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(fù)荷中心的逆向分布導(dǎo)致我國(guó)采用特高壓交流和特高壓直流輸電技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大容量、遠(yuǎn)距離輸送電能。為增強(qiáng)輸電能力，其中部分特高壓交流輸電線路加裝串聯(lián)補(bǔ)償，可能激發(fā)電力系統(tǒng)次同步振蕩(SSO)，嚴(yán)重時(shí)威脅大型火力發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著新能源開發(fā)規(guī)模的不斷增大，以風(fēng)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(lái)了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合我國(guó)電力系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，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(bǔ)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(duì)角線上，那么該參數(shù)不影響系統(tǒng)總阻尼。在串補(bǔ)交流系統(tǒng)中，即使串補(bǔ)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(qiáng)了，SSDC增益改變時(shí)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(qiáng)的同時(shí)，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(lái)的，因此

3、，在控制器設(shè)計(jì)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(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
　　以往的研究普遍認(rèn)為速度反饋型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)對(duì)SSO有負(fù)面影響，而功率反饋型PSS對(duì)SSO的影響很小，本文經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)除了輸入信號(hào)類型之外，PSS的相位補(bǔ)償方式也是影響SSO的非常重要的因素，滯后補(bǔ)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(hào)，又能避免對(duì)軸系扭振敏感，對(duì)SSO幾乎沒有影響。
　　作為發(fā)電機(jī)電氣阻

4、尼的重要組成部分，阻尼繞組對(duì)次同步阻尼的作用不可忽視。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中存在次同步電流時(shí)（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(yīng)的強(qiáng)弱、磁飽和的程度不同，此外，溫度、發(fā)電機(jī)阻尼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)典公式的誤差等因素都會(huì)影響阻尼繞組的等效參數(shù)，進(jìn)而影響次同步振蕩特性。本文選用IEEE SSR第一標(biāo)準(zhǔn)模型，研究了阻尼繞組參數(shù)對(duì)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(qiáng)，模態(tài)5的阻尼基本不變;而阻尼繞組漏電抗對(duì)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(jì)不準(zhǔn)會(huì)對(duì)評(píng)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(dòng)軸系模型對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組次同步振蕩的分析至關(guān)重要，本文中選用三質(zhì)量塊模型分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的次同步振蕩問題。首先建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(xué)模型，采用特征值和參與因子分析法以及時(shí)域仿真法深入研究了雙饋發(fā)電機(jī)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(duì)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(shè)計(jì)不當(dāng)，次同步振蕩模態(tài)的阻尼可能為負(fù)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定;隨著風(fēng)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(dāng)HVDC的運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)，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(huì)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(yùn)含豐富的煤炭資源和風(fēng)能資源，本文在呼遼直流輸電系統(tǒng)中接入雙饋風(fēng)電場(chǎng)，建立詳細(xì)的電磁暫態(tài)仿真模型，研究了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組次同步阻尼特性的影響，結(jié)果表明，對(duì)于風(fēng)火打捆經(jīng)直流送出的輸電系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，風(fēng)電接入可以增強(qiáng)火電機(jī)組的次同步阻尼，而且風(fēng)電穿透率越大效果越顯著;風(fēng)電場(chǎng)接入位置距離火電機(jī)組

8、越近，增強(qiáng)火電機(jī)組次同步阻尼的效果越明顯;風(fēng)電接入雖然能夠減輕火電機(jī)組的次同步振蕩，但并不能從根本上消除火電機(jī)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(dòng)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(xué)模型，分析了其抑制次同步振蕩的機(jī)理以及主電路參數(shù)和控制參數(shù)對(duì)次同步阻尼特性的影響。當(dāng)外部環(huán)境變化導(dǎo)致SSO-DS裝置的連接電感和儲(chǔ)能電容參數(shù)在±30％范圍內(nèi)變化時(shí)，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(duì)值的增大，次同步阻尼增強(qiáng)，但增益過大可能因“借阻尼”現(xiàn)象而導(dǎo)致其他模態(tài)的阻尼過弱，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn);對(duì)于阻尼控制模塊中的相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，偏離最佳補(bǔ)償角度后，次同步阻尼減弱。然后針對(duì)呼貝電廠的次同步振蕩問題設(shè)計(jì)了工程適用的級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過實(shí)時(shí)數(shù)字——物理閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略、優(yōu)化了控制參數(shù)并檢驗(yàn)了控制器的有效性，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行記錄表明頻繁超標(biāo)的次同步振蕩得到了有效的抑制。