吉林通榆风电基地次同步振荡现象研究

王春华， 宋晓喆， 高培生， 王亮， 姜齐荣

(1.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021；2.北京理工大学 自动化学院，北京 100084；3.清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100086)

吉林通榆风电基地次同步振荡现象研究

王春华1， 宋晓喆1， 高培生1， 王亮2， 姜齐荣3

(1.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021；2.北京理工大学 自动化学院，北京 100084；3.清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100086)

针对吉林省通榆风电基地的次同步振荡现象，首先对 风电场的振荡形态进行了归纳，发现其存在突发式短时间振荡、恒幅值长时间振荡和变动的长时间振荡等三种典型的振荡形态。然后，利用现场实验研究了不同因素对系统振荡的影响，结果表明双馈型风力发电机组和固定串补是造成振荡的根源。最后，提出了应对通榆风电基地次同步振荡的对策。

次同步振荡；风力发电；双馈型风力发电机；固定串补；电力系统稳定

0 引 言

作为一种清洁的可再生能源，风能在世界各主要国家得到了大力的发展。截止到2015年底，全球风电累计装机容量达到432.4 GW，其中我国累计装机容量达到145.1 GW，位居世界第一位[1]。2015年，我国风电发电量达1 863亿千瓦时，占全部发电量的3.3%[2]。电力系统固定串联电容补偿(FSC)，简称固定串补，可以大幅降低输电线路的等效电抗，提高线路的输电能力和稳定极限，同时，其结构简单、可靠性高、成本低。因此，在我国电网得到了广泛的应用。

国内外已有的运行经验表明，固定串补会导致双馈型风力发电机[3-6]的次同步振荡(SSO)。次同步振荡不仅会导致大量风机脱网，甚至会损坏风力发电机的撬棒电路。2016年1月份，在吉林省通榆风电基地也发生了次同步振荡。目前，已有文献对风电场次同步振荡的研究多是基于现场录波数据的仿真分析。本文通过通榆风电基地的现场实验，对风电场次同步振荡的形态及其影响因素进行了深入地研究。

1 通榆风电机基地的次同步振荡现象

1.1 通榆风电基地的概况

吉林省通榆风电基地规划建设9座风电场，总装机容量可达2 300 MW。目前，已投运3座风电场，分别为XH、TJ及XLS风电场，如图1所示。现在的装机容量为493 MW，全部为双馈型风力发电机，预计到2016年底装机容量将达到543 MW。该风电基地经含有串补的500 kV输电线路接入梨树变电站，然后接入吉林电网。500 kV线路的串补容量为358 Mvar，线路补偿度为30%。

图1 通榆风电基地电气接线图

XH风电场装机297 MW，共计安装3个厂家的198台1.5 MW风机；TJ风电场装机147 MW，共计安装两个厂家的72台2 MW和2台1.5 MW风机；XLS风电场装机49.5 MW，共计安装1个厂家的33台1.5 MW风机。各风电场安装风机的情况详见表1。

表1 风电基地的风机信息

1.2 通榆风电基地的振荡现象

随着风电机组的陆续并网，通榆风电基地通榆变及各风电场电压、电流振荡的情况时有发生。根据现场录波数据可知，振荡发生时风电基地内各点均可观测到振荡，各点电压、电流振荡的幅度有所差别，但振荡频率以及变化趋势一致。综合已观察到的大量振荡过程，该地区的典型振荡形态可分为三种：突发式短时间振荡、恒幅值长时间振荡和变动的长时间振荡。

1)突发式短时间振荡

2016年1月21日，TJ风电场1号主变低压侧A相电流和电压的PMU录波数据如图2所示。显然，在该时段内发生了突发式短时间振荡。对该振荡过程进行分析可知，系统电压、电流呈现相同的振荡规律，均在发生短时振荡后恢复正常。分析结果表明，振荡频率为5.33 Hz，谐波电压最大值272 V，基波电压28.05 kV，谐波电压含量仅为0.97%。谐波电流最大值为48.1 A，此时的基波电流为58.3 A，谐波电流含量达到82.3%。可见，谐波电流的含量远大于谐波电压的含量。

图2 TJ风电场1号主变35 kV侧A相电压和电流PMU数据

2)恒幅值长时间振荡

4月6日，通榆风电基地发生了持续时间近两小时的恒幅值振荡。发生振荡时TJ风电场1号主变220 kV侧A相电流瞬时值如图3所示。振荡频率为4.85 Hz，在此时间段内谐波电流幅值维持在5 A左右，基波电流幅值保持25 A基本不变，谐波电流含量约为20%。

图3 TJ风电场1号主变220 kV侧A相电流

3)变动的长时间振荡

2016年1月17日，通榆地区发生振荡。在此次振荡过程持续时间很长，期间振荡幅值变动也很大。通榆变1号主变220 kV侧基波电流和谐振电流的傅里叶分析(FFT)结果如图4所示。可见，振荡最严重时，谐振电流最高可达基波电流的119%。

图4 通榆站录波数据的傅里叶分析结果

2 振荡影响因素的现场实验研究

文献[5-6]对影响风电场次同步振荡的因素进行了理论分析和仿真验证，包括串补容量、风速、控制器参数和并网风机台数等。但是，并没有进行现场验证。本文通过现场实验对可能影响风电场次同步振荡的因素进行了全面的研究和实验验证，包括：静止同步补偿器(STATCOM)、35 kV集电线路、不同类型的风力发电机组和固定串补等。

