风电柔直并网中次同步振荡抑制策略

董佳洲, 赵巧娥

(山西大学 电力与建筑学院,山西 太原 030000)

0 引 言

近年来风电凭借着资源丰富和清洁环保等特点成为新能源发电的重点发展对象。但风电的远距离传输问题却成为目前制约风电进一步应用的关键点。目前的研究结果表明基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术在进行风电等新能源并网时,具有模块化程度高且无需无功补偿等优势,成为了新一代的理想解决方案[1]。

次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)问题是电力系统的一个重要研究课题[2]。次同步振荡是指小于工频50 Hz,但是又远大于低频振荡(0.5～2 Hz)的振荡现象。

随着柔性直流输电技术的不断应用,国内外曾发生过多次次同步振荡事故:2014年,南澳直流输电并网工程在风电场传输的功率不断增加时,系统发生了剧烈的次同步振荡。国外某个柔直工程在调试的过程中,当风电场接入柔直输电线路时系统出现了频率为30 Hz的次同步振荡,从而导致整个系统停运[3-5]。

本文以海上双馈风电场经柔直并网引起的系统次同步振荡为研究对象,基于阻抗分析法探究了次同步振荡的产生机理,提出一种协同作用的附加阻尼控制措施。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台,搭建柔直并网系统的仿真模型,验证所提出策略的正确性。

1 互联系统的阻抗建模

1.1 系统结构

图1为风电场经MMC-HVDC并网系统结构示意图。MMC-HVDC系统包含两个换流站,分别为风电场侧换流站(wind farm side MMC,WFMMC)和电网侧换流站(grid side MMC,GSMMC)[6]。

图1 风电场经MMC-HVDC并网结构示意图

1.2 DFIG双馈风机阻抗模型

DFIG双馈风机通常由轴承、转子和定子所组成。

双馈风机的阻抗特性方程为:

(1)

式中:Zr、Zs分别为DFIG转、定子的等效阻抗;Zm为互感抗;Zrsc、Zgsc分别为转子侧换流器阻抗和网侧换流器阻抗。

1.3 MMC-HVDC阻抗模型

本文主要研究双馈风电场经柔直并网引发的次同步振荡问题,GSMMC旨在控制直流母线和无功交换,其对WFMMC无影响,因此只需建立WFMMC的阻抗模型。

图2 MMC单相等效电路

据图2进行小信号频域分析可得:

(2)

忽略高频和环流影响时:

(3)

此时:

(4)

(5)

其中:

(6)

式中:m为MMC的调制度;IWF、φ分别为交流电流的幅值和相角。

1.4 阻抗模型验证

为验证阻抗模型的正确性,可将数据代入阻抗模型,从而求出其计算值。图3为风电柔直并网系统附加小扰动电流信号模型示意图。图3中,风电场和WFMMC两侧各并联一个电流源,测量产生的电压,由此可得仿真值并画出阻抗频率响应曲线;对比计算值和仿真值,即可验证阻抗模型的正确性。

图3 附加小扰动电流信号模型示意图

图4和图5分别为双馈风场和WFMMC的阻抗频率响应曲线,由图可看出双馈风场和WFMMC各自的计算值和仿真值相符合,验证了阻抗模型的有效性。

图4 双馈风场阻抗频率响应曲线

图5 WFMMC阻抗频率响应曲线

2 次同步振荡的机理分析

2.1 基于RLC串联谐振电路的阻抗机理解释

并网系统的阻抗模型由等效电阻和电抗组成。系统的阻抗可表示为双馈风电场、线路和WFMMC阻抗之和,表示为:

(7)

式中:RDFIG、RL、RWFMMC和XDFIG、XL、XWFMMC分别为双馈风电场、线路、WFMMC的电阻和电抗值。

根据前文得出的频率阻抗特性及式(7),可绘制出系统的阻抗频率曲线。

图6为风电柔直系统的等效频率阻抗曲线。当XΣ=0时,其对应的频率为fsso,若该频率对应的RΣ<0,则此时系统就会发生发生次同步振荡。其原理为,当RΣ<0时系统整体为负阻尼特性,若此时XΣ=0,即系统的等效电感等于电容,则系统就会发生次此同步振荡。

图6 系统虚拟阻抗频率曲线

针对系统的次同步振荡问题,可通过在风机转子侧换流器和WFMMC中改进或附加新的控制环节,达到对各自交流侧阻抗整形的目的,从而实现对次同步振荡的抑制。

2.2 双馈风机转子侧附加阻尼控制机理分析

对于风电场而言提高在谐振频率处阻抗可以有效控制次同步振荡的问题。如图7所示,通过在双馈风机转子侧附加阻尼控制实现对抑制次同步振荡。

图7 风机附加阻尼控制框图

输入信号在经过隔直滤波、相位补偿、增益和限幅环节后生成附加信号。其传递框图如图8所示。

图8 阻尼控制结构图

图9为风机附加阻尼控制后的风电场频率响应曲线,可以看出风电场在谐振频率处的阻抗得到了提高,达到抑制次同步振荡的目的。

图9 附加阻尼控制后双馈风场阻抗频率响应曲线

2.3 WFMMC附加环流控制器对振荡特性影响分析

MMC的内部存在环流,会使桥臂电流发生畸变,增大换流器损耗。MMC的桥臂等效串联电阻较小,是产生环流谐振现象的关键。可在WFMMC内部附加环流抑制器,其在抑制环流的同时,还有增大系统阻尼的作用。图10为环流器控制框图。

图10 环流控制器控制框图

由图10可得:

(8)

式中:Hc为内部环流抑制器的比例积分系数;Kc为内部环流抑制器的交叉耦合增益。

环流控制器产生的参考电压为:

(9)

进行小信号频域分析可得:

(10)

其中:

(11)

此时,WFMMC小信号阻抗为:

(12)

图11为加入环流控制后WFMMC阻抗频率响应曲线,与图5相比可看出在加入环流控制环节后,有效抑制了WFMMC的阻抗谐振峰。

图11 加入环流控制后WFMMC阻抗频率响应曲线

3 仿真结果与分析

为验证所提出的协同附加阻尼控制策略和理论分析的正确性,根据图1所示的风电柔直并网系统结构示意图,基于MATLAB/Simulink平台搭建了系统仿真模型,在仿真进行1 s时加入协同附加阻尼控制策略,从而验证策略的正确性。

图12为WFMMC中三相电压电流波。由图可以看出,在1 s前WFMMC中电流发生严重的畸变,互联系统不稳定,对整个并网系统产生严重的威胁。当在1 s时加入了协同附加阻尼控制后,有效地抑制了次同步振荡,体现出所加控制策略具有较好的动态调节效果,使互联系统迅速趋于稳定。

图12 WFMMC三相交流电压电流波形

图13为直流母线电压波形。由图13可知,在1 s前电压产生不规则振荡,当加入协同附加阻尼控制策略后电压迅速趋于稳定,再次验证了所提方法的正确性。

图13 直流母线电压波形

4 结束语

本文研究了双馈风电场经MMC-HVDC并网系统的次同步振荡问题,提出了协同作用的附加阻尼控制方案,搭建了系统的模型并进行了验证。基于阻抗模型分析了系统次同步振荡的产生机理,得到以下结论:在协同作用的附加阻尼控制情况下,双馈风电场经MMC-HVDC并网系统中的次同步振荡得到了有效的抑制。