微信客服
微信公眾號
穩定性研究是電力系統中非常經典的研究課題。以往，電力系統穩定性問題主要關注與同步穩定性相關的功角振蕩問題，如暫態穩定性和低頻振蕩等；但隨著新能源的大規模開發，如風力發電、光伏發電等，非同步機電源在電網中的占比越來越大，出現了有別于傳統功角振蕩的網絡諧振不穩定問題，如河北沽源風電場的振蕩事故和新疆哈密風電場的振蕩事故等。盡管網絡諧振不穩定問題在發電廠經串聯補償線路送出時已經出現，習慣上稱此種諧振不穩定為次同步諧振(sub-synonous resonance, SSR)問題；然而，在大量基于電力電子裝置的非同步機電源接入電網后，網絡諧振不穩定問題就變成了一個普遍性的問題，且諧振的頻率可以遠遠超出次同步頻率范圍，達到1 000 Hz的頻率范圍。
事實上，電力電子裝置在一定的頻段內會存在負電阻效應；當電力系統中網絡的固有電阻不足以抵消裝置引起的負電阻時，原先穩定的諧振模式就有可能變得諧振不穩定，且可能與發電機軸系相互作用而引起機網復合共振，從而導致嚴重的電網事故。
因此，對非同步機電源接入電網后的諧振問題進行分析和抑制，成為電網規劃和運行中必須要進行的工作。開發適合于電力系統常規思維的覆蓋全網所有元件的網絡諧振穩定性評估方法，具有重要的理論意義和應用價值。
02、研究方法
本文提出了一種基于s域節點導納矩陣的網絡諧振結構分析方法，用以分析和抑制含非同步機電源電力系統的諧振問題。其優點在于結合了阻抗模型和節點導納矩陣的優點。
1）非同步機電源的阻抗模型可以通過量測手段獲得，而不依賴于其內部結構和參數，適用于工程實際；而且它能夠很好地描述控制器的動態特性。
2） 節點導納矩陣易于構建，物理概念清晰，且變量具有獨立完備性，能夠很好地描述電力系統網架的動態特性。
s域節點導納矩陣法的核心思想是通過求解電力系統s域節點導納矩陣行列式的零根及其行列式零根下對應零特征根的右特征向量來分析電力系統的網絡諧振結構。
s域節點導納矩陣行列式的零根即為電力系統的網絡諧振模式，其實部反映了諧振模式的阻尼，而其虛部反映了諧振模式的頻率。它與電力系統狀態空間描述下的特征根相一致。另外，對于單端口系統，s域節點導納矩陣法的零根求解方程與阻抗分析法的穩定判據方程相一致。
s域節點導納矩陣行列式零根下對應零特征根的右單位特征向量即為諧振模式的振型向量。它描述了在某一諧振模式下主導模態量在各節點電壓中的表現程度，反映了該諧波模式下各節點電壓的相對振蕩形式以及諧振模式的振蕩類型。
另外，為確定諧振模式的主要影響區域和敏感元件參數，本文還提出了兩個描述諧振模式的特征指標——節點參與因子矩陣和元件參數靈敏度。
諧振模式的節點參與因子矩陣指標定義為s域節點導納矩陣行列式零根下對應零特征根的右單位特征向量和左單位特征向量的乘積。其第i行第j列元素反映了在某一諧振模式下節點i注入電流對節點j電壓的影響程度。它可以用來確定諧振模式的主要影響區域，以及選擇諧振模式的最佳觀察節點和測試節點。
諧振模式的元件參數靈敏度指標定義為諧振模式對元件參數的偏導數。它反映了在某一諧振模式下元件參數的微變化對諧振模式阻尼頻率的影響程度。它可以用來確定諧振模式的敏感元件參數，以便提出相應的參數調整策略。
03、算例及分析
為驗證本文所提出方法的有效性，本文基于IEEE 39節點系統構造了一個風電場串聯補償并網系統，并據此對含非同步機電源電力系統的諧振問題進行分析和抑制。
圖1 基于IEEE 39節點改造的風電串聯補償并網系統
采用s域節點導納矩陣法對該系統在0~1500 Hz頻率范圍內進行諧振結構分析，可以發現該電力系統在0 ~1500 Hz頻率范圍內存在23個諧振模式，在次同步頻率范圍內存在一個不穩定的諧振模式 (29.3 Hz)，存在諧振不穩定的風險。
為探究29.3 Hz諧振模式的不穩定機理，本文進一步對該諧振模式進行節點電壓振型分析，振型圖如圖2所示。
圖2 29.3 Hz諧振模式的節點電壓振型圖
由圖2可以看出，風電場節點a2和a1的振型幅值較大，且其振型相位與電網節點25和 37等節點的振型相位完全相反，因此，29.3 Hz諧振模式主要是由雙饋風電場接入所引起，表現為雙饋風電場節點對電網節點的反相諧振。
為對該諧振模式加以抑制，本文又分析了29.3 Hz諧振模式的節點參與因子指標和元件參數靈敏度指標。通過分析其節點參與因子矩陣，可以發現29.3 Hz諧振模式的主要參與節點是a2，a1，25，37，2，26，即主要影響區域為風電并網的25節點附近區域。另外，該區域內元件參數靈敏度的分析表明風電并網的串聯補償電容和線路電感對該諧振模式的諧振頻率影響較大，而風電并網的線路電阻對該諧振模式的衰減因子影響較大。
為了有效抑制這一諧振模式，本文通過調整風電并網的線路電阻這一參數來改善其穩定性。通過調整可以發現，該參數調整策略確實可以有效提高29.3 Hz諧振模式的阻尼，且具有針對性，對其他諧振模式的影響不大。
