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      全球能源互联网

      第8卷 第4期 2025年07月;页码:489-496
      EN

      张北柔直工程近工频次同步振荡机理及振荡抑制策略

      Mechanism and Mitigation Strategy of Near-power-frequency Sub-subsynchronous Oscillation in Zhangbei VSC-HVDC Project

      马秀达* ,卢宇 ,汪楠楠 ,吕润东 ,王仙荣
      MA Xiuda* ,LU Yu ,WANG Nannan ,LÜ Rundong ,WANG Xianrong
      • 南京南瑞继保电气有限公司 江苏省 南京市 211102
      • MA Xiuda*, LU Yu, WANG Nannan, LÜ Rundong, WANG Xianrong (NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, Jiangsu Province, China

      摘 要

      Abstract

      由风电场和柔性直流输电系统组成的高比例电力电子系统具有振荡风险,张北柔直工程在初期投运阶段发生了数次40~50 Hz近工频次同步振荡现象。基于阻抗分析法,分析风电场和柔直在近工频次同步频段的阻抗特性,确定了振荡来源于风电的“感性负阻”特性与柔直的“容性正阻”特性的相互作用。将电压单环控制策略应用于柔直系统,削弱次同步频段的容性特性,增大相位裕度以抑制近工频次同步振荡。最后,基于张北柔直工程现场试验,验证了所提振荡机理分析的正确性以及振荡抑制策略的有效性。

      The high proportion power electronic system composed of new energy and VSC-HVDC system has oscillation risk, near-power-frequency sub-synchronous oscillation from 40 Hz to 50 Hz many times. Based on impedance analysis method, this article analyzes the impedance characteristics of new energy and VSC-HVDC in the near rated frequency sub-synchronous band, determines that the oscillation comes from the mutual effect between wind farm with ‘inductive and negative resistance’ and VSC-HVDC with‘capacitive and positive resistance’ impedance. To suppress sub-synchronous oscillation at near rated frequency, a voltage single-loop control scheme is proposed in VSC-HVDC, which weakens the capacitive characteristics of the sub-synchronous frequency band and increases the phase margin. Finally, based on on-site experiments of the Zhangbei VSC-HVDC project, the correctness of the proposed oscillation mechanism analysis and the effectiveness of the oscillation suppression strategy were verified.

      0 引言

      基于电压源型换流器的柔性直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSCHVDC)技术可灵活接入有源和无源系统,在新能源汇集送出方面得到广泛应用,是大规模新能源接入电网的重要技术手段[1-3]。作为世界上规模最大的新能源经柔直送出系统,张北柔性直流工程(以下简称“张北工程”)于2020年建成投运,实现了100%新能源送出[4-5]

      作为全电力电子器件组成的复杂电网,新能源经柔直送出工程运行方式多变、并网机组复杂且系统耦合性强,存在潜在的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO) 风险,张北工程在运行期间曾多次发生40~50 Hz频段的次同步振荡,影响设备安全和新能源送出。本文将40~50 Hz频段的交流电压/电流振荡定义为近工频次同步振荡,与其他振荡频段不同,近工频次同步振荡特性与工频动态控制深度耦合,受运行工况和控制环节影响较大,诱发机理复杂,同时对振荡抑制措施提出了更高的要求[6-7]

      对于风电场与VSC-HVDC之间的次同步振荡研究,目前主要集中于振荡机理分析和振荡抑制策略。在振荡机理研究方面,主要包括状态空间法和阻抗分析法。其中,状态空间法可详细刻画系统动态特性[8-9],但受限于知识产权保护以及矩阵规模大等问题,实际工作中难以实现准确建模。近年来阻抗分析法逐渐成为电力系统振荡分析领域应用较为广泛的一种方法[10-12]。文献[13]建立了不同类型风机以及VSCHVDC的阻抗模型,基于硬件在环仿真平台进行阻抗扫描,分析了不同控制器对风机和VSC-HVDC之间的振荡影响。文献[14]基于阻抗分析法分析了双馈风电场接入VSC-HVDC发生次同步振荡机理,阐述了次同步振荡由两者构成的等效负电阻谐振电路的负阻尼效应所引起,该分析方法同样适用于近工频次同步振荡场景,但其主要针对10~30 Hz频段的振荡机理,对于近工频次同步频段的模型简化处理以及振荡主导因子分析方面的研究有待提升。

