光伏发电系统抑制电网机电振荡的机理与策略

光伏发电系统抑制电网机电振荡的机理与策略

余梦竹 张成龙

国华（哈密）新能源有限公司 新疆 哈密 839000

摘要：随着我国经济在迅猛发展，社会在不断进步，光伏发电在我国发展十分迅速，提出了利用光伏发电系统的快速响应特性来抑制电网的机电振荡过程，研究了光伏发电装置抑制电网机电振荡过程的物理机制和控制策略。首先建立光伏发电系统接入同步机电网的数学模型；分析了光伏输出功率与电网机电振荡过程间的交互作用规律。研究表明，发生机电振荡时，若光伏逆变器提供合适的功率支撑，使其直接或间接地作用于同步发电机的电磁功率，即可使机电振荡过程减弱或消失。据此提出通过耦合电网的机电振荡信号，使光伏发电系统输出的有功、无功功率单独或协同地作用于发生机电振荡过程的同步机系统，以明显削弱其机电振荡过程，促进电力系统迅速恢复至稳定工作点。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

关键词：光伏发电系统；阻尼；机电振荡；抑制策略

引言

机电振荡不仅严重威胁大规模互联电网的安全、稳定运行，同时也是限制区域间电能交换能力的关键因素之一。对电力系统机电振荡进行监测与分析是保证电力系统的安全、稳定运行的重要手段。近年来，电网规模不断扩大，机电振荡表现出明显的时空分布特征，这给机电振荡模式提取和分析带来了诸多挑战。利用广域向量测量系统（Wide-AreaMeasurementSystem，WAMS）能够测量得到不同空间位置的电气量。WAMS为具有明显时空特性的大规模电网低频振荡分析提供了可靠的数据平台。近年来，国内外专家学者对基于广域量测数据的机电振荡分析开展了深入而细致的研究。

1工频振荡在电力系统发展中的作用

电力系统的发展始于19世纪70年代.1875年,法国巴黎火车站建成世界上第一座火电厂;1879年,美国旧金山实验电厂对外售电;1882年,美国发明家爱迪生在纽约曼哈顿建立了包括6台发电机,总容量约670kW、110V直流供电的珍珠街集中发电站.这些早期的供电系统都采用直流电,但很快其局限性就体现出来了:难以实现变压,而低电压运行则损耗大,不适应大容量、远距离输电,也不便于联网运行,限制了系统的规模效应.差不多同时,美国西屋公司在尼古拉·特斯拉多个专利技术基础上开始构建多相交流电力系统.之后,交流和直流之间的“战争”持续了10多年,直到1895~1896年西屋公司建成了尼亚加拉瀑布电力系统,包括3台3675kW的水轮发电机,25Hz水电通过变压器升压到11kV后向17.7km外的水牛城供电,“令人信服地展示了多相特斯拉系统作为通用供电系统的优势”,从而结束了长时间的交直流之争,使得交流电逐渐成为电力系统发展的主流方向.20世纪,交流输电系统得到了迅猛发展,在三相、50或60Hz工频基础上,旋转发电机产生工频电压/电流,借助变压器电磁感应实现高效变压,电网在不同的电压等级上互联扩展,最终在用户端转化为所需的诸如机械能、光能、热能等其他能源形式,而作为负荷的主体之一——电动机则是以交流电产生的旋转磁场而推动机械运动.可以说,工频振荡是现代电力系统得以存在和发展的基础.虽然以1957年晶闸管诞生为标志的电力电子技术发展,提供了新的交/直流变换技术,进而推动了高压直流(highvoltagedirectcurrent,HVDC)输电的发展,但长期以来HVDC仍只是应用于少数交流输电不太合适的地方,如50/60Hz背靠背联网、海底输电、平衡距离以上的海缆或架空线输电.现在,电力系统已成为世界上最大最复杂的人造系统之一,而其主体仍是建立在50/60Hz工频上的自持或强迫振荡系统.以我国电力系统为例,目前通过交直流互联已形成了一个基本覆盖全域、电压等级涵盖从380/220VAC到1000kVAC/±1100kVDC特高压的巨型复杂系统.截至2018年底,总装机容量达19GW,仅220kV及以上的输电线路总长度就超过73.3×104km(其中交流线路占比约95%),可以绕地球18圈多.

