華北電大趙書強團隊:靜止同步串聯補償器抑制風電次同步振蕩方法

2020-12-14 電氣新科技

團隊介紹

華北電力大學「多能源系統優化與穩定技術研究」研究團隊，負責人為趙書強教授，團隊現有成員8人，其中教授2人（博導1人）、副教授2人、講師4人，6人具有博士學位。團隊主要研究方向為：電力系統分析與控制、電力系統規劃與可靠性、新能源電力系統。團隊近5年承擔國家級、省部級以及企事業單位委託科技項目30餘項，其中國家重點研發計劃子課題2項，國家自然科學基金2項，河北省自然科學基金3項；在國內外重要期刊發表被SCI/EI檢索論文100餘篇；出版學術專著2部，授權發明專利20餘項。

團隊成員曾獲省部級科技、教學成果獎勵10人次。其中，項目「電力系統振蕩的在線辨識與廣域自適應控制」獲2017年度河北省科學技術獎（技術發明獎）一等獎，研究成果已用於指導工程實際。團隊研發的「電力系統諧波分析軟體包」、「輸配電系統可靠性分析評估系統」、「電網穩定裕度分析軟體」、「負荷預測與分析系統」、「高壓直流輸電保護定值整定系統」等科研成果獲得了實際應用。

趙書強，教授，博士生導師，河北省優秀教師，現任華北電力大學電力工程系黨委書記。中國電機工程學會高級會員，河北省光伏產業技術研究院專家技術委員會副主任委員，中國電機工程學報、電工技術學報、電力系統自動化、電網技術等學術期刊審稿人。

高本鋒，博士，副教授，碩士生導師。主要研究方向為：直流輸電與FACTS技術、次同步振蕩分析與控制。主持國家自然基金項目1項，主持橫向課題10項，出版學術專著1部，發表被SCI/EI收錄期刊論文20餘篇。2017年，獲河北省科學技術獎（技術發明獎）一等獎1項。

導語

本文針對雙饋風電場經串補送出系統存在的次同步控制相互作用（SSCI）問題，提出一種應用靜止同步串聯補償器（SSSC）抑制SSCI的等效正電阻控制策略。該策略使接入線路中的SSSC輸出與線路次同步電流同相位的同頻次同步電壓，通過SSSC在系統振蕩頻率下等效為正電阻以增大系統總電阻，進而保證系統總電阻處於正值區間，從而使系統免於誘發SSCI的風險。

研究背景

現有針對雙饋風電場經串補送出系統的SSCI問題已提出諸多解決方案。

一方面，通過優化風電機組控制器參數改善系統在振蕩頻率下的弱阻尼特性；其次，通過在風電機組換流器控制中附加阻尼控制策略以抑制SSCI。針對風電機組自身提出的解決方案具有一定的應用價值，但目前投產運行的風電機組數目眾多，工程改造成本較大。

另一方面，現有文獻報導利用並聯型FACTS裝置抑制SSCI的附加控制策略。受系統網架結構的影響，抑制裝置注入電流存在分流稀釋現象，因而抑制效果有限。

然而，目前鮮有文獻研究串聯型FACTS抑制裝置，SSSC具有良好的控制靈活性，其在抑制火電次同步振蕩問題方面研究成果較多，同時世界首套單獨SSSC裝置已實現商業化運行，因此研究利用SSSC抑制風電SSCI問題具有實際工程意義。

主要內容及創新點

本文基於雙饋風電場經串補送出系統的SSCI問題，首先分析了SSCI的發生機理，圖1為DFIG接入串補系統在次同步頻率下的等效電路，採用該等效電路求取了系統等值阻抗，並進行了合理簡化分析，見式（1）；得出了系統等值電阻小於0是導致系統受到擾動後引發SSCI的主要原因。其次，基於提升系統在振蕩頻率下電阻的思路，介紹了SSSC抑制SSCI的原理圖，如圖2所示。

然後，介紹了SSSC抑制SSCI的控制策略，提出了SSSC附加有源電阻控制（Supplementary Active Resistance Control, SARC）策略，並對SARC策略參數進行了設計。最後，基於河北沽源雙饋風電經串補併網系統實際工程時域仿真模型，採用頻域及時域分析方法，仿真結果相互驗證了利用SSSC抑制SSCI的可行性及有效性。

圖1 系統在次同步頻率下的等效電路
公式1
圖2 SSSC抑制SSCI的原理

SSSC通過耦合變壓器串聯接入線路中，拓撲結構採用星形級聯H橋結構，其整體控制策略包含基本控制策略和附加有源電阻控制（SARC）策略，如圖3所示。

圖3 SSSC抑制SSCI的整體控制策略

SARC基於線路電流反饋信號中的次同步電流分量生成同相位的次同步電壓參考信號，其工作原理及構成如圖4所示，包括寬頻帶濾波器、相位校正環節及比例限幅3部分。

圖4 SARC的構成及原理

為了避免抑制初始時刻直流電容電壓波動較大並同時有效抑制SSCI，本文通過大量的數字仿真，選取系統在最惡劣的運行工況下，能夠抑制SSCI的最小增益Ku作為設定值。

下面對不同風速變化、串補度變化條件驗證SSSC抑制SSCI的有效性。

圖5 不同風速下頻域及時域仿真結果

上述仿真結果表明，在低風速工況下發生SSCI時，SSSC等效為正電阻抬升Req至正值區域，使系統不具備失穩的條件。

圖6 不同串補度下頻域及時域仿真結果

上述仿真結果表明，較高串補度運行工況下，SSSC仍可有效抑制SSCI。SSSC的抑制效果受系統運行工況的影響較小，顯著增強了系統的穩定性。

總結

基於雙饋風電場與串補系統發生SSCI的機理，提出利用SSSC產生正電阻的附加有源電阻控制（SARC）策略。通過在網側增加次同步振蕩頻率下的電阻，確保系統具有正電阻而不具備發生SSCI的條件。結合實際工程模型，頻域及時域仿真結果驗證了該策略的可行性及有效性。

與現有的附加控制策略參數對系統動態運行工況適用性較差相比，SARC參數整定簡便，並且在多種運行工況下均具有較好的適用性，因而工程應用性較強。

引用本文

高本鋒， 王飛躍， 於弘洋， 趙國亮， 邵冰冰， 趙書強. 應用靜止同步串聯補償器抑制風電次同步振蕩的方法[J]. 電工技術學報， 2020, 35(6): 1346-1356. Gao Benfeng, Wang Feiyue, Yu Hongyang, Zhao Guoliang, Shao Bingbing, Zhao Shuqiang. The Suppression Method of Wind Power Sub-Synchronous Oscillation Using Static Synchronous Series Compensator. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1346-1356.

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