基于多维度功率振幅寻优的次同步振荡控制策略研究

刘树伟，姚秀萍，王海云，李自明，张海宁，张占锋

(1.新疆大学电气工程学院，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.国网浙江桐乡市供电有限公司，浙江桐乡314500；4.国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北承德067000；5.国网安徽省电力有限公司安庆供电公司，安徽安庆246000)

近年来，高比例的风电并网改变电力系统的规划和运行的同时，也给电网的安全与稳定带来了一定的影响[1]。诸如，2015年7月1日以直驱风电机组为主的哈密某风电汇集群出现次同步振荡[2](SSO)，首次出现了风电产生频率变化的次同步电流在多个不同电压等级的交流系统中传播，最终导致200 km以外的直流送出配套火电机组轴系扭应力继电器保护启动，引起花园电厂三台火电机组跳闸。

鉴于我国网架的与电网接线方式的不同，风电机组控制参数不同及多种电力电子装置接入，导致西北和华北地区振荡机理[3]亦不同。为此，本文通过次同步振荡振荡源判定及振荡相关因素分析，提出了多维度功率振幅寻优的次同步振荡控制策略，并将该控制策略嵌入到现有稳控三合一装置。通过哈密地区风电场现场试验以验证该控制策略的准确性与有效性。

1 次同步振荡源的判定与振荡因素分析

1.1 次同步振荡源的判定

目前，国内外学者提出了许多振荡源定位方法[4- 5]，包括基于行波的定位方法、阻尼转矩法、模态振型法等。表1对这些方法的名称、原理和优缺点进行了分析。

表1 振荡源判定方法

中国曾多次发生次同步振荡事故，次同步振荡起始于某一个诱因，继而引发多频率的局部振荡模式，接着附近的其它机组跟进参与，随着振荡的持续，更大范围内的机组参与，逐渐演变为一个区域电网与交流联系的其它电网的次同步振荡模式[8]。振荡发生、发展的过程非常短暂，是一种机电能量波的传播过程，期间伴随着切机、甩负荷的发生，我将其称之为“滚雪球效应”。

图1为新疆哈密地区次同步振荡数据分析，由图可以看出有功功率和无功功率即按照“滚雪球效应”呈现出振荡不断增大模式。

图1 新疆哈密地区次同步振荡数据分析

利用“滚雪球效应”的时间先后顺序与频率特征，通过同步监测就可以找到最先产生振荡的某个支路(振荡源)，只要及时解列振荡源，就能平息振荡。本文根据“滚雪球效应”时间先后顺序切除振荡源方法，提出了根据线路振荡相对幅度大小，切除次同步振荡的多维度功率振幅寻优的次同步振荡控制策略。

1.2 引起次同步振荡的相关因素分析

(1)风机的逆变器或变流器产生75～85 Hz间谐波电流分量，与电压中的基波分量相乘产生了25～35 Hz有功功率次同步分量，切除部分风电，振荡消失。

(2)风电场所在的局部电网在该频率段阻抗低，缺乏电压支撑，呈现“弱阻尼”现象，为间谐波提供向外传播通路。

(3)风电场装设的SVG由于响应速度快，放大倍数高，对75～85 Hz间谐波电流分量起到显著放大作用(达基波的10倍以上)。

(4)发电机组并联在换流站交流母线上，25～35 Hz的有功功率次同步振荡与机组的扭振荡模式2、3的振荡频率接近，引发机组轴系在某一轴系扭振频率共振。

2 多维度功率振幅寻优的次同步振荡控制策略及实现方案

现阶段，尚未有针对次同步振荡的有效控制方法[7]，本节针对次同步振荡提出了基于多维度功率振幅群寻优的次同步振荡控制策略。其总体原则为：结合次同步振荡监测[8]方法，当监测到次同步振荡且呈现增幅振荡时，根据线路振荡相对幅度大小，切除次同步振荡最严重区域，消除与隔离次同步振荡。

下面通过新疆哈密典型风电汇集区域电网结构(图2)说明多维度功率振幅群寻优的次同步振荡控制策略。

图2 典型风电汇集区域的电网结构示意

图3 次同步振荡控制装置部署

图2中有2个风电汇集站A与B，且呈辐射状连接若干风电场，装设控制装置的A、B经级联接于220 kV变电站C，其控制策略为：首先，监测各风电场110 kV出线以及变电站之间220 kV级联线路的功率振幅特征。其次，计算各监视支路的功率振幅即