但需要注意的是，本文所述的線路電阻調整策略主要是為了驗證基于參數靈敏度指標制訂抑制策略在理論上的可行性，在實際電網中該方案仍需進行進一步的論證，需要綜合考慮建設成本等諸多條件。今后將考慮通過改進電力電子裝置的控制方式或采用有源元件來提高諧振阻尼，以改善系統的諧振結構。
事實上，電力電子裝置在一定的頻段內會存在負電阻效應；當電力系統中網絡的固有電阻不足以抵消裝置引起的負電阻時，原先穩定的諧振模式就有可能變得諧振不穩定，且可能與發電機軸系相互作用而引起機網復合共振，從而導致嚴重的電網事故。
因此，對非同步機電源接入電網后的諧振問題進行分析和抑制，成為電網規劃和運行中必須要進行的工作。開發適合于電力系統常規思維的覆蓋全網所有元件的網絡諧振穩定性評估方法，具有重要的理論意義和應用價值。
02、研究方法
本文提出了一種基于s域節點導納矩陣的網絡諧振結構分析方法，用以分析和抑制含非同步機電源電力系統的諧振問題。其優點在于結合了阻抗模型和節點導納矩陣的優點。
1）非同步機電源的阻抗模型可以通過量測手段獲得，而不依賴于其內部結構和參數，適用于工程實際；而且它能夠很好地描述控制器的動態特性。
2） 節點導納矩陣易于構建，物理概念清晰，且變量具有獨立完備性，能夠很好地描述電力系統網架的動態特性。
s域節點導納矩陣法的核心思想是通過求解電力系統s域節點導納矩陣行列式的零根及其行列式零根下對應零特征根的右特征向量來分析電力系統的網絡諧振結構。
s域節點導納矩陣行列式的零根即為電力系統的網絡諧振模式，其實部反映了諧振模式的阻尼，而其虛部反映了諧振模式的頻率。它與電力系統狀態空間描述下的特征根相一致。另外，對于單端口系統，s域節點導納矩陣法的零根求解方程與阻抗分析法的穩定判據方程相一致。
s域節點導納矩陣行列式零根下對應零特征根的右單位特征向量即為諧振模式的振型向量。它描述了在某一諧振模式下主導模態量在各節點電壓中的表現程度，反映了該諧波模式下各節點電壓的相對振蕩形式以及諧振模式的振蕩類型。
另外，為確定諧振模式的主要影響區域和敏感元件參數，本文還提出了兩個描述諧振模式的特征指標——節點參與因子矩陣和元件參數靈敏度。
諧振模式的節點參與因子矩陣指標定義為s域節點導納矩陣行列式零根下對應零特征根的右單位特征向量和左單位特征向量的乘積。其第i行第j列元素反映了在某一諧振模式下節點i注入電流對節點j電壓的影響程度。它可以用來確定諧振模式的主要影響區域，以及選擇諧振模式的最佳觀察節點和測試節點。
諧振模式的元件參數靈敏度指標定義為諧振模式對元件參數的偏導數。它反映了在某一諧振模式下元件參數的微變化對諧振模式阻尼頻率的影響程度。它可以用來確定諧振模式的敏感元件參數，以便提出相應的參數調整策略。
03、算例及分析
為驗證本文所提出方法的有效性，本文基于IEEE 39節點系統構造了一個風電場串聯補償并網系統，并據此對含非同步機電源電力系統的諧振問題進行分析和抑制。
圖1 基于IEEE 39節點改造的風電串聯補償并網系統
采用s域節點導納矩陣法對該系統在0~1500 Hz頻率范圍內進行諧振結構分析，可以發現該電力系統在0 ~1500 Hz頻率范圍內存在23個諧振模式，在次同步頻率范圍內存在一個不穩定的諧振模式 (29.3 Hz)，存在諧振不穩定的風險。
為探究29.3 Hz諧振模式的不穩定機理，本文進一步對該諧振模式進行節點電壓振型分析，振型圖如圖2所示。
圖2 29.3 Hz諧振模式的節點電壓振型圖
由圖2可以看出，風電場節點a2和a1的振型幅值較大，且其振型相位與電網節點25和 37等節點的振型相位完全相反，因此，29.3 Hz諧振模式主要是由雙饋風電場接入所引起，表現為雙饋風電場節點對電網節點的反相諧振。
為對該諧振模式加以抑制，本文又分析了29.3 Hz諧振模式的節點參與因子指標和元件參數靈敏度指標。通過分析其節點參與因子矩陣，可以發現29.3 Hz諧振模式的主要參與節點是a2，a1，25，37，2，26，即主要影響區域為風電并網的25節點附近區域。另外，該區域內元件參數靈敏度的分析表明風電并網的串聯補償電容和線路電感對該諧振模式的諧振頻率影響較大，而風電并網的線路電阻對該諧振模式的衰減因子影響較大。
為了有效抑制這一諧振模式，本文通過調整風電并網的線路電阻這一參數來改善其穩定性。通過調整可以發現，該參數調整策略確實可以有效提高29.3 Hz諧振模式的阻尼，且具有針對性，對其他諧振模式的影響不大。
但需要注意的是，本文所述的線路電阻調整策略主要是為了驗證基于參數靈敏度指標制訂抑制策略在理論上的可行性，在實際電網中該方案仍需進行進一步的論證，需要綜合考慮建設成本等諸多條件。今后將考慮通過改進電力電子裝置的控制方式或采用有源元件來提高諧振阻尼，以改善系統的諧振結構。
0 條