新能源场合下火电机组附加励磁控制参数优化设计

李秀琴,石华栋,李志鹏

(1.北京国电电力有限公司上湾热电厂，内蒙古 鄂尔多斯 017209；2.神华国华九江发电有限责任公司，江西 九江 332000)

近年来，以风电为代表的新能源在世界范围内迅猛发展，其在电力系统中的装机容量占比不断提高。截至2016年底，我国风电并网容量已达1.49亿kW，预计2020年将达到2亿kW。然而，新能源机组由于并网形式和传统火电机组不一样，多以电力电子变流技术实现并网，存在与电网发生次同步谐振或振荡的问题；同时风电、光伏与无功补偿装置相互耦合，也有可能在新能源场站汇集地区激发次同步振荡；新能源场站与电网之间发生的振荡若振荡频率与火电机组轴系频率互补，则会进一步引起火电机组的扭振问题[1]。

2009年，美国得州双馈风机群与串补线路发生频率20Hz附近的次同步谐振现象，造成大量风机变流器损坏和脱网，这是世界上有报道的最早发生的双馈风机与系统之间的次同步振荡问题。在我国华北沽源地区也发生过类似的次同步振荡现象，风电集群与串补线路在风机轻载情况下产生次同步谐振，谐振频率在6～10 Hz之间随运行方式的变化而变化，造成变压器异常振动和风机脱网。此外，我国新疆哈密地区在2015年发生了更为复杂的风电集群的次同步振荡，振荡频率在25～30 Hz之间变化，振荡功率穿越35/110/220/500/750 kV 5个电压等级电网，引发距离300 km以外的多台高压直流配套火电机组扭振保护动作跳机[2]。

我国大部分的风电开发基地位于西北、东北、华北地区。在内蒙、甘肃、新疆等省份，风电、光伏装机占比已超过30%，振荡稳定性问题已经成为影响我国大规模风电并网安全稳定运行的主要挑战之一。本文以新疆哈密振荡事件为基础，分析了新能源场合下次同步振荡的特点，提出火电机组侧的应对措施，对附加励磁阻尼控制器的控制参数进行了优化，并通过现场试验进行了效果验证。

1 新能源场合下的次同步振荡特征分析

新疆输电网络架构复杂，火电、风电、光伏、直流交错传输，哈密地区风、光、火打捆的电源输送基地通过±800 kV直流输送至郑州。自2014年6月起，该地区广域测量系统经常监测到20～35 Hz的功率振荡，振荡幅值会超过基波功率的幅值，对电网的安全运行产生影响。2015年7月1日，哈密地区电网发生严重的次同步谐振事故，事故起源于该地区大规模直驱风电场，并沿传输线路传播扩散到整个哈密电网，最终导致天中直流配套的花园电厂三台运行机组相继动作跳闸，造成功率损失128万kW，电网频率从50.05 Hz降为49.5 Hz。

根据PMU数据进行分析，电网侧的电气量次同步频率变化范围，在振荡发生的时间段内，电网侧存在16～24 Hz的次同步电压、电流信号，当次同步电压、电流分量的频率与火电机组轴系扭振频率互补时，激发了机组的轴系扭振。某火电厂模态3频率为30.76 Hz，互补频率为19.24 Hz，根据电网侧电流次同步频率波动图，系统谐波频率在10:50左右短时穿越19.24 Hz(图1中靠上的水平线)，其后在11:50后持续在19.24 Hz波动。对比火电机组轴系的模态幅值变化曲线，如图2，模态扭振幅值变化的时间段，与系统振荡频率在19.24 Hz附近的时间段完全吻合。

图1 电网侧次同步振荡频率变化

图2 某电厂机组模态3幅值变化曲线

新疆地区发生的新能源并网引发的次同步振荡，在整个电网不同电压等级都出现了持续的次同步频率范围内的振荡，说明该次同步振荡是在系统范围内大范围传播；而且此次振荡呈现随时间频率、幅值等振荡特征大尺度变化的特点，当振荡频率的漂移穿越火电厂机组轴系模态的谐振点时，机组轴系相应出现振荡，持续的振荡将导致机组跳闸，破坏电网稳定运行[3-5]。

