風電柔直并網中次同步振蕩抑制策略

董佳洲, 趙巧娥

(山西大學 電力與建筑學院,山西 太原 030000)

0 引 言

近年來風電憑借著資源豐富和清潔環保等特點成為新能源發電的重點發展對象。但風電的遠距離傳輸問題卻成為目前制約風電進一步應用的關鍵點。目前的研究結果表明基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流輸電技術在進行風電等新能源并網時,具有模塊化程度高且無需無功補償等優勢,成為了新一代的理想解決方案[1]。

次同步振蕩(subsynchronous oscillation,SSO)問題是電力系統的一個重要研究課題[2]。次同步振蕩是指小于工頻50 Hz,但是又遠大于低頻振蕩(0.5～2 Hz)的振蕩現象。

隨著柔性直流輸電技術的不斷應用,國內外曾發生過多次次同步振蕩事故:2014年,南澳直流輸電并網工程在風電場傳輸的功率不斷增加時,系統發生了劇烈的次同步振蕩。國外某個柔直工程在調試的過程中,當風電場接入柔直輸電線路時系統出現了頻率為30 Hz的次同步振蕩,從而導致整個系統停運[3-5]。

本文以海上雙饋風電場經柔直并網引起的系統次同步振蕩為研究對象,基于阻抗分析法探究了次同步振蕩的產生機理,提出一種協同作用的附加阻尼控制措施。最后,通過MATLAB/Simulink仿真平臺,搭建柔直并網系統的仿真模型,驗證所提出策略的正確性。

1 互聯系統的阻抗建模

1.1 系統結構

圖1為風電場經MMC-HVDC并網系統結構示意圖。MMC-HVDC系統包含兩個換流站,分別為風電場側換流站(wind farm side MMC,WFMMC)和電網側換流站(grid side MMC,GSMMC)[6]。

圖1 風電場經MMC-HVDC并網結構示意圖

1.2 DFIG雙饋風機阻抗模型

DFIG雙饋風機通常由軸承、轉子和定子所組成。

雙饋風機的阻抗特性方程為:

(1)

式中:Zr、Zs分別為DFIG轉、定子的等效阻抗;Zm為互感抗;Zrsc、Zgsc分別為轉子側換流器阻抗和網側換流器阻抗。

1.3 MMC-HVDC阻抗模型

本文主要研究雙饋風電場經柔直并網引發的次同步振蕩問題,GSMMC旨在控制直流母線和無功交換,其對WFMMC無影響,因此只需建立WFMMC的阻抗模型。

圖2 MMC單相等效電路

據圖2進行小信號頻域分析可得:

(2)

忽略高頻和環流影響時:

(3)

此時:

(4)

(5)

其中:

(6)

式中:m為MMC的調制度;IWF、φ分別為交流電流的幅值和相角。

1.4 阻抗模型驗證

為驗證阻抗模型的正確性,可將數據代入阻抗模型,從而求出其計算值。圖3為風電柔直并網系統附加小擾動電流信號模型示意圖。圖3中,風電場和WFMMC兩側各并聯一個電流源,測量產生的電壓,由此可得仿真值并畫出阻抗頻率響應曲線;對比計算值和仿真值,即可驗證阻抗模型的正確性。

圖3 附加小擾動電流信號模型示意圖

圖4和圖5分別為雙饋風場和WFMMC的阻抗頻率響應曲線,由圖可看出雙饋風場和WFMMC各自的計算值和仿真值相符合,驗證了阻抗模型的有效性。

圖4 雙饋風場阻抗頻率響應曲線

圖5 WFMMC阻抗頻率響應曲線

2 次同步振蕩的機理分析

2.1 基于RLC串聯諧振電路的阻抗機理解釋

并網系統的阻抗模型由等效電阻和電抗組成。系統的阻抗可表示為雙饋風電場、線路和WFMMC阻抗之和,表示為:

(7)

