基于负电阻效应的风电场宽频振荡风险评估方法

2023-11-10邢法财马琳琳苗伟威

山东电力技术 2023年10期

邢法财，马琳琳，陈蕊，周宁，苗伟威

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003；2.国网山东省电力公司，山东济南 250001；3.国网山东省电力公司济南供电公司，山东济南 250012）

0 引言

随着“双碳”目标的提出，我国风力发电得到快速发展。但是，由于风力发电机组的电力电子特性，其并网也给电网带来一些问题，诸如惯量无功支撑能力不足［1-3］、暂态过电压［4-6］、宽频振荡问题［7-9］等。风电并网引起的宽频振荡问题不同于以往传统电力系统中出现的振荡问题，属于新型电力系统所特有的问题，深刻地影响着以新能源为主体的新型电力系统建设进程，为此，须对风电场的宽频振荡风险评估方法进行研究，保证风力发电的安全稳定并网。

风电并网引起的宽频振荡问题，最早发现于2009 年美国得克萨斯州地区的风电场，而后国内河北沽源地区、新疆哈密地区风电场也先后出现了次/超同步振荡现象，进而受到广大专家学者的关注。针对风电并网引起的宽频振荡问题，现有的理论研究较多，主要存在两大类研究方法，一类是从小干扰稳定性分析出发，基于时域状态空间模型对风电场并网的宽频振荡问题进行研究，如文献［10］基于状态空间法对双馈风电场经串补送出时出现的次同步振荡问题进行分析；文献［11］考虑双馈风机背靠背换流器的控制器结构，建立较为完善的双馈风机时域状态空间模型；文献［12］考虑双馈风机的轴系动态特性，建立更为完善的双馈风机时域状态空间模型；文献［13］提出更为简便的状态空间模型建立方法，并针对双馈风电场经串补送出时出现的次同步振荡问题进行研究。另一类是从电力电子设备的稳定性评估出发，基于频域阻抗模型对风电场并网的宽频振荡问题进行评估，如文献［14］提出建立风电机组阻抗模型的基本方法，并基于阻抗模型对风电机组并网引起的振荡问题进行研究；文献［15］提出基于阻抗模型的奈奎斯特稳定判据，对双馈风电场经串补送出时出现的次同步振荡问题进行研究；文献［16］提出三相两电平电力电子变流器的统一阻抗建模方法，对不同坐标系下的阻抗模型进行统一；文献［17］提出三相两电平电力电子变流器的广义阻抗模型及其对应的广义稳定判据；文献［18］基于阻抗模型提出了新能源发电基地的阻抗/导纳网络建模方法，并对新能源发电基地的振荡问题进行研究。考虑到风力发电机组主要由电力电子设备构成，电力电子设备的阻抗建模可以通过量测的方式获得，较为便捷，因此基于频域阻抗模型的分析方法得到了较为广泛的应用，例如，文献［19］采用阻抗分析法对直驱风电场经柔性直流输电并网引发的宽频振荡问题进行研究，并提出参数调整的宽频振荡抑制策略；文献［20］针对双馈风电场经串补并网引起的次同步振荡问题，基于阻抗分析法提出一种基于变风况阻抗优化重塑的次同步振荡抑制策略；文献［21］考虑电力网络谐振结构，采用基于阻抗模型的s 域节点导纳矩阵法分析双馈风电场经串补并网引起的次同步振荡问题，并提出基于旁路阻尼滤波器的振荡抑制策略。上述方法，从理论层面很好地阐述了风电并网的振荡机理及抑制措施，但其分析过程均较为繁琐复杂，缺乏一定的工程实用性。

鉴于基于频域阻抗模型分析方法的便捷性，基于风力发电机组的频域阻抗模型，从负电阻效应理论［22-23］出发提出一种适用于工程应用的风电场宽频振荡风险评估方法，并结合山东省内某直驱风电场的收集资料，对该风电场的宽频振荡风险进行评估。

