220 kV光伏电站SVG高频振荡仿真分析

张明强，何廷一，曾丕江，何鑫，马红升，彭俊臻，余多

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650127；2.云南电力调度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

十四五期间，云南将新增新能源装机5000万千瓦，成为我国首个新能源装机超40%的水电、新能源双主体电力系统。为加快建设新型电力系统步伐，大规模风机、光伏和SVG接入电网，高比例电力电子端口与电网之间的能量交互极易引发高频振荡，严重影响电网安全稳定运行[1-5]。截至目前，云南电网已出现三起SVG高频振荡事件，2022年9月，昭通地区某220 kV光伏电站SVG在1200 Hz附近振荡导致SVG跳闸脱网；2023年3月，保山地区某220 kV光伏电站SVG在1650 Hz附近振荡导致局部电网电压持续波动；2023年11月，昭通地区某220 kV光伏电站SVG在1450 Hz附近振荡导致SVG跳闸。在未来，大规模新能源快速接入云南电网，由新能源引发的高频振荡故障可能频繁发生，因此，有必要深入分析高频振荡机理及抑制措施。

本文主要介绍220 kV光伏电站SVG高频振荡引发电压波动的故障案例，首先基于现场故障录波分析确定振荡原因；然后基于RTlab仿真，复现故障过程，确保复现结果与现场故障录波一致；最后提出高频振荡抑制措施并验证其有效性。

1 故障概况

2023年3 月，中调、地调OCS主站监测到220 kV变电站母线三相电压均出现幅值约4~10 kV左右的波动。通过现场故障录波分析可知，电压波动原因为：该变电站附近的220 kV光伏电站SVG与系统产生高频振荡，振荡频率主要为1650 Hz（33次谐波）。振荡期间32、33、34次谐波电流被放大，导致35 kV母线电压过高，最终光伏电站的#5、#6、#7、#8 SVG因过压保护动作而跳闸，同时谐波电流传导至附近的220 kV变电站引发电压波动。#8 SVG故障录波电流如图1所示，35 kV母线电压故障录波如图2所示，#8 SVG电流谐波占比如图3所示。

图2 35 kV母线故障录波电压（#8 SVG）

图3 #8 SVG电流谐波占比

2 故障复现与抑制

本次故障复现将以#8 SVG故障录波波形为参考，复现SVG高频振荡至跳闸全过程，在此基础上，云南电科院和云南电力调度控制中心对SVG厂家提出了“消除SVG高频段550~2000 Hz范围内负阻尼”的要求，督促厂家完成软件升级与参数修改，并投入光伏电站现场应用。

2.1 搭建光伏电站全站电磁暂态模型

高频振荡前，220 kV光伏电站站内接线如图4所示，#1、#2、#3、#4 SVG与35 kV公用I母相连，额定容量均为27 Mvar，与35 kV公用I母相连的所有集电线路均处于断开状态。#5、#6、#7、#8 SVG与35 kV公用Ⅱ母相连，额定容量均为30 Mvar，有3回带箱变的空载集电线路与35 kV公用Ⅱ母相连。根据图4所示的光伏电站站内接线图，本次故障复现将搭建包含站用变、接地变、集电线路、箱变、220 kV主变和#1~8 SVG一次部分的电磁暂态模型。

图4 220 kV光伏电站站内接线图

2.2 搭建光伏电站附近局部电网模型

高频振荡具有局部电网故障特性，因此，需要搭建光伏电站附近的局部电网模型，主要包括：与光伏电站相连的500 kV变电站及500 kV变电站附近的所有220 kV变电站，采用BPA等值得到局部电网的外部电网特性，所有网架参数与BPA保持一致。基于RTlab仿真平台所搭建的包含光伏电站和局部电网的电磁暂态仿真模型见图5。

图5 光伏电站和局部电网电磁暂态模型

2.3 基于RTlab硬件在环仿真的故障复现与分析

本次故障复现将基于RTlab硬件在环仿真平台来完成，SVG实物控制器见图6，其内部程序、控制参数与现场完全一致，RTlab实时仿真器见图7。

图6 SVG实物控制器

图7 RTlab实时仿真器

基于图5光伏电站和局部电网电磁暂态模型，将SVG实物控制器接入RTlab实时仿真器，在图4中35 kV公用Ⅱ母（振荡点）处进行阻抗扫描，将#5、#6、#7、#8 SVG看成一个整体，多频次阻抗特性记为ZSVG，其余部分的阻抗特性记为ZGrid，二者在同一坐标系下的bode图如图8。从图8可知，SVG在550~2250 Hz范围内呈现负阻尼特性，这是引发高频振荡的原因。在图8中绿色竖线fs=1650 Hz（33次谐波）处，ZSVG和ZGrid幅值相等，ZSVG相位呈现感性负阻尼特性，ZGrid相位接近纯容性，二者满足在fs=1650 Hz（33次谐波）处产生高频振荡的条件[6-7]。

