH風電場風機全部退出后，投切XH風電場的35 kV集電線路，未發(fā)現(xiàn)明顯的電壓、電流振蕩現(xiàn)象?？梢?，系統(tǒng)振蕩與35 kV集電線路的投切無明顯關聯(lián)。

2.3 風力發(fā)電機

已有的研究表明，雙饋型風力發(fā)電機對次同步振蕩有非常大的影響，因此，本文深入研究了不同風力發(fā)電機對次同步振蕩的影響。

2.3.1單臺風機

對TJ風電場的單臺B-II風機進行投切實驗。發(fā)現(xiàn)，在并網后存在10 s左右的頻率為5 Hz的明顯低頻擾動，隨后衰減，35 kV側輸出電流中諧振電流的傅里葉分析結果如圖6所示。同時發(fā)現(xiàn)并網后發(fā)電機輸出電流中2、3、4次諧波含量較大。

圖6 單機并網電流的傅里葉分析結果

2.3.2多臺相同型號風機

分別同時啟動3臺、6臺、9臺B-II風機時，系統(tǒng)的振蕩頻率如表2所示。實驗結果表明，振蕩頻率隨并網風機數(shù)量的增加而增大，由3臺并網時的5 Hz，增加到9臺并網時的5.4 Hz，風機數(shù)量達到6臺以上時，振蕩情況由單次突發(fā)式短時間振蕩變?yōu)槎啻瓮话l(fā)式短時間振蕩，如圖7所示，且35 kV側振蕩電流幅值由6臺時的23 A左右增加至9臺時的35 A左右。

表2 振蕩頻率實驗結果

圖7 9臺風機同時并網時電流的傅里葉分析結果

2.3.3不同型號的風機

在該項實驗中，通過投切系統(tǒng)中全部某一型號的風電機組，來研究不同型號風機對振蕩的影響。

1)A型風機切除

系統(tǒng)中的全部風機都投入運行，此時系統(tǒng)發(fā)生振蕩，僅切除全部A型風機。風機切除前后，系統(tǒng)振蕩未出現(xiàn)明顯變化，PMU紀錄的A相電壓有效值如圖8所示。

圖8 A型風機退出運行

2)B型風機投入

切除系統(tǒng)中的全部風機，僅投入B型風機。風機投入后，系統(tǒng)中出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)電壓的有效值如圖9所示。

圖9 B型風機投入后出現(xiàn)振蕩

3)C型風機投入

在上述實驗的基礎上，投入C型風機。投入后振蕩加劇，系統(tǒng)電壓有效值如圖10所示。

圖10 C型風機投入后振蕩加劇

4)D型風機投入

切除系統(tǒng)中的全部風機，僅投入D型風機。風機投入后，系統(tǒng)中出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)電壓有效值如圖11所示。

圖11 D型風機投入后出現(xiàn)振蕩

2.3.4大量風機并網

4月7日，風速較高，風機并網后均能運行于額定狀態(tài)，因此課題組選擇當日進行大量風機并網實驗。10:22并網風機34臺，風電出力約為51 MW，系統(tǒng)中存在頻率為6.2 Hz的小幅波動，通榆500 kV變電站500 kV側振蕩電流有效值為4 A，220 kV側振蕩電壓幅值為0.07 kV。10:47并網風機110臺，風電出力約為153 MW，系統(tǒng)中存在頻率為7.0 Hz的持續(xù)擾動，500 kV側振蕩電流有效值為34 A。11:13并網風機156臺，風電出力約為230 MW，系統(tǒng)中存在頻率為7.3 Hz的振蕩，500 kV側振蕩電流有效值可達117 A。振蕩過程中，頻率、幅度及并網風機數(shù)如表3所示。實驗結果表明，振蕩頻率與并網風機臺數(shù)正相關，即并網風機越多，系統(tǒng)振蕩的頻率越高。

表3 振蕩頻率與并網風機臺數(shù)的關系

綜上可知，1)不同型號風機對系統(tǒng)振蕩的貢獻不同，其中，系統(tǒng)振蕩對A型風機不敏感；2)隨著并網發(fā)電機的增多，系統(tǒng)振蕩頻率逐步提高。