      在次同步振荡抑制策略的研究方面,主要包括风电场侧抑制和柔直侧振荡抑制2种思路。文献[15]在双馈风机的转子侧变流器控制中增加阻尼控制,通过产生与转速方向相反的阻尼转矩实现次同步振荡抑制。文献[16-17]在双馈风机的网侧变流器进行阻尼振荡控制,通过在有功/直流电压控制环或无功/交流电压控制环中增加附加阻尼环节实现振荡抑制。然而,新能源阻抗特性与机理的功率水平相关性较大,从新能源侧优化阻抗特性难以彻底解决次同步振荡问题,且柔直运行方式单一,阻抗特性较为固定,因此很多学者提出从柔直侧优化控制参数或附加控制实现振荡抑制。文献[18]在柔直侧增加次同步振荡电流的比例谐振控制器,输出量作用于参考波,但未开展振荡抑制机理和控制参数分析。文献[19]在柔直侧增加了次同步振荡电流的虚拟阻尼控制,输出信号作用于外环电压控制器,时域分析验证了其对直驱风机引起的30 Hz次同步振荡抑制效果,但该策略未考虑近工频段柔性直流系统阻抗特性的优化问题。

      本文面向张北工程的近工频次同步振荡问题,基于阻抗分析法对风电和柔直在近工频频段的阻抗特性以及主导环节进行分析,并基于系统等效阻抗模型阐述了次同步振荡的产生机理。从柔直控制系统入手,提出了一种电压单环控制策略实现振荡抑制。最后,基于张北工程现场试验和长期运行结果,验证振荡抑制策略的有效性。

      1 振荡问题

      张北工程是新能源经柔直孤岛送出工程,系统拓扑如图1所示,张北地区的新能源功率送至负荷中心。截至目前,工程接入的新能源场站装机容量总计约6000 MW,含有各类型风机和光伏逆变器135种。

      图1 张北工程一次接线图
      Fig. 1 Single line diagram of Zhangbei VSC-HVDC Project

      中都站和康巴诺尔站运行于孤岛模式,为新能源接入提供交流系统频率基准与电压支撑。随着新能源接入功率的不断增大,两站在现场运行时出现过多次近工频次同步振荡现象。

      2022年1月,康巴诺尔换流站接入新能源功率1020 MW时出现振荡,现场波形如图2所示,电压和电流振荡频率为44 Hz,由于频率耦合作用[20],有功、无功和电压振荡频率为6 Hz,振荡持续数分后消失,振荡时并网机组全部为风电机组。

      图2 张北工程近工频次同步振荡波形
      Fig. 2 Waveform of near-power-frequency sub-synchronous oscillation in Zhangbei VSC-HVDC Project

      近工频振荡导致交流电网的交流电压和电流周期性波动,影响电网安全稳定运行以及一次设备安全,限制了新能源功率外送。为解决风电场经柔直送出的次同步振荡问题,需对振荡风险关键影响因素以及对应的振荡抑制策略进行研究。

      2 振荡机理

      2.1 双闭环控制策略

      为维持新能源接入电网的电压幅值和频率稳定,新能源侧柔直需采用孤岛(V/F)控制,其中双闭环控制策略得到了广泛应用[21],其控制策略如图3所示,由外环电压控制和内环电流控制两部分组成。Gout表示外环电压控制,表达式如式(1) 所示,其中kp,outki,out为比例和积分系数;Gin表示外内环电流控制,表达式如式(2) 所示,其中kp,inki,in为比例和积分系数;Gfv表示一阶低通滤波环节,表达式如式(3) 所示,Tfv为一阶低通滤波时间常数。

      图3 双闭环控制策略
      Fig. 3 Dual closed-loop control strategy

      柔直阻抗传递函数可表达如式(4) 所示,其中,GT为延时环节,表达式如式(5) 所示,Td表示控制延时。

      2.2 近工频次同步频段简化阻抗

      为分析近工频次同步频段的阻抗特性,对式(4)所示阻抗传递函数做适当简化。对于近工频次同步频段(40~50 Hz),考虑频率偏移,式(4)中各式满足式(6)所示关系,其中ω ′= ω - ω0

      另一方面,为了提高故障电流抑制速度,内环电流控制器的带宽设计值远大于外环电压控制带宽,因此内环电流控制环节Gin对次同步频段影响较小[13],即在近工频次同步频段满足:Gin ≈1。

      将上述简化过程代入式(5) 可得柔直在近工频次同步频段的简化阻抗表达式:

      柔直阻抗相位ϕ(Z)满足:

      f<50 Hz时,ω′<0,随着频率逐渐靠近工频,ϕ(Z2)成反比例关系增大且在工频处ω′=0增大为无穷大,因此,在近工频次同步频段满足ϕ( Z ) < 0,即柔直在近工频次同步频段呈现为容性特性。

      为验证上述分析结论的正确性,基于张北工程PSCAD仿真模型开展近工频次同步频段阻抗扫描,在并网点注入三相正序特征电流谐波,基于傅里叶变换对三相正序电压电流进行分析得到阻抗幅值和相角,频率扫描步长为1 Hz。PSCAD扫频结果与式(7) 所示的简化阻抗进行对比,如图4所示。