1 宽频振荡风险评估方法

基于风力发电机组的频域阻抗模型，从负电阻效应理论出发，提出风电场宽频振荡风险评估方法如图1 所示。

图1 风电场宽频振荡风险评估流程Fig.1 Flow chart of wide-band oscillation risk assessment for wind farm

第一步为风电场评估收集资料。具体资料包括风电场内部拓扑结构、风电场内风电机组、箱式变压器、集电线路、升压变压器等主要电力设备的参数等。需要说明的是各项收资数据应与风电场实际情况相一致，特别是风电机组换流器的相关参数。

第二步为风电机组阻抗特性扫描。阻抗扫描采用测试信号法，通过搭建风电机组的电磁暂态模型，采用测试信号法对其端口阻抗特性进行扫描，考虑风电机组不同运行工况的影响。测试信号法的基本原理为在风电机组端口电压中添加不同频率的扰动分量，然后通过测量风电机组的端口电流，进行傅里叶分析得到对应频率的电流扰动分量，二者做商即为风电机组在对应频率下的端口阻抗。

第三步为风电场整体阻抗分析。阻抗分析基于电路分析理论，结合风电场的拓扑结构、风电机组的阻抗特性扫描结果以及风电场内主要电力设备的阻抗模型对风电场整体阻抗进行分析，考虑风电场不同运行方式的影响。电路分析理论的基本原理为拓扑约束和元件约束两大约束，即基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律以及元件阻抗特性。

第四步为风电场振荡风险评估。风险评估基于负电阻效应理论，通过组合分析电网阻抗和风电场整体阻抗，对风电场振荡风险进行评估，考虑电网阻抗特性的差异。负电阻效应理论的基本原理为如果系统的谐振频率点位于电力电子设备的负电阻效应频段，且系统的正电阻不足以抵消电力电子设备的负电阻时，系统便会存在一定的谐振不稳定风险。

2 风电场算例

所选取的风电场算例为位于山东滨州地区的某直驱风电场，总装机容量为95 MW，为山东境内较为典型的直驱风电场。

2.1 拓扑结构

该风电场内共有38 台2.5 MW 风机，经由4 条35 kV 集电线路汇集，统一由1 台升压变压器送出，其内部拓扑结构如图2 所示。

图2 风电场内部拓扑结构Fig.2 Internal topology of wind farm

2.2 设备参数

为评估该风电场的宽频振荡风险，对风电场内部风电机组、集电线路、升压变压器等电力设备进行收资，该风电场内各电力设备的基本情况如表1—表4 所示。

表1 风电机组基本参数Table 1 Parameters of wind power generator

表2 箱式变压器基本参数Table 2 Parameters of box-type transformer

表3 35 kV集电线路基本参数Table 3 Parameters of 35 kV collector-line

表4 升压变压器基本参数Table 4 Parameters of step-up transformer

3 风电机组阻抗特性扫描

现有研究［21］表明，风电场的宽频振荡问题主要由风电机组等电力电子设备的负电阻效应所引起，由于风电场并网系统的谐振频率点位于风电机组的负电阻效应频段，且并网系统的正电阻不足以抵消风电机组的负电阻，因而风电场并网系统出现了振荡问题。

为此，结合收资信息搭建风电机组的电磁暂态仿真模型，并采用测试信号法对不同工况下风电机组的宽频端口阻抗特性进行扫描分析。

根据某2.5 MW（GW2.5-140）风电机组的收资信息，在ADPSS 电磁暂态仿真软件中搭建该风电机组的电磁暂态仿真模型，包括风电机组的发电机、机侧换流器、网侧换流器及其换流器的测量与控制系统，其结构示意图如图3 所示。需要说明的是，换流器的测量与控制系统可由厂家控制器源码封装而成，控制特性与实际风电机组相一致。

图3 风电机组的结构示意图Fig.3 Structure schematic diagram of wind power generator

基于所搭建的风电机组电磁暂态仿真模型，采用测试信号法对不同工况下GW2.5-140 风电机组的宽频端口阻抗特性进行了扫描分析，测试信号法的基本操作流程如图4 所示。

