新能源電力系統(tǒng)的次同步振蕩與阻尼控制特性研究.pdf

1、能源賦存與負荷中心的逆向分布導致我國采用特高壓交流和特高壓直流輸電技術以實現(xiàn)大容量、遠距離輸送電能。為增強輸電能力，其中部分特高壓交流輸電線路加裝串聯(lián)補償，可能激發(fā)電力系統(tǒng)次同步振蕩(SSO)，嚴重時威脅大型火力發(fā)電機組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著新能源開發(fā)規(guī)模的不斷增大，以風電為代表的新能源接入到以火電為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)給次同步振蕩研究帶來了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合我國電力系統(tǒng)的這些特點，開展了如下研究:
　　基于特征值分析法研究了采用

2、串聯(lián)電容補償?shù)慕涣飨到y(tǒng)和含SSDC的直流輸電系統(tǒng)中的阻尼守恒現(xiàn)象，找到了阻尼守恒的原因，即如果某參數(shù)不出現(xiàn)在系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的對角線上，那么該參數(shù)不影響系統(tǒng)總阻尼。在串補交流系統(tǒng)中，即使串補度改變系統(tǒng)總阻尼仍守恒;在HVDC系統(tǒng)中，投入附加次同步阻尼控制器(SSDC)后，系統(tǒng)總阻尼增強了，SSDC增益改變時系統(tǒng)總阻尼仍然守恒。隨著SSDC增益的增大，軸系模態(tài)阻尼增強的同時，某些模態(tài)的阻尼減弱了，說明軸系模態(tài)的阻尼是從其它模態(tài)“借”來的，因此

3、，在控制器設計中，次同步振蕩模態(tài)的增益過大可能使其他模態(tài)的阻尼過弱，甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn)。
　　以往的研究普遍認為速度反饋型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)對SSO有負面影響，而功率反饋型PSS對SSO的影響很小，本文經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)除了輸入信號類型之外，PSS的相位補償方式也是影響SSO的非常重要的因素，滯后補償再反相的速度反饋型PSS既能利用理想的轉(zhuǎn)速偏差作為反饋信號，又能避免對軸系扭振敏感，對SSO幾乎沒有影響。
　　作為發(fā)電機電氣阻

4、尼的重要組成部分，阻尼繞組對次同步阻尼的作用不可忽視。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子中存在次同步電流時（包括因次同步振蕩產(chǎn)生的次同步電流和附加控制器注入的次同步電流），由于次同步頻率范圍較大，從幾赫茲至幾十赫茲，不同模態(tài)頻率下集膚效應的強弱、磁飽和的程度不同，此外，溫度、發(fā)電機阻尼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及電機設計經(jīng)典公式的誤差等因素都會影響阻尼繞組的等效參數(shù)，進而影響次同步振蕩特性。本文選用IEEE SSR第一標準模型，研究了阻尼繞組參數(shù)對次同步阻尼特性的影響規(guī)律

5、，即隨著阻尼繞組的電阻增大，該系統(tǒng)的SSO模態(tài)1至模態(tài)4的阻尼增強，模態(tài)5的阻尼基本不變;而阻尼繞組漏電抗對SSO模態(tài)的影響沒有明顯的規(guī)律性，但阻尼繞組漏電抗計不準會對評估次同步阻尼能力產(chǎn)生很大的影響。
　　在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，傳動軸系模型對風力發(fā)電機組次同步振蕩的分析至關重要，本文中選用三質(zhì)量塊模型分析風力發(fā)電機的次同步振蕩問題。首先建立了雙饋感應發(fā)電機(DFIG)及其控制系統(tǒng)的數(shù)學模型以及電網(wǎng)換相型高壓直流輸電(LCC-HVD

6、C)系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用特征值和參與因子分析法以及時域仿真法深入研究了雙饋發(fā)電機群經(jīng)高壓直流輸電并網(wǎng)的次同步振蕩問題，研究結(jié)果表明:次同步振蕩模態(tài)對DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)控制器(RSC)的參數(shù)（KpQs、Kprd和Tird）較敏感，若控制器參數(shù)設計不當，次同步振蕩模態(tài)的阻尼可能為負，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定;隨著風速的增大，次同步振蕩模態(tài)阻尼先略微減小后逐漸增大，模態(tài)頻率略微增大;當HVDC的運行狀態(tài)改變時，如果不能保持整流母線電壓不變，那么次同步振蕩模

7、態(tài)會受到影響，隨著整流母線電壓升高，整流器觸發(fā)角α增大，次同步振蕩阻尼減小，頻率基本不變。
　　內(nèi)蒙古地區(qū)蘊含豐富的煤炭資源和風能資源，本文在呼遼直流輸電系統(tǒng)中接入雙饋風電場，建立詳細的電磁暫態(tài)仿真模型，研究了風電場并網(wǎng)對火電機組次同步阻尼特性的影響，結(jié)果表明，對于風火打捆經(jīng)直流送出的輸電系統(tǒng)，在風力發(fā)電機組自身能夠保持穩(wěn)定運行的情況下，風電接入可以增強火電機組的次同步阻尼，而且風電穿透率越大效果越顯著;風電場接入位置距離火電機組

8、越近，增強火電機組次同步阻尼的效果越明顯;風電接入雖然能夠減輕火電機組的次同步振蕩，但并不能從根本上消除火電機組的次同步振蕩問題。
　　本文采用基于電壓源型逆變器的次同步振蕩動態(tài)穩(wěn)定器(SSO-DS)抑制方法，首先建立了三相兩電平主電路結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，分析了其抑制次同步振蕩的機理以及主電路參數(shù)和控制參數(shù)對次同步阻尼特性的影響。當外部環(huán)境變化導致SSO-DS裝置的連接電感和儲能電容參數(shù)在±30％范圍內(nèi)變化時，次同步振蕩阻

9、尼比的變化范圍不超過±10％;隨著阻尼控制模塊增益Ksub1絕對值的增大，次同步阻尼增強，但增益過大可能因“借阻尼”現(xiàn)象而導致其他模態(tài)的阻尼過弱，甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn);對于阻尼控制模塊中的相位補償環(huán)節(jié)，偏離最佳補償角度后，次同步阻尼減弱。然后針對呼貝電廠的次同步振蕩問題設計了工程適用的級聯(lián)H橋拓撲結(jié)構(gòu)，通過實時數(shù)字——物理閉環(huán)仿真實驗驗證了控制策略、優(yōu)化了控制參數(shù)并檢驗了控制器的有效性，現(xiàn)場運行記錄表明頻繁超標的次同步振蕩得到了有效的抑制。