新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其解决办法分析

李明明 赵家豪 王瑞琦 闫娇 张思源

【摘要】    本文以新能源并网系统引发复杂振荡问题实例为基础，通过对其出现振荡的特点以及对系统电路稳定性的判断，提出次同步振荡监测控制系统构建、系统风机控制器参数优化、日常检测控制以及加强系统研究力度四项解决方法，改善新能源并网系统复杂振荡问题，希望对我国新能源发电工作提供一定的帮助。

【关键词】    新能源并网系统    复杂振荡问题    解决办法

引言：

我国近年来新能源事业发展势头较为猛烈，而新能源机组接入电网的行为大多通过电力电子变流器来完成，在电网和变流器产生交互作用时，有概率造成机组出现振荡或谐振的问题，致使机组出现新能源机组跳闸的现象，严重时还会造成机组设备的损坏。国内新能源并网系统在接入电网后存在振荡问题引发的主要问题为次同步振荡，需要工作人员从不同角度，共同努力才能使问题得以解决。

一、新能源并网系统中出现的复杂振荡

1.1新能源并网系统引发的复杂振荡问题实例

在新能源电力高速发展的背景下，如需提高新能源并网系统安全性，降低安全问题发生概率仍需要相关人员共同努力。由于我国现阶段的新能源并网系统在使用时会出现复杂振荡问题，其对机组和设备方面存在极大的危害，严重时会造成设备损坏的情况发生，对企业电网的安全运行产生较大影响。且我国近年来由于并网系统出现的振荡问题时有发生，例如：在2011年河北沽源地区风电场事件以及2015年在新疆哈密地区发生的振荡事件等，在电力行业中引发了极大程度的关注。由于此类振荡事故影响范围较大，每次事故发生时电厂内上百台风电机组发生同步振荡，且振荡频率非常高，造成电厂内风电机组大规模的跳闸、高压直流功率瞬间降低以及部分机组脱网的事故发生，对新能源并网系统内部运行安全性和工作效率产生严重的危害，在如今电厂广泛使用新能源并网系统的环境下，电厂管理人员以及相关研究人员均对系统振荡问题进行了重点关注。

1.2新能源并网系统引发的复杂振荡特点

对近年来世界发生的新能源机组形态振荡稳定性问题分析可知，在新能源并网系统引发的振荡问题多为次同步振荡，现阶段我国新能源并网系统中存在的安全问题仍没有得到良好的解决，其依旧是我国新能源电力发展中重点关注问题，新能源并网系统振荡问题发生的主要诱因便是电网与多变流器间的交互作用。并网系统中多变流器产生的振荡频率较高，持续时间较长，振幅传播范围较大，振幅影响范围较广等特点。系统内电力电子变流器在运行阶段会很快引起相应设备的持续回应，且其振荡频率和传统机电的振荡频率相比频率更高，但是又比电网高次谐波频率低。由于电力电子变流器产生振荡的诱因较为复杂，受外界因素影响较大（电网参数、变流器聚合效应以及外部条件等），这些因素均会对变流器的稳定程度造成影响，降低变流器稳定性，进而造成并网系统发生振荡的问题，造成电厂运行阶段的安全隐患。

1.3对新能源并网系统电路稳定性的判断

解决并网系统振荡问题的首要条件便是对系统振荡产生机理进行全方位了解，并将对并网系统的检查工作结果，作为判断系统电路稳定性的依据。在进行电路稳定性判断时，需要注意电压、电流以及锁相环对其产生的影响。判断过程简述如下：第一，检测人员应在系统运行阶段通过干扰分析的方法判断电路的稳定程度，并对变流器和电网两侧的频率响应特征进行检测，以此判断系统是否存在振荡事故发生的预兆，进而判断系统电路的稳定程度。第二，通过电路运行图分析系统内变流器与电网间的电流关系，并通过数据计算进行电路稳定程度的判定。此方法使用优点为计算结果通过函数计算得出，数据结果准确;判定过程中分析了电路和理论间关系，在得到并网系统振荡频率的响应后，进一步对系统电路稳定程度进行了验证。这种方法的特点为结果科学准确，适合在大型工程中使用，在机组系统较大且参数未知的条件下，也能得到较为准确的数据结果作为判断系统电路稳定程度的依据[2]。

二、解决新能源并网系统复杂振荡的对策

2.1建立次同步振荡监测控制系统

在进行新能源并网系统复杂振荡问题的解决工作时，传统针对振荡问题进行解决的方案是不可取且不科学的。由于在传统系统中，其信息采样率较低，无法及时获取系统的振动频率和振动幅度等相关信息，导致传统系统中没有办法接收到来自系统振荡问题的预警。所以，若想最大程度的解决新能源并网系统的复杂振荡问题，便需要从系统方面开展，对原有系统进行相应的升级和完善，并建立对整个系统的次同步振荡监测控制系统，这是十分重要的优化措施。次同步振荡监测控制系统是对本地系统的高精度电源管理单元进行采样，同时由技术人员通过信息技术的方式对采样数据進行远程传输以及长时间储存的工作，以此建立起对系统大范围的次/超同步振荡监测系统，通过这一系统来实时获取并网系统中出现的次/超同步波谱和波形等相关信息，达到并网系统在发生振荡问题前，可以根据振荡发生前兆对工作人员进行预警的操作，使工作人员可以在事故发生前进行科学合理的预防处理措施安排，降低振荡事故造成对企业正常运行造成的影响[1]。

