劉樹偉，姚秀萍，王海云，李自明，張海寧，張占鋒

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，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.國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電有限公司，浙江桐鄉(xiāng)314500；4.國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北承德067000；5.國網(wǎng)安徽省電力有限公司安慶供電公司，安徽安慶246000)

近年來，高比例的風(fēng)電并網(wǎng)改變電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行的同時(shí)，也給電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定帶來了一定的影響[1]。諸如，2015年7月1日以直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組為主的哈密某風(fēng)電匯集群出現(xiàn)次同步振蕩[2](SSO)，首次出現(xiàn)了風(fēng)電產(chǎn)生頻率變化的次同步電流在多個(gè)不同電壓等級的交流系統(tǒng)中傳播，最終導(dǎo)致200 km以外的直流送出配套火電機(jī)組軸系扭應(yīng)力繼電器保護(hù)啟動(dòng)，引起花園電廠三臺火電機(jī)組跳閘。

鑒于我國網(wǎng)架的與電網(wǎng)接線方式的不同，風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)不同及多種電力電子裝置接入，導(dǎo)致西北和華北地區(qū)振蕩機(jī)理[3]亦不同。為此，本文通過次同步振蕩振蕩源判定及振蕩相關(guān)因素分析，提出了多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略，并將該控制策略嵌入到現(xiàn)有穩(wěn)控三合一裝置。通過哈密地區(qū)風(fēng)電場現(xiàn)場試驗(yàn)以驗(yàn)證該控制策略的準(zhǔn)確性與有效性。

1 次同步振蕩源的判定與振蕩因素分析

1.1 次同步振蕩源的判定

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多振蕩源定位方法[4- 5]，包括基于行波的定位方法、阻尼轉(zhuǎn)矩法、模態(tài)振型法等。表1對這些方法的名稱、原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

表1 振蕩源判定方法

中國曾多次發(fā)生次同步振蕩事故，次同步振蕩起始于某一個(gè)誘因，繼而引發(fā)多頻率的局部振蕩模式，接著附近的其它機(jī)組跟進(jìn)參與，隨著振蕩的持續(xù)，更大范圍內(nèi)的機(jī)組參與，逐漸演變?yōu)橐粋€(gè)區(qū)域電網(wǎng)與交流聯(lián)系的其它電網(wǎng)的次同步振蕩模式[8]。振蕩發(fā)生、發(fā)展的過程非常短暫，是一種機(jī)電能量波的傳播過程，期間伴隨著切機(jī)、甩負(fù)荷的發(fā)生，我將其稱之為“滾雪球效應(yīng)”。

圖1為新疆哈密地區(qū)次同步振蕩數(shù)據(jù)分析，由圖可以看出有功功率和無功功率即按照“滾雪球效應(yīng)”呈現(xiàn)出振蕩不斷增大模式。

圖1 新疆哈密地區(qū)次同步振蕩數(shù)據(jù)分析

利用“滾雪球效應(yīng)”的時(shí)間先后順序與頻率特征，通過同步監(jiān)測就可以找到最先產(chǎn)生振蕩的某個(gè)支路(振蕩源)，只要及時(shí)解列振蕩源，就能平息振蕩。本文根據(jù)“滾雪球效應(yīng)”時(shí)間先后順序切除振蕩源方法，提出了根據(jù)線路振蕩相對幅度大小，切除次同步振蕩的多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略。

1.2 引起次同步振蕩的相關(guān)因素分析

(1)風(fēng)機(jī)的逆變器或變流器產(chǎn)生75～85 Hz間諧波電流分量，與電壓中的基波分量相乘產(chǎn)生了25～35 Hz有功功率次同步分量，切除部分風(fēng)電，振蕩消失。

(2)風(fēng)電場所在的局部電網(wǎng)在該頻率段阻抗低，缺乏電壓支撐，呈現(xiàn)“弱阻尼”現(xiàn)象，為間諧波提供向外傳播通路。

(3)風(fēng)電場裝設(shè)的SVG由于響應(yīng)速度快，放大倍數(shù)高，對75～85 Hz間諧波電流分量起到顯著放大作用(達(dá)基波的10倍以上)。

(4)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)在換流站交流母線上，25～35 Hz的有功功率次同步振蕩與機(jī)組的扭振蕩模式2、3的振蕩頻率接近，引發(fā)機(jī)組軸系在某一軸系扭振頻率共振。

2 多維度功率振幅尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略及實(shí)現(xiàn)方案

現(xiàn)階段，尚未有針對次同步振蕩的有效控制方法[7]，本節(jié)針對次同步振蕩提出了基于多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略。其總體原則為：結(jié)合次同步振蕩監(jiān)測[8]方法，當(dāng)監(jiān)測到次同步振蕩且呈現(xiàn)增幅振蕩時(shí)，根據(jù)線路振蕩相對幅度大小，切除次同步振蕩最嚴(yán)重區(qū)域，消除與隔離次同步振蕩。

下面通過新疆哈密典型風(fēng)電匯集區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(圖2)說明多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略。

圖2 典型風(fēng)電匯集區(qū)域的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

圖3 次同步振蕩控制裝置部署

圖2中有2個(gè)風(fēng)電匯集站A與B，且呈輻射狀連接若干風(fēng)電場，裝設(shè)控制裝置的A、B經(jīng)級聯(lián)接于220 kV變電站C，其控制策略為：首先，監(jiān)測各風(fēng)電場110 kV出線以及變電站之間220 kV級聯(lián)線路的功率振幅特征。其次，計(jì)算各監(jiān)視支路的功率振幅即