2.1 静止同步补偿器

首先，本文对STATCOM与次同步振荡间的关联进行了考察。实际安装的STATCOM具有两种控制模式：(1)自动电压调节控制，(2)定无功功率控制。实验一中，STATCOM采用自动电压调节控制，当XH风电场的1组STATCOM投入后，该风电场的振荡情况加剧。实验二中，STATCOM采用的是定无功功率控制。投入XH风电场的1组STATCOM，母线电压由投入前的224.5 kV升至225 kV，如图5所示，但系统振荡情况并无明显变化。因此，采用定无功功率控制的STATCOM对系统振荡无明显影响。

图5 STATCOM投切实验结果

2.2 35 kV集电线路

风电场中，35 kV集电线路均采用电缆，电缆单位长度的电容较大。为了排除系统与电缆电容振荡的可能，课题组对35 kV集电线路进行了投切实验。XH风电场风机全部退出后，投切XH风电场的35 kV集电线路，未发现明显的电压、电流振荡现象。可见，系统振荡与35 kV集电线路的投切无明显关联。

2.3 风力发电机

已有的研究表明，双馈型风力发电机对次同步振荡有非常大的影响，因此，本文深入研究了不同风力发电机对次同步振荡的影响。

2.3.1单台风机

对TJ风电场的单台B-II风机进行投切实验。发现，在并网后存在10 s左右的频率为5 Hz的明显低频扰动，随后衰减，35 kV侧输出电流中谐振电流的傅里叶分析结果如图6所示。同时发现并网后发电机输出电流中2、3、4次谐波含量较大。

图6 单机并网电流的傅里叶分析结果

2.3.2多台相同型号风机

分别同时启动3台、6台、9台B-II风机时，系统的振荡频率如表2所示。实验结果表明，振荡频率随并网风机数量的增加而增大，由3台并网时的5 Hz，增加到9台并网时的5.4 Hz，风机数量达到6台以上时，振荡情况由单次突发式短时间振荡变为多次突发式短时间振荡，如图7所示，且35 kV侧振荡电流幅值由6台时的23 A左右增加至9台时的35 A左右。

表2 振荡频率实验结果

图7 9台风机同时并网时电流的傅里叶分析结果

2.3.3不同型号的风机

在该项实验中，通过投切系统中全部某一型号的风电机组，来研究不同型号风机对振荡的影响。

1)A型风机切除

系统中的全部风机都投入运行，此时系统发生振荡，仅切除全部A型风机。风机切除前后，系统振荡未出现明显变化，PMU纪录的A相电压有效值如图8所示。

图8 A型风机退出运行

2)B型风机投入

切除系统中的全部风机，仅投入B型风机。风机投入后，系统中出现振荡，系统电压的有效值如图9所示。

图9 B型风机投入后出现振荡

3)C型风机投入

在上述实验的基础上，投入C型风机。投入后振荡加剧，系统电压有效值如图10所示。

图10 C型风机投入后振荡加剧

4)D型风机投入

切除系统中的全部风机，仅投入D型风机。风机投入后，系统中出现振荡，系统电压有效值如图11所示。

图11 D型风机投入后出现振荡

2.3.4大量风机并网

4月7日，风速较高，风机并网后均能运行于额定状态，因此课题组选择当日进行大量风机并网实验。10:22并网风机34台，风电出力约为51 MW，系统中存在频率为6.2 Hz的小幅波动，通榆500 kV变电站500 kV侧振荡电流有效值为4 A，220 kV侧振荡电压幅值为0.07 kV。10:47并网风机110台，风电出力约为153 MW，系统中存在频率为7.0 Hz的持续扰动，500 kV侧振荡电流有效值为34 A。11:13并网风机156台，风电出力约为230 MW，系统中存在频率为7.3 Hz的振荡，500 kV侧振荡电流有效值可达117 A。振荡过程中，频率、幅度及并网风机数如表3所示。实验结果表明，振荡频率与并网风机台数正相关，即并网风机越多，系统振荡的频率越高。

表3 振荡频率与并网风机台数的关系

综上可知，1)不同型号风机对系统振荡的贡献不同，其中，系统振荡对A型风机不敏感；2)随着并网发电机的增多，系统振荡频率逐步提高。

2.4 固定串补

4月11日将瞻梨线的串补装置退出运行，此后，通榆变及各风电场电压振荡现象消失。保持串补退出状态至4月15日，其间，瞻梨线有功功率最大达到330 MW，通榆变及各风电场电压、电流及功率均未出现振荡现象。

3 结束语

吉林省通榆风电基地发生的次同步振荡存在三种不同的振荡形态：突发式短时间振荡、恒幅值长时间振荡和变动的长时间振荡。通过现场实验研究表明：(1)采用定无功功率控制时，STATCOM对系统振荡无明显影响；(2)系统振荡与35 kV集电线路无明显关联；(3)不同型号风机对系统振荡的影响不同，而且，随着并网发电机的增多，系统振荡频率逐渐提高；(4)固定串补退出运行后，系统振荡消失。

根据上述分析，本文提出的对策为：(1)当前风电装机规模下，可以考虑退出线路中的固定串补；(2)当串补运行时，应避免出现大量风机在小风况下同时并网的情况；(3)风机等设备的保护设置需考虑次同步振荡，振荡发生后，应能够及时检测并动作，从而保护电力设备的安全；(4)积极研究基于风机控制和STATCOM的振荡抑制策略。

[1] 2015年全球风电装机容量, 中国贡献最大[EB/OL]. http://www.cehome. com/news/20160314/210615.shtml.

[2] 2015年全国风电新增装机容量再创历史新高[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. 次同步谐振机理的时域分析和新型阻尼控制研究[D]. 北京：清华大学, 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

国家自然科学基金 (51507010)

王春华(1969-)，女，吉林长春人，硕士，高级工程师，研究方向：电网稳定运行分析。 宋晓喆(1986-),男，吉林长春人，博士，研究方向：电力系统稳定与控制。