图8 SVG和等效电网的阻抗特性

基于阻抗扫描结果，可以得到ZSVG和ZGrid的高频振荡分析等效电路，如图9所示，SVG向电网注入电流Ie的闭环传递函数如式（1）：

图9 高频振荡分析等效电路

电流Ie的开环传递函数为：

计算G0(s)在fs=1650 Hz处的开环频率特性：

根据奈奎斯特稳定性判据[8-9]，在fs=1650 Hz处，闭环系统的开环频率特性非常接近点（-1 ,j0），这表明闭环系统在fs=1650 Hz处不稳定，闭环系统开环频率特性Nyquist图如图10所示。

图10 闭环系统开环频率特性的Nyquist图

高频振荡需要小扰动激发，本次故障复现采用切除35 kV母线上微小电容的方式来激发振荡，切除电容后，ZSVG和ZGrid刚好出现阻抗匹配，满足高频振荡的条件：负阻尼+谐振点[10]，进而在fs=1650 Hz处产生振荡。故障录波和故障复现时#8 SVG的三相电流分别如图11、12所示，故障录波和故障复现时35 kV母线三相电压分别如图13、14所示，故障录波和故障复现时#8 SVG的谐波电流占比分别如图15、16所示。

图11 #8 SVG电流（故障录波）

图12 #8 SVG电流（故障复现）

图13 35 kV母线电压（故障录波）

图14 35 kV母线电压（故障复现）

图15 #8 SVG 电流谐波占比（故障录波）

图16 #8 SVG 电流谐波占比（故障复现）

将故障复现和故障录波的电流、电压及谐波占比进行比对可知，故障复现波形和实际现场的故障波形基本一致，存在的少量偏差的原因为：一是实际现场有4台27 Mvar和4台30 Mvar的SVG控制器，但目前实验室只有一台30 Mvar的SVG控制器，本次故障复现是基于“单机倍乘”的原则扩展出4台27 Mvar和4台30 Mvar的SVG，不同容量的控制器因控制参数的差异会导致电磁暂态响应有差异；二是局部电网的负荷特性会影响其阻抗特性，而当前无法获得局部电网精准的阻抗特性。

2.4 高频振荡抑制

SVG高频振荡的原因主要是SVG控制器在特定高频段具有负阻尼，因此，消除SVG高频段负阻尼将成为解决高频振荡问题的关键，提出“消除SVG高频段550~2000 Hz范围内负阻尼”的要求，修改并升级控制器程序，在实物控制器中增加了“相位补偿”功能，其控制效果如图17所示。

图17 “相位补偿”投入前后SVG的阻抗特性

“相位补偿”投入前，SVG在600~2000 Hz范围内呈现感性负阻尼，而“相位补偿”投入后，该频段范围内的负阻尼已全部消除。“相位补偿”功能投入并切除35 kV母线上的小电容后，#8 SVG的三相电流波形见图18所示，该过程未出现高频振荡。因此，SVG“相位补偿”功能在高频段确有抑制高频振荡的效果。

图18 “相位补偿”功能投入后#8 SVG电流

3 结束语

本文介绍了光伏电站SVG高频振荡的实际故障案例。基于RTlab电磁暂态仿真平台搭建了光伏电站全站电磁暂态模型和局部电网模型，将SVG实物控制器接入仿真器，完成了光伏电站SVG高频振荡故障复现，且复现结果与实际故障录波基本一致，清楚地展示了高频振荡的内在机理；提出了高频振荡抑制措施，并通过仿真验证其有效性。对此，结论与展望如下：

1）高频振荡的条件为：在特定频率下，二端口两侧阻抗幅频特性相等，相频特性呈现“感性负阻尼和容性”或“容性负阻尼和感性”。消除SVG特定高频段的负阻尼可避免在该频段出现振荡。

2）本文研究的振荡频段大于1000 Hz，考虑控制器锁相环特性，可忽略正负序耦合，分析以正序分量开展，仿真复现结果与抑制策略验证完全满足实际工程要求。

3）局部电网阻抗特性受电网规模及运行方式影响较大，研究高频振荡故障复现时，搭建多大规模的局部电网可以保证其阻抗特性与故障发生时电网的阻抗特性一致将是未来值得思考和研究的问题。

4）在云南电网大规模新能源快速并网的背景下，提前摸清光伏、风机和SVG在各频段的阻抗特性，督促各新能源厂家制定对应的负阻尼消除措施，将对云南电网的安全稳定运行及新能源消纳具有重大意义。