2光伏系统抑制电网机电振荡的策略

2.1有功功率控制模式

有功控制环通过采集发电机转速来计算功率给定Pref，无功功率给定的指令为0；然后功率调节电压指令U。光伏输出电压对应唯一的输出功率，调节直流侧电压相当于调节了逆变器输出功率。此外，为了保证光伏逆变器交流侧电压满足要求，作为调节区间，该区间既可以实现有功功率的全域调节，同时也能够保证光伏逆变器有合理的直流电压利用率，以确保逆变器交流侧电压稳定。

2.2风电机组相关的次/超同步振荡

进入21世纪以来,风电、光伏等新能源发电技术迅速发展,其参与或引发的新型次/超同步振荡问题出现并引起广泛关注.2009年10月,美国德州南部某电网因线路故障造成双馈风电机群放射式接入串补电网,引发严重的次同步振荡并导致部分机组撬棒电路损坏.2011年,我国冀北沽源地区风电场在低风速工况下多次出现次同步振荡事件,最严重时曾造成上千台风电机组脱网.2015年7月1日,我国新疆哈密地区发生了大规模直驱风电机群与弱交流电网相互作用引发严重的次/超同步振荡,导致功率振荡频率接近同网“花园”电厂火电机组的固有扭振频率,激发严重的轴系扭振,造成该厂3台机组跳闸,系统频率短暂急剧下降.新型次/超同步振荡主要源于多变流器控制与交直流电网之间在次/超同步频率范围的动态相互作用,与旋转机组惯性和轴系动态主导的传统机电(低频)振荡、次同步谐振/振荡有本质的区别.其分析与控制面临诸多新的挑战,包括:(1)机理不清晰,难以系统诠释风电次/超同步振荡的原理、条件与特征;(2)传统建模/分析方法,如时域状态空间模型-特征值分析方法、单输入单输出阻抗模型-奈奎斯特判据等,在评估实际系统(多个风电场、大量异构风电机组、黑/灰箱设备)次/超同步振荡时面临巨大困境,难以实现对振荡频率、阻尼、灵敏度等的精准定量分析;(3)理论上需解决系统工况和振荡频率时变条件下的自适应和/或鲁棒控制难题,实践中缺乏抑制风电次/超同步振荡的高效控制装备.

2.3主导模式机电振荡模态及参数提取

不同振荡模式之间的非线性相关作用是主导电力系统机电动态过程的重要因素，如何提取机电振荡主导模式对于深入分析系统振荡特性具有重要意义。本文在动态模式分解法的基础上提出模式能量的概念，并利用模式能量幅值检测系统机电振荡的主导模式。

结语

电网发生功率振荡时，光伏能够通过控制其输出的有功功率和无功功率，实现机电振荡过程抑制。本文建立了含光伏逆变器的同步机电网模型，并基于此模型提出了光伏抑制电网机电振荡的控制策略，得出了以下结论：（1）发生机电振荡现象时，光伏发电系统输出合适的有功和无功功率即可等效地加大系统的阻尼作用，直接或者间接地作用于同步发电机的机电振荡过程，从而抑制电力系统的机电振荡过程。（2）光伏发电系统工作在无功运行模式时，依然能部分抑制电网机电振荡过程，但由于其容量有限，振荡抑制效果不够理想，此时需要设计较大的光伏逆变器容量。（3）仿真和实验结果均表明，在相同容量情况下，有功控制模式对电网机电振荡的抑制效果要略优于无功控制模式，且有功、无功协调控制的运行模式能产生最佳的抑制效果。

参考文献

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