除此之外，在加强对系统监测工作的同时，建立并网系统的安全自动控制系统也是十分重要的。安全自动控制系统的主要工作便是对并网系统中各个关键节点的振荡信号进行在线的监测，当监测到并网系统的振荡幅度超过了设定标准且持续振荡时间达到一定标准时，安全自动控制系统便会进行相应的断开工作，即将并网系统内的运行机组进行分次的切除和断开，以此达到避免并网系统发生复杂振荡问题的目的。同时，安全自动控制系统的使用还可以对火电机组发生损坏脱网等现象进行有效的遏制，防止此类问题的发生。在并网系统中使用次同步振荡监测控制系统以及安全自动控制系统，在二者共同运行下，能帮助企业最大程度的减少并网系统中复杂振荡问题发生，对电力企业新能源方面的发展提供良好的环境。

2.2优化系统风机控制器参数

对我国现阶段的并网系统研究显示，并网系统的稳定性会受到系统风机控制器参数的影响。在风机控制器参数不适合电网使用时，便会造成系统在次同步频段运行时，表现为弱阻尼的形式，进而造成系统发生振荡问题。基于此，工作人员若想更好的解决并网系统振荡问题，则需要对系统风机控制器参数进行优化控制，这需要研究人员与风机厂家进行合作探究，制定最优化的风机控制器参数。例如：研究人员可以制定多组控制器参数，之后在实验室进行风机参数的实用性试验，对使用不同参数运行的控制器系统稳定程度进行观察，并连接并网系统观察系统振荡次数等相关信息，以此确定最优化的系统风机控制器参数，从风机方面提高并网系统的稳定程度。

2.3对系统进行定期检查和勘测

除了上述提出的解决对策外，对于新能源并网系统中出现的复杂振荡问题还应通过系统相关技术人员对不同地区和机构使用的并网系统进行定期一系列的检查。检查项目主要为：电机型号的检查，电机规模的检查以及电机接入系统强度的检查。检查的主要方向为：对电机安全情况的检测工作。除此之外，在新能源并网系统的实际运行阶段，各机构自身的系统使用人员也要充分发挥自身对系统监督、检查以及控制的作用，同时注意勘测系统的运行情况，即通过使用安全自动控制系统以及次同步振荡监测系统对并网系统实施科学管理措施。系统操作人员若发现自身系统出现振荡问题，则应尽快将问题上报管理人员，并采取借鉴发生过系统振荡问题案件的单位处理经验制定的应急方案，根据具体振荡问题形式使用类似的解决方案，防止振荡问题进一步对电网运行产生影响，提高电网运行阶段的安全性能[3]。

2.4加强对新能源并网系统的研究力度

2.4.1理论研究加强措施

现阶段我国新能源并网系统中存在的安全问题仍没有得到良好的解决，其依旧是我国新能源电力发展中重点关注问题，因此，国家和企业应投入更多的人力、物力资源进行相关研究。在对新能源并网系统的理论研究中，由于不同新能源使用的技术存在差异，导致不同能源的并网系统也存在相应的差异，所以研究人员应针对不同能源并网系统的特点进行针对性研究。同时，研究人员应深入研究电力电子设备和电网之间的相互作用，通过对参与因子、影响因素等方面的具体分析成果，确定其影响系统运行的作用原理。并且研究人员应对新能源聚合等值的仿真和建模方法进行深入研究，通过这一方式对系统次/超同步振荡仿真分析工作中存在的维数灾难情况进行解决。研究人员还应对电网中传播同步振荡的理论依据进行分析研究，并结合相应数据进行系统内部元件和电机等设备部件的响应频率特性研究工作，得出相应的建模方法，使研究人员可以通过分析模型对系统振荡问题进行解决。研究人员还应加强对电力电子设备非线性特征的研究工作，以此确定设备非线性特征对系统振荡问题的影响规律，进而制定相应措施来解决问题。研究人员通过对上述几点影响因素分析后，可以进行系统同步振荡阻尼控制技术的研究工作，以此解决新能源并网系统引发的复杂振荡问题。

2.4.2工程技术水平的改进措施

对于我国现阶段新能源并网系统的发展情况来说，想要解决新能源并网系统引发的复杂振荡问题除了在理论方面进行振荡产生因素的研究外，还需要在结合理论依据基础上，进行工程施工方面的技术优化、开发以及实践。具体而言便是研究人员和技术人员相互配合从风机侧、电网侧、风电场侧以及系统运行层面这些方面展开研究。以风机侧研究为例，我国现阶段进行的风机侧同步频段阻抗特性研究技术并不完善，还需要更多的实验数据和理论基础对其进行优化。对于工程施工技术水平的优化和提高研究，则需要对工程建设数据进行参数调整优化以及实测建模等系列性的实验操作，结合实验所得数据对风机本身的性能进行提高，以此达到提高风机设备在接入电网，进行运行操作后的动态性能可以进一步提高的目的[4]。

三、结束语

综上所述，研究人员应对已经发生的振荡事故进行仔细分析，积极反思事故诱因，并针对事故发生原因提出针对性的解决办法。同时，國家也应加大对新能源并网系统安全性能的重视程度，增加其研究资源，通过对振荡事故进行理论和技术两方面的研究，达到避免发生新能源并网系统振荡事故的目的。

参  考  文  献

[1]商皓钰，刘天琪，卜涛，等.基于ALARP准则的高比例新能源并网系统日前运行风险评估[J].电力自动化设备， 2021，41（03）：196-203.

[2]黄星宇，罗萍萍，龚锦霞，等.新能源并网系统次同步谐波相量检测方法[J].电力系统保护与控制，2020，48（13）：38-44.

[3]王建学，李清涛，王秀丽，等.大规模新能源并网系统电源规划方法[J].中国电机工程学报，2020，40（10）：3114-3124.

[4]武倩羽，周莹坤，李晨阳，等.新能源同步机并网系统惯性特性的理论和实验研究[J].大电机技术，2019（06）：41-46