风电场次同步谐波监测系统的研究与应用

李自明,姚秀萍,王维庆,常喜强,郭小龙,薛 忠,王 衡

(1.新疆大学电气工程学院可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心,新疆乌鲁木齐830047；2.新疆电力调度控制中心,新疆乌鲁木齐830001；3.南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京211102)

风电场次同步谐波监测系统的研究与应用

李自明1,姚秀萍2,王维庆1,常喜强2,郭小龙2,薛 忠3,王 衡2

(1.新疆大学电气工程学院可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心,新疆乌鲁木齐830047；2.新疆电力调度控制中心,新疆乌鲁木齐830001；3.南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京211102)

针对大规模风力发电通过特高压直流外送系统输送电力存在次同步振荡的问题,以同步相量测量装置(PMU)为工具,将风电场、换流站等风电汇集地区相关站点的次同步装置都纳入监测系统,采用监测联络线有功功率振荡波形并结合联络线次同步谐波频率特征进行次同步振荡的判断。从监测系统中PMU记录的数据频谱来看具体的某一次扰动,次同步谐波监测装置所监测到的扰动与其他扭振监测保护装置的监测记录结果等在发生实践、扰动波形趋势上基本一致。

次同步谐波；同步相量测量装置；监测系统；风电场

0 引 言

风电的规模化发展、及其本身的随机性与波动性[1-2]、源荷分离等特点使得原本较弱的网络架构变得不堪重负,次同步谐振或次同步振荡现象[3]在电网中经常发生。1970年美国Mohave电站先后两次因次同步谐振而引起发电机组大轴损坏；1977年美国Square Butte直流输电工程调试时首先发现直流输电引起汽轮发电机组的次同步振荡问题；以上都是早期火电机组发生次同步振荡的雏形。到2009年,美国Texas风电场输电系统出现故障,切除部分线路,使得串补度由50%提高至75%,导致风电场出现次同步振荡,渐渐引发了人们对风电场次同步振荡问题的关注。

文献[4]以直驱风机风电场为例,分析了接入交流电网强弱、风机出力、并网风机台数、风机控制参数及动态无功补偿设备对振荡特性的影响；文献[5]以双馈风机风电场为例,提出了一种基于定子侧变流器的附加阻尼控制策略来抑制次同步振荡,但是对双馈风机串补系统发生次同步振荡机理的研究有待进一步的深入；文献[6]研究了整流站附近多台风机并列运行时的次同步阻尼控制器(SSDC)抑制机组次同步振荡的设计方法,得出不论是何种机型,SSDC输入信号中消去异模分量可抑制多台机组的次同步振荡。

2015年7月1日,哈郑特高压直流输电工程引发次同步振荡,其直流配套花园电厂三台机组因轴系扭振保护[7,8]动作相继跳闸,经查证发现造成轴系扭振保护的电流谐波分量源于风电场,但具体是风电场哪一环节产生的次同步谐波尚不明确。故如何利用现有的风电集电线和各等级变电站的电网侧次同步监测装置(SMU)、以及同步相量测量装置(PMU)数据监测装置,构建风电汇集地区次同步动态监测系统,将是解决风电场次同步振荡问题的关键。因此为了充分收集电网发生次同步振荡数据,需要对电网中输电线路以及变电站中的次同步谐波进行监测,掌握现场一手的资料和数据。

本文通过PMU次同步振荡监测系统,阐明了电网次同步谐波目前的监测情况以及次同步谐波监测技术的原理。将该次同步谐波监测技术应用到新疆某地区风电场,对比分析次同步谐波监测装置所监测到的扰动与其他扭振监测保护装置监测的结果,看发生实践与扰动波形趋势是否有一定的共性。实验结果将会对整个新疆电网的风电场次同步谐波监测有一定的指导意义。

1 风电场次同步谐波监测现状

风电场次同步监测系统主要包括现场数据采集与监测,其中涉及高精度次同步谐波提取、SMU以及PMU高采样率录波等。然后,将PMU、SMU数据上送至广域监测系统(WAMS),并且在WAMS主站进行存储。最终在WAMS主站实现数据的分析、告警与显示。为深入分析次同步振荡过程,可利用PMU装置暂态录波数据功能,在电网发生大扰动或有开关量变位时,启动暂态录波以记录原始的电压、电流采样值。通常PMU暂态录波速率不低于1.2 kHz,因此可有效分析5～50 Hz的频率分量,可更好地、如实地反映电网次同步振荡过程。