      图4 双闭环控制近工频次同步频段阻抗分析结果对比
      Fig. 4 Impedance comparison results at near-power-frequency sub-synchronous band of dual closed-loop control

      由图4可知,简化等效阻抗与PSCAD扫描阻抗在近工频次同步频段趋势基本一致,且柔直在该频段呈现为容性,且随着频率靠近工频点容性特性逐渐增强,该结果验证了简化阻抗分析的正确性。

      2.3 柔直与风电场振荡机理

      针对单个风电机组的阻抗建模已有较多研究,根据相关分析结论,双馈风电机组和直驱风电机组在近工频次同步频段均表现为感性负阻特性[13,22-23],其受风电机组控制器以及运行方式影响。

      对于大规模风电集群系统,由于风电场站机组类型复杂,运行方式多变,难以准确阻抗建模,本文基于PSCAD仿真模型,对张北工程风电场和柔直分别进行阻抗扫描,得到两者在30~70 Hz的阻抗曲线如图5(a) 所示。

      图5 风电场和柔直近工频次同步频段振荡机理
      Fig. 5 Oscillation mechanism between wind farm and VSC-HVDC at near-power-frequency sub-synchronous band

      由图5(a) 可知,振荡期间,在近工频次同步频段,风电场角度大于90°,即呈现感性负阻特性;柔直角度小于0°,即呈现容性正阻特性。风电与柔直系统可等效为如图5(b) 所示的戴维南电路两端口网络,其中,RwXw表示风电等效电阻和感抗,RvscXvsc表示柔直等效电阻和容抗,ΔUw和ΔUvsc分别表示风机和柔直的等效小信号电源。

      两者相角差在近工频次同步频段存在大于等于180°的情况,系统相位裕度不足;风电和柔直系统在该频段的阻抗幅值分别呈现增大和减小趋势,因此,存在风电与柔直幅频曲线相交的频率点。在44 Hz处,风电和柔直的幅频曲线相交,且相位差为180°左右,导致相位裕度不足,基于奈奎斯特稳定判据可知,系统将出现如图2所示的谐振振荡。

      3 振荡抑制

      风电场与柔直近工频振荡的充分条件之一为相位差大于180°,若通过控制优化,改变近工频次同步频段柔直的阻抗特性,使其表现为感性特性,则无论幅值曲线是否相交,系统均满足奈奎斯特稳定判据。因此,本文从优化柔直相位特性的角度出发,实现近工频次同步振荡抑制。

      3.1 电压单环控制策略

      图6为本文提出的电压单环控制策略,其中,Grms表示电压有效值计算环节,考虑频域频率偏移,表达式如式(9) 所示,其中Ub表示电压基准值;Guf表示电压有效值的一阶低通滤波环节,如式(10) 所示,Tuf表示一阶滤波时间常数;电压控制环节Guac采用PI控制,如式(11) 所示,kpukiu表示电压控制的比例和积分系数。

      图6 电压单环控制策略
      Fig. 6 Single-loop control structure

      电压控制环节生成电压偏移量并与参考虚拟电动势E0(默认为1 pu)叠加后输出参考电压,基于基准角频率ω1和参考电压uc,ref,可生成三相电压参考波实现换流器控制。

      采用电压单环控制的柔直阻抗传递函数可表达为式(12)所示。

      将式(9)—式(11)代入式(12)可得柔直阻抗表达式

      3.2 次同步频段简化阻抗分析

      为分析电压单环控制策略对柔直近工频次同步频段影响,开展次同步频段阻抗分析。仅考虑近工频次同步频段(40 Hz<f<50 Hz)影响,忽略控制链路延时影响,即GT≈1。式(13) 所示的单环传递函数可简化为

      基于张北工程PSCAD仿真模型开展近工频次同步频段阻抗扫描,将PSCAD阻抗扫描结果与式(14)所示的低频简化阻抗进行对比,对比结果如图7所示。

      图7 电压单环控制近工频次同步频段阻抗分析结果
      Fig. 7 Impedance comparison results at near-power-frequency sub-synchronous band of voltage single-loop control

      由图7可知,柔直简化阻抗计算值与PSCAD扫描阻抗在近工频次同步频段趋势基本一致,且柔直在该频段呈现为感性正阻特性,证明了上述分析结论的正确性。

      3.3 振荡抑制机理

      基于上述分析结论,可得采用电压单环控制的柔直与风电阻抗曲线如图8(a) 所示,柔直系统阻抗特性得到重塑,在近工频次同步频段的相位始终大于0,即表现为感性,风电与柔直系统可等效为如图8(b)所示的戴维南电路两端口网络,柔直与同为感性的风电场之间可完全避免谐振问题,避免了相位裕度不足问题,可消除振荡风险。