Pk=Pmax-k-Pmin-k

(1)

式中，Pmax-k、Pmin-k分別為第k條支路有功功率最大值與最小值。在各輪控制對象里，通過設(shè)置不同輪次的動(dòng)作時(shí)間和門檻值，對功率振幅的大小進(jìn)行排序，對時(shí)間和空間進(jìn)行多維度控制，實(shí)現(xiàn)控制對象的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。第一輪在A、B內(nèi)選擇功率振幅最大的一個(gè)風(fēng)電場切除。第二輪比較A、B內(nèi)風(fēng)電場的功率振幅之和，切除功率振幅大匯集站內(nèi)的所有風(fēng)電場。第三輪切除A、B下屬的所有風(fēng)電場(即A1～A4、B1～B3)。若A1為振蕩源，那么控制裝置會在第一輪切除A1；若A1～A4都為振蕩源，并且每條風(fēng)電場輸電線路的振幅都不大，不滿足第一輪動(dòng)作條件，但滿足第二輪動(dòng)作條件，則需切除A1～A4；若所有風(fēng)電場均為振蕩源，并且每條風(fēng)電場線路的振幅都不大，不滿足第一輪動(dòng)作條件，也不滿足第二輪動(dòng)作條件，但滿足第三輪動(dòng)作條件，則切除所有風(fēng)電場。

3 哈密地區(qū)風(fēng)電場現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 次同步振蕩安全控制裝置部署情況

目前，在哈密220 kV山北變以及麻黃溝等風(fēng)電匯集站部署有次同步監(jiān)測及控制裝置如圖3所示。本文將基于多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略嵌入到現(xiàn)有穩(wěn)控裝置PCS- 992(由次同步振蕩檢測裝置PCS- 987T、及功率振蕩檢測裝置PCS- 993和穩(wěn)控裝置構(gòu)成)，通過所在匯集站穩(wěn)控裝置切除望洋臺、望洋臺西、望洋臺東下屬風(fēng)電場的110 kV進(jìn)線。

圖4 PCS992錄波波形

圖3中山北變部署穩(wěn)控裝置PCS- 992；麻黃溝東風(fēng)電匯集站通過增加板卡的方式，將PCS- 987T裝置與原有功率振蕩檢測裝置PCS- 993進(jìn)行了融合；此外，圖3中其余風(fēng)電匯集站通過增加板卡的方式，將PCS- 993、PCS- 987T裝置融合進(jìn)現(xiàn)有穩(wěn)控裝置PCS- 992。

3.2 次同步振蕩事件概況

2016年4月18日2:48望洋臺東具備次同步及功率振蕩檢測功能的穩(wěn)控裝置PCS992振蕩第一輪動(dòng)作，切除建望東風(fēng)一線，損失風(fēng)電出力100 MW。并詢問南湖電廠、花園電廠、綠洲電廠，機(jī)組運(yùn)行正常。

3.3 裝置動(dòng)作情況

圖4可以看出，動(dòng)作前220 kV塘望東線功率振幅在100 MW左右，達(dá)到功率振蕩動(dòng)作定值；110 kV建望東風(fēng)一線的功率振幅在20 MW左右，達(dá)到動(dòng)作定值，其他風(fēng)電線路功率振蕩幅值也在動(dòng)作定值附近。由于110 kV振蕩次數(shù)定值較小，建望東風(fēng)一線最先達(dá)到定值，故振蕩第一輪切除了建望東風(fēng)一線。從波形中可以看出切除建望東風(fēng)一線后振蕩平息。另外，通過仿真復(fù)現(xiàn)的形式模擬了這一故障，220 kV側(cè)輸電線路的功率曲線如圖5所示。

經(jīng)圖5分析表明，2 s時(shí)刻PCS- 992穩(wěn)控裝置啟動(dòng)，切除110 kV建望東風(fēng)一線，次同步振蕩消失，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。從而證明了，嵌入多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略的穩(wěn)控裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

圖5 220 kV側(cè)輸電線路的功率曲線

3.4 次同步分析結(jié)果

對相關(guān)廠站長錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電流中存在22.8、77.3 Hz左右的間諧波分量如表2所示。從以上數(shù)據(jù)可以看出：

(1)220 kV線路中，塘望東線間諧波含量最高，哈山雙線也有較明顯的間諧波分量，可以推斷出一部分間諧波通過哈山雙線向外傳播。煙墩地區(qū)的風(fēng)電匯集線路煙莊線和煙潤線間諧波現(xiàn)象明顯。

(2)220 kV線路中，塘望東線的間諧波絕對量最大，是其他220 kV風(fēng)電線路的幾十倍，初步判斷是本次振蕩的振蕩源。

4 結(jié) 論

本文通過哈密地區(qū)風(fēng)電場現(xiàn)場試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)嵌入多維度功率振幅群尋優(yōu)的次同步振蕩控制策略的穩(wěn)控裝置能夠正確的切除次同步振蕩線路，防止次同步振蕩事故的發(fā)生。

(2)由廠站長錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析220 kV線路中間諧波含量關(guān)系，可以推斷出部分間諧波傳播路徑。并根據(jù)間諧波絕對量最大，初步斷出本次振蕩的振蕩源。

表2 220 kV線路電流簡諧波含量