2.4 固定串補

4月11日將瞻梨線的串補裝置退出運行，此后，通榆變及各風電場電壓振蕩現(xiàn)象消失。保持串補退出狀態(tài)至4月15日，其間，瞻梨線有功功率最大達到330 MW，通榆變及各風電場電壓、電流及功率均未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

3 結束語

吉林省通榆風電基地發(fā)生的次同步振蕩存在三種不同的振蕩形態(tài)：突發(fā)式短時間振蕩、恒幅值長時間振蕩和變動的長時間振蕩。通過現(xiàn)場實驗研究表明：(1)采用定無功功率控制時，STATCOM對系統(tǒng)振蕩無明顯影響；(2)系統(tǒng)振蕩與35 kV集電線路無明顯關聯(lián)；(3)不同型號風機對系統(tǒng)振蕩的影響不同，而且，隨著并網發(fā)電機的增多，系統(tǒng)振蕩頻率逐漸提高；(4)固定串補退出運行后，系統(tǒng)振蕩消失。

根據(jù)上述分析，本文提出的對策為：(1)當前風電裝機規(guī)模下，可以考慮退出線路中的固定串補；(2)當串補運行時，應避免出現(xiàn)大量風機在小風況下同時并網的情況；(3)風機等設備的保護設置需考慮次同步振蕩，振蕩發(fā)生后，應能夠及時檢測并動作，從而保護電力設備的安全；(4)積極研究基于風機控制和STATCOM的振蕩抑制策略。

[1] 2015年全球風電裝機容量, 中國貢獻最大[EB/OL]. http://www.cehome. com/news/20160314/210615.shtml.

[2] 2015年全國風電新增裝機容量再創(chuàng)歷史新高[EB/OL]. http://finance.ifeng.com/a/20160202/14203671_0.shtml.

[3] ADAMS J,CARTER C,HUANG S H, ERCOT experience with subsynchronous control interaction and proposed remediation[R]. Proc. Transmission and Distribution Conf. Expo. 2012: 1-5.

[4] 王亮. 次同步諧振機理的時域分析和新型阻尼控制研究[D]. 北京：清華大學, 2014.

[5] WANG LIANG, XIE XIAORONG, JIANG QIRONG, et al. Investigation of SSR in practical DFIG-based wind farms connected to a series-compensated power system[J]. IEEE Transactions on Power Systems. 2015, 29(5): 2772-2779.

[6] LINGLING FAN, RAJESH KAVASSERI, ZHIXIN LEE MIAO, et al. Modeling of DFIG-base wind farms for SSR analysis[J]. IEEE Trans. on Power Delivery. 2010, 24(4): 2073-2082.

A Research on Sub-synchronous Oscillation at Tongyu Wind Power Base in Jilin

Wang Chunhua1, Song Xiaozhe1, Gao Peisheng1, Wang Liang2, Jiang Qirong3

(1. State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun Jilin 130021, China;2. College of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100084, China;3. National Key Laboratory for Power System as well as Power Generation Equipment Control and Simulation, Tsinghua University, Beijing 100086, China)

Aiming at sub-synchronous oscillation phenomenon at Tongyu wind power base in Jilin province, this paper summarizes the oscillation pattern of the wind power farm and points out that there are three typical patterns, namely short-time burst oscillation, long-time oscillation of constant amplitude and long-time oscillation of variable amplitude. Then, through field experiment, it studies the impact of different factors upon system oscillation. The results indicate that the doubly-fed wind power generator set and fixed series compensation are the source of oscillation. Finally, it proposes countermeasures for sub-synchronous oscillation at Tongyu base.

sub-synchronous oscillation; wind power generation; doubly-fed wind generator; fixed series compensation; power system stability

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.026

TM72

A

1000-3886(2017)04-0088-04

定稿日期: 2016-11-15

國家自然科學基金 (51507010)

王春華(1969-)，女，吉林長春人，碩士，高級工程師，研究方向：電網穩(wěn)定運行分析。 宋曉喆(1986-),男，吉林長春人，博士，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。