为了实现监测点的连续同步监测,在初期监测方案中对电网内大型发电厂和变电站进行了初筛,取次同步振荡风险较高的厂站作为监测点,并安装电网次同步谐波监测装置。现通过电力调度数据网构建成广域的次同步监测系统,从而实现次同步电流的连续、在线、不间断的监视和录波功能。针对风火打捆、直流送出系统复杂的次同步振荡问题,本文将风电场、换流站等相关站点的次同步监测、抑制、保护装置都纳入监测系统,构成解决电网次同步振荡问题的三道防线(见图1)。

图1 三道防线

图1中监测、预防是风电场次同步振荡监测系统第一道防线,包括火电厂侧次同步监测装置(TMU)、部署在风电集电线和各等级的变电站的SMU、还有PMU的数据监测,同时实现基于这些监测装置的大数据分析、展示与告警。第二道防线,即抑制,包括火电厂侧附加励磁阻尼抑制[9](SEDC)、直流侧SSDC、风电馈线侧和风电汇集站的专用抑制装置广域附加阻尼控制(WSDC)、以及基于现有SVG的附加次同步抑制[10]。第三道防线,即保护,包括火电厂侧轴系扭振保护(TSR)、风电级联线和风电汇集站保护(WSR)。以上三道防线中第一道防线能够监测出火电厂侧,风电集电线以及变电站的电网侧次同步信号,并将告警信号上送WAMS,进而为第二、三道防线的抑制与保护提供可靠的数据支撑。

2 风电场次同步谐波监测原理

采用监测功率振荡波形原理的PCS-993C型次同步振荡监测装置进行次同步振荡判别,该装置作为电力系统次同步振荡事故时的监控装置,当风电场内发生次同步振荡时,迅速进行启动和判断,发出报警,并可采取解列、切机等控制措施,以消除次同步振荡事故。

2.1 风电场次同步谐波信号的提取

风电场次同步谐振电流在线监测装置通过高精度、高分辨率的数字化采样技术和滤波技术,能够实现对输电线路电流中次同步谐振电流的频率和幅值在线计算和监测。线路正常运行时,线路电流是工频的正弦信号,线路电流可以表示为

(1)

式中,X0为工频信号的有效值大小;φ0为工频信号对应的初相位。在发生次同步谐振时,线路电流可以认为是在工频正弦信号上叠加了次同步频率信号,此时输电线路的电流可以表示为

(2)

式中,Xk为模态k的次同步频率信号的有效值大小;f和φ分别为对应的频率和相位。

电网次同步电流监测装置实现了对风电场输电线路中次同步模态电流信号的监测。通过线路三相电流的模态电流信号分离和峰值计算,以及模态频率的监测和显示,可以实现自适应滤波以适应现场线路电流频率成份的微小变化,为次同步振荡现象的研究和分析提供了科学的监测手段和方法。

2.2 次同步谐波监测装置的启动判据

正常运行时,次同步谐波监测装置一直监视联络线输送的有功功率,当发生次同步振荡时,装置能根据联络线功率的变化情况迅速进入启动状态。由监测装置判断启动的方程式为

(3)

式中,Pk为联络线当前功率;Peqv为联络线前10 s的平均功率;Psetqd为启动功率门槛定值。

2.3 次同步振荡的确认判据

装置启动后,通过波形分析技术对联络线的电压、电流、有功功率进行计算分析；若潮流波动是由于系统故障引起,则装置可靠闭锁；若潮流波动是由于次同步振荡引起,则装置可靠找出每个振荡周期联络线有功功率的最大值Pmaxk、最小值Pmink以及每个周期内最大值Pmaxk出现的时刻Tmaxk。由此可求出每个振荡周期的振荡幅度dPk和振荡周期Tk

dPk=Pmaxk-Pmink

(4)

Tk=Tmaxk+1-Tmaxk

(5)

每个振荡周期的振幅应满足

dPk≥Psetzd

(6)

式中,Psetzd为振荡确认功率门槛定值。振荡周期应满足

Tsetmin≤Tk≤Tsetmax

(7)

式中,Tsetmin为振荡周期的低门槛定值；Tsetmax为振荡周期的高门槛定值。增幅振荡的判断条件为

dPk/dPk-1>1.05

(8)

减幅振荡的判断条件为

dPk/dPk-1<0.95

(9)