式中:RDFIG、RL、RWFMMC和XDFIG、XL、XWFMMC分別為雙饋風電場、線路、WFMMC的電阻和電抗值。

根據前文得出的頻率阻抗特性及式(7),可繪制出系統的阻抗頻率曲線。

圖6為風電柔直系統的等效頻率阻抗曲線。當XΣ=0時,其對應的頻率為fsso,若該頻率對應的RΣ<0,則此時系統就會發生發生次同步振蕩。其原理為,當RΣ<0時系統整體為負阻尼特性,若此時XΣ=0,即系統的等效電感等于電容,則系統就會發生次此同步振蕩。

圖6 系統虛擬阻抗頻率曲線

針對系統的次同步振蕩問題,可通過在風機轉子側換流器和WFMMC中改進或附加新的控制環節,達到對各自交流側阻抗整形的目的,從而實現對次同步振蕩的抑制。

2.2 雙饋風機轉子側附加阻尼控制機理分析

對于風電場而言提高在諧振頻率處阻抗可以有效控制次同步振蕩的問題。如圖7所示,通過在雙饋風機轉子側附加阻尼控制實現對抑制次同步振蕩。

圖7 風機附加阻尼控制框圖

輸入信號在經過隔直濾波、相位補償、增益和限幅環節后生成附加信號。其傳遞框圖如圖8所示。

圖8 阻尼控制結構圖

圖9為風機附加阻尼控制后的風電場頻率響應曲線,可以看出風電場在諧振頻率處的阻抗得到了提高,達到抑制次同步振蕩的目的。

圖9 附加阻尼控制后雙饋風場阻抗頻率響應曲線

2.3 WFMMC附加環流控制器對振蕩特性影響分析

MMC的內部存在環流,會使橋臂電流發生畸變,增大換流器損耗。MMC的橋臂等效串聯電阻較小,是產生環流諧振現象的關鍵?？稍赪FMMC內部附加環流抑制器,其在抑制環流的同時,還有增大系統阻尼的作用。圖10為環流器控制框圖。

圖10 環流控制器控制框圖

由圖10可得:

(8)

式中:Hc為內部環流抑制器的比例積分系數;Kc為內部環流抑制器的交叉耦合增益。

環流控制器產生的參考電壓為:

(9)

進行小信號頻域分析可得:

(10)

其中:

(11)

此時,WFMMC小信號阻抗為:

(12)

圖11為加入環流控制后WFMMC阻抗頻率響應曲線,與圖5相比可看出在加入環流控制環節后,有效抑制了WFMMC的阻抗諧振峰。

圖11 加入環流控制后WFMMC阻抗頻率響應曲線

3 仿真結果與分析

為驗證所提出的協同附加阻尼控制策略和理論分析的正確性,根據圖1所示的風電柔直并網系統結構示意圖,基于MATLAB/Simulink平臺搭建了系統仿真模型,在仿真進行1 s時加入協同附加阻尼控制策略,從而驗證策略的正確性。

圖12為WFMMC中三相電壓電流波。由圖可以看出,在1 s前WFMMC中電流發生嚴重的畸變,互聯系統不穩定,對整個并網系統產生嚴重的威脅。當在1 s時加入了協同附加阻尼控制后,有效地抑制了次同步振蕩,體現出所加控制策略具有較好的動態調節效果,使互聯系統迅速趨于穩定。

圖12 WFMMC三相交流電壓電流波形

圖13為直流母線電壓波形。由圖13可知,在1 s前電壓產生不規則振蕩,當加入協同附加阻尼控制策略后電壓迅速趨于穩定,再次驗證了所提方法的正確性。

圖13 直流母線電壓波形

4 結束語

本文研究了雙饋風電場經MMC-HVDC并網系統的次同步振蕩問題,提出了協同作用的附加阻尼控制方案,搭建了系統的模型并進行了驗證?；谧杩鼓Ｐ头治隽讼到y次同步振蕩的產生機理,得到以下結論:在協同作用的附加阻尼控制情況下,雙饋風電場經MMC-HVDC并網系統中的次同步振蕩得到了有效的抑制。