Pk=Pmax-k-Pmin-k

(1)

式中，Pmax-k、Pmin-k分别为第k条支路有功功率最大值与最小值。在各轮控制对象里，通过设置不同轮次的动作时间和门槛值，对功率振幅的大小进行排序，对时间和空间进行多维度控制，实现控制对象的动态寻优。第一轮在A、B内选择功率振幅最大的一个风电场切除。第二轮比较A、B内风电场的功率振幅之和，切除功率振幅大汇集站内的所有风电场。第三轮切除A、B下属的所有风电场(即A1～A4、B1～B3)。若A1为振荡源，那么控制装置会在第一轮切除A1；若A1～A4都为振荡源，并且每条风电场输电线路的振幅都不大，不满足第一轮动作条件，但满足第二轮动作条件，则需切除A1～A4；若所有风电场均为振荡源，并且每条风电场线路的振幅都不大，不满足第一轮动作条件，也不满足第二轮动作条件，但满足第三轮动作条件，则切除所有风电场。

3 哈密地区风电场现场试验

3.1 次同步振荡安全控制装置部署情况

目前，在哈密220 kV山北变以及麻黄沟等风电汇集站部署有次同步监测及控制装置如图3所示。本文将基于多维度功率振幅群寻优的次同步振荡控制策略嵌入到现有稳控装置PCS- 992(由次同步振荡检测装置PCS- 987T、及功率振荡检测装置PCS- 993和稳控装置构成)，通过所在汇集站稳控装置切除望洋台、望洋台西、望洋台东下属风电场的110 kV进线。

图4 PCS992录波波形

图3中山北变部署稳控装置PCS- 992；麻黄沟东风电汇集站通过增加板卡的方式，将PCS- 987T装置与原有功率振荡检测装置PCS- 993进行了融合；此外，图3中其余风电汇集站通过增加板卡的方式，将PCS- 993、PCS- 987T装置融合进现有稳控装置PCS- 992。

3.2 次同步振荡事件概况

2016年4月18日2:48望洋台东具备次同步及功率振荡检测功能的稳控装置PCS992振荡第一轮动作，切除建望东风一线，损失风电出力100 MW。并询问南湖电厂、花园电厂、绿洲电厂，机组运行正常。

3.3 装置动作情况

图4可以看出，动作前220 kV塘望东线功率振幅在100 MW左右，达到功率振荡动作定值；110 kV建望东风一线的功率振幅在20 MW左右，达到动作定值，其他风电线路功率振荡幅值也在动作定值附近。由于110 kV振荡次数定值较小，建望东风一线最先达到定值，故振荡第一轮切除了建望东风一线。从波形中可以看出切除建望东风一线后振荡平息。另外，通过仿真复现的形式模拟了这一故障，220 kV侧输电线路的功率曲线如图5所示。

经图5分析表明，2 s时刻PCS- 992稳控装置启动，切除110 kV建望东风一线，次同步振荡消失，系统保持稳定运行状态。从而证明了，嵌入多维度功率振幅群寻优的次同步振荡控制策略的稳控装置动作的准确性。

图5 220 kV侧输电线路的功率曲线

3.4 次同步分析结果

对相关厂站长录波数据进行频谱分析，发现电网电流中存在22.8、77.3 Hz左右的间谐波分量如表2所示。从以上数据可以看出：

(1)220 kV线路中，塘望东线间谐波含量最高，哈山双线也有较明显的间谐波分量，可以推断出一部分间谐波通过哈山双线向外传播。烟墩地区的风电汇集线路烟庄线和烟润线间谐波现象明显。

(2)220 kV线路中，塘望东线的间谐波绝对量最大，是其他220 kV风电线路的几十倍，初步判断是本次振荡的振荡源。

4 结 论

本文通过哈密地区风电场现场试验，得出以下结论：

(1)嵌入多维度功率振幅群寻优的次同步振荡控制策略的稳控装置能够正确的切除次同步振荡线路，防止次同步振荡事故的发生。

(2)由厂站长录波数据进行频谱分析220 kV线路中间谐波含量关系，可以推断出部分间谐波传播路径。并根据间谐波绝对量最大，初步断出本次振荡的振荡源。

表2 220 kV线路电流简谐波含量