图4 测试信号法的流程Fig.4 Flow chart of test-signal method

首先，需要设定扰动电压源的幅值和相角，一般情况下扰动电压源的幅值为理想电压源幅值的1%左右，不会影响到系统的稳态运行点，a 相相角一般设置为0。

然后，需要设定扰动电压源的扫描起点、扫描步长和扫描终点，扫描步长根据扫描起点、扫描终点和频率点数确定。一般情况下，一次仿真扫描所添加的测试频率点为5 个左右。

接下来，进行电磁暂态仿真获取风电机组的三相端口电压和电流，需要说明的是，仿真时长应能满足傅里叶频谱分析的需要，应为施加扰动后的5～10 s。

最后，对风电机组的三相端口电压和电流进行傅里叶分析，找到测试频率点对应的电压和电流进行阻抗计算即可。

考虑风电机组不同的出力组合，GW2.5-140 风电机组在有功功率变化的工况下的宽频端口阻抗特性扫描结果如图5 所示，在无功功率变化的工况下的宽频端口阻抗特性扫描结果如图6 所示。

图5 有功功率变化工况下风机宽频阻抗特性Fig.5 Wide-band impedance characteristics of wind power generator with the change of active power

图6 无功功率变化工况下风机宽频阻抗特性Fig.6 Wide-band impedance characteristics of wind power generator with the change of reactive power

从图5 和图6 可以看出，在上述不同工况下GW2.5-140 风电机组的端口阻抗在1～200 Hz 频率范围内均存在一定的负电阻效应频段，主要位于40 Hz 附近，存在一定的宽频振荡风险。

另外，GW2.5-140 风电机组在1～200 Hz 频率范围内的阻抗特性受工况影响较大，尤其是在涉及负电阻效应的频段，因此在评估该风电场的宽频振荡风险时须特别考虑工况的影响。

4 风电场阻抗特性分析

在风电机组宽频阻抗特性扫描分析的基础上，基于电路分析理论可进一步分析风电场的整体阻抗特性，以便准确评估该风电场的宽频振荡风险。

电路分析理论的基本原理为拓扑约束和元件约束两大约束，即基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律以及元件阻抗特性。

为此，建立变压器、集电线路等无源电力设备的阻抗模型，并分析不同运行方式下风电场的宽频端口阻抗特性。

4.1 设备阻抗模型

1）变压器的阻抗模型。

忽略变压器激磁支路的影响，变压器的阻抗电路可以用电阻、电感及非标变比的串联电路进行模拟，如图7 所示。图中，k为变压器的非标变比，RT为变压器的电阻，XT为变压器的基频电抗，fk为扫描频率，f1为系统工频。

图7 变压器的阻抗电路Fig.7 Impedance circuit of transformer

2）输电线路的阻抗模型。

鉴于集电线路的长度角度，其导纳支路可忽略不计，因此，集电线路的阻抗电路可以用电阻和电感的串联电路进行模拟，如图8 所示。图中，RL为集电线路的电阻，XL为集电线路的基频电抗。

图8 集电线路的阻抗电路Fig.8 Impedance circuit of collector-line

4.2 整体阻抗特性

结合风电场内部网架拓扑及无源电力设备的阻抗模型，考虑风电场内不同的运行方式，该风电场在不同运行方式下的整体阻抗特性如图9所示。

图9 风电场整体阻抗特性Fig.9 Overall impedance characteristics of wind farm

从图9 可以看出，在上述不同运行方式下该风电场整体阻抗在1～200 Hz 频率范围内均存在一定的负电阻效应频段，主要位于40 Hz 附近，存在一定的宽频振荡风险。在涉及负电阻效应的1～200 Hz频率范围内，该风电场的阻抗特性受运行方式影响较小，因此在分析该风电场的宽频振荡风险时可不考虑运行方式的影响。