      图8 风电场和柔直近工频次同步频段振荡抑制
      Fig. 8 Oscillation mitigation between wind farm and VSC-HVDC at near-power-frequency sub-synchronous band

      基于上文振荡机理分析,双闭环控制导致振荡的直接原因是在近工频次同步频段表现为容性特性,该环节由外环电压控制主导。电压单环控制策略改变了次同步频段的容性特性,在近工频次同步频段表现为感性特性,从而避免了振荡问题。

      4 试验验证

      为了验证本文提出的近工频振荡机理和振荡抑制措施的有效性,将本文提出的控制策略应用于张北工程康巴诺尔站和中都站,于2023年6月在现场开展了详细的试验验证,试验项目包括启停试验,稳态运行试验和振荡抑制试验等。

      4.1 稳态运行试验

      限于康保地区新能源功率条件限制,康巴诺尔站不具备双极满功率(双极额定功率1500 MW)运行试验条件,因此开展单极换流器满功率(单极额定功率750 MW)运行试验,以验证基于电压单环控制的柔直换流器稳态运行能力。

      图9所示为康巴诺尔站满功率运行试验波形,康巴诺尔站现场试验期间,新能源场站的直驱风机和双馈风机均满发,换流器功率约746 MW,稳态运行时,换流站并网电压和电流稳定无振荡,有功功率实现稳定接入,无功功率实现稳定支撑。

      图9 稳态运行试验现场波形
      Fig. 9 Waveform of steady-state operation

      4.2 振荡抑制试验

      为验证本文提出的电压单环控制策略对近工频次同步振荡抑制的有效性,现场开展振荡复现以及振荡抑制试验。

      图10所示为康巴诺尔站近工频次同步振荡抑制试验波形,试验开始前,现场柔直控制系统已升级至本文提出的电压单环控制策略,康巴诺尔站双极并网功率约920 MW,无功功率约0 Mvar。

      图10 近工频次同步振荡抑制现场波形
      Fig. 10 Waveform of near-power-frequency sub-synchronous oscillation suppression

      初始状态下,柔直运行于电压单环控制策略,第0.2 s时,通过程序置数的方式,将柔直控制策略切换为原有的双闭环控制,系统出现振荡,交流电压和电流的振荡频率为44 Hz,复现出了原有控制策略的近工频次同步振荡现象,且该振荡有发散趋势。第0.7 s时,控制策略自动切换回电压单环控制策略,切换后振荡现象消失,近工频次同步振荡成功实现抑制。试验结果成功验证了电压单环控制策略在风电场接入柔直场景下的近工频次同步振荡抑制效果。

      5 结论

      风电场经柔直送出系统的近工频次同步产生的直接原因是由于风电场在近工频次同步频段呈现“感性负阻”,而采用双闭环控制的柔直呈现“容性正阻”特性,导致两者相位裕度不足。本文提出的电压单环控制策略重塑了柔直系统阻抗特性,将近工频次同步频段特性改变为感性,有效地解决振荡问题,振荡机理和抑制措施在张北工程现场试验得到了充分验证。截至目前,张北工程中都站和康巴诺尔站采用电压单环控制策略已运行1 a左右,在不同运行方式以及不同功率水平下系统运行稳定,未发生任何宽频振荡问题。

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      基金项目

      国家电网有限公司科技项目(5108-202218280A-2-312-XG)。

      Science and Technology Foundation of SGCC (5108-2022 18280A-2-312-XG).

      作者简介

      • 马秀达

        马秀达(1992),男,工程师,硕士,主要研究方向为柔性直流输电控制保护及成套设计。 通信作者,E-mail:maxiuda@nrec.com.

      • 卢宇

        卢宇(1979),男,硕士,研究员级高级工程师,主要研究方向为超高压直流输电及柔性直流输电,E-mail:luy@nrec.com.

      出版信息

      文章编号:2096-5125 (2025) 04-0489-08

      中图分类号:TM712;TM721.1

      文献标志码:A

      DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.20240234

      收稿日期:2024-06-21

      修回日期:

      出版日期:2025-07-26

      引用信息: 马秀达,卢宇,汪楠楠等.张北柔直工程近工频次同步振荡机理及振荡抑制策略[J].全球能源互联网,2025,8(4):489-496 .MA Xiuda,LU Yu,WANG Nannan,et al.Mechanism and Mitigation Strategy of Near-power-frequency Sub-subsynchronous Oscillation in Zhangbei VSC-HVDC Project[J].Journal of Global Energy Interconnection,2025,8(4):489-496 (in Chinese).

      (责任编辑 张鹏)
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