当相邻两个振荡周期内的振荡幅度既不满足增幅振荡判断条件也不满足减幅振荡判断条件则判定为等幅振荡。

3 电网次同步谐波监测系统的现场应用

本文通过在关键厂站安装专用监测装置SMU,并将PMU规约上送至区调WAMS主站。在条件不允许的周边厂站,将PMU改为高采样率、长时间录波,同时上送WAMS主站从而实现次同步振荡数据监测、录波分析、告警等功能,从而构建完整的次同步振荡监测系统(见图2)。

图2 次同步谐波监测系统

由图2可以看出,次同步谐波监测系统中的换流站、变电站以及风电厂均装设有网侧次同步监测装置SMU,火电厂装有TSR、SEDC和TMU,此外风电厂还有风电级联线和WSR,他们可以将各自厂站所监测的到不同频段的振荡信息及时上传至调度数据网,加之各厂站配有同步时钟GPS,能够精确定位各振荡源所在位置,最后由调度数据网将来自不同厂站的信息送至D5000WAMS。

以电网发生功率振荡为参考,获取功率振荡期间各厂站采样频率为100 Hz的PMU动态录波文件,山北变安装的监测装置的SMU、TSR录波数据中山黄线SUM监测到的主要谐波频率为19.4 Hz和29.66 Hz,幅值为4.2 A。监测到的山黄线A相次同步谐波电流信号PMU量测幅值图像如图3所示。

图3 山黄线A相次同步谐波电流信号

将图3测得电流幅值信号进行数据频谱分析,找出每分钟内该线路次同步振荡幅值最大时段(以10 s为时间单位),其频谱如图4所示。

图4 山黄线PUM数据频谱分析

图5 振荡最大时段山黄线频谱分析

分析图4中数据频谱可以看出,山黄线A相电流幅值含有29.66 Hz的谐波分量以及其他频率分量。对振荡幅值最大的10 s数据进行分析,得到结果如图5所示。

由图5可以看出,除含较多的29.6 Hz和19.4 Hz谐波分量外,还有9.8 Hz和42.2 Hz振幅较大的谐波分量,这对分析产生次同步振荡主导频率分量又增加了一定困难。在这些谐波中,9.8 Hz振幅为24.81 A,占基频的27.49%；19.4 Hz振幅为29.6 A,占基频33.19%；42.2 Hz振幅为8.75 A,仅占基频9.73%。

扭振监测保护装置监测到的花园电厂模态3(轴系固有频率30.76 Hz)幅值信号如图6所示。

图6 花园电厂模态3幅值信号

图6中根据机组模态频率与系统侧频率互补的原则,花园电厂模态3频率为30.76 Hz,系统侧对应的特征频率为50-30.76=19.24 Hz。因此山北变现场安装的功率振荡稳控装置的特征频率范围定值为17～20 Hz。次同步频率谐波分量主要有两个频率,分别为29.6 Hz和19.4 Hz,但次同步谐波分量幅值均较小,二次值分别为0.004 8 A和0.005 A,一次值分别为5.76 A和6 A,其中19.4 Hz频率落入安控动作频率门槛17～20 Hz(花园电厂模态3互补频率)的范围,故主导动作谐波频率应为19.4 Hz。这一研究结果将为新疆风电场次同步谐波监测的提供一定的参考依据。

4 结 论

本文通过次同步谐波监测系统,采用监测联络线有功功率振荡波形并结合联络线次同步谐波频率特征进行次同步振荡判断。

(1)通过监测系统的PMU记录的数据频谱可知,29.6 Hz和19.4 Hz谐波分量较多,并由机组模态频率与系统侧频率互补的原则推出主导动作频率应为19.4 Hz。

(2)该监控系统监视风电汇集区域与主网之间线路电压、电流与功率判断,获得次同步振荡过程中的原始波形及振荡的主导频率,并将发生次同步振荡并将振荡信息上传至D5000WAMS,由其下发控制命令抑制次同步振荡。这为进一步研究风电场的次同步振荡发生机理与抑制策略提供了借鉴与参考。

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[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.

(责任编辑 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

自治区重点实验室资助项目(2016D03021)；国家自然科学基金资助项目(51267017);国家高技术研究发展计划资助项目(863计划)(2013AA050604)

李自明(1989—),男,山东临沂人,硕士研究生,研究方向为电力系统及其自动化．

TM712

A

0559- 9342(2017)05- 0086- 05