2 附加励磁控制器参数优化设计

新能源接入引发的次同步振荡大范围传播，严重威胁到了区域电网相关设备的安全稳定运行，特别是系统内的火电机组面临着较高的扭振风险。由于系统中持续存在频率、幅值不断变化的次同步振荡，火电机组极可能在某个或者某些频率点出现振荡，火电机组的次同步振荡抑制技术面临新的挑战。即火电机组次同步抑制的目标不仅仅是提供足够的阻尼，让机组扭振快速的收敛，同时更要关注最终的控制扭振幅值在安全的范围内，避免出现长时间的疲劳累积。因此需要进一步优化控制策略，充分利用励磁可调节的空间，达到保障机组轴系安全的目标[6]。

附加励磁阻尼器(SEDC)是应用成熟的二次侧设备，占地小，投资低，对次同步振荡能起到较好的抑制效果。SEDC是基于励磁控制系统在常规调节(如AVR/PSS)功能上附加的用于抑制次同步振荡(SSO)的阻尼控制环节。它采集能反映机组轴系扭振的信号作为反馈信号，通过一定的信号处理和控制策略后，形成针对次同步振荡的控制信号，并附加在PSS或AVR输出上，对励磁电压进行附加的次同步频率调制，进而形成转子侧的次同步频率的电磁转矩。通过控制闭环控制策略的实施，这个转矩就能对次同步振荡起到阻尼作用。SEDC的闭环控制规律主要包括模态滤波环节和比例移相环节两个环节[7-8]。

(1)模态滤波环节

带通滤波器的离散化表达式为

(1)

其中N(z)，D(z)为算子z的多项式，即

N(z)=bmzm+bm-1z(m-1)+…+b1z+b0

(2)

D(z)=anzn+an-1z(n-1)+…+a1z+a0

(3)

针对新能源接入后系统发生次同步振荡频率范围较宽的特点，SEDC设计宽频带滤波器，以实现在振荡频率波动时仍可以提供较好的抑制效果，一种较为合理的设计指标如下，滤波器设计为中心频率左右1 Hz的带宽，过渡带的相位随频率的变化尽可能的平缓，同时还要兼顾在满足条件的前提下，滤波器的阶次尽可能的低，以减小装置的计算量。以中心频率20 Hz为例，频谱特性如图3所示。

图3 SEDC宽频带滤波器频谱特性

(2)比例移相环节

SEDC的比例移相环节典型传递函数为

(4)

式中kp——比例移相环节增益系数；

T1、T2——移相时间常数。

kp代表了SEDC整个控制环节的开环增益，在移相参数一定的条件下，通过kp的合理选择可以实现最终整体的控制效果。

受励磁容量的限制，当SEDC抑制能量输出过大时，会限幅输出，削弱了SEDC的抑制效果。为此，增加动态增益调节功能，即对kp进行适当的动态调整。当调节输出大于限幅值时，可自动调节增益，使得各模态的输出接近正弦，不再限幅输出，减少对励磁系统的冲击[9-10]。

动态增益调节功能支持按幅值的动态调节和按容量的动态调节。按幅值的动态调节考虑的主要是各模态移相环节的增益，按容量的动态调节考虑的主要是各模态移相后的输出容量，不管是哪种方式的调节，各模态的输出总和不会超出总限幅值[11]。

以某现场火电机组为例，机组轴系含有三个次同步模态频率，分别为15.8 Hz、27.4 Hz、30.9 Hz，经过前期PSCAD仿真，SEDC在三个模态的移相增益分别为100、323、100时，能达到较好的抑制效果。在此条件下，进行单一模态加量测试，加量27.4 Hz，幅值为2 rad/s，SEDC针对此振荡信号，进行调节，输出抑制信号。在无动态调节、按幅值调节、按容量调节，三种情况下SEDC的输出效果，如图4。

图4 SEDC输出对比图

无动态调节：经过比例移相后输出达到顶值，SEDC限幅输出；

按容量调节：经过比例移相后输出达到顶值，按最大容量调节，生成正弦信号，SEDC按最大容量不限幅输出；

按增益调节：经过比例移相后输出达到顶值，按移相增益调节，生成正弦信号，没有达到最大容量，SEDC不限幅输出。

3 附加励磁控制器现场应用效果分析

SEDC参数优化设计后，应用于某火电厂，此火电厂位于新能源基地外送网络架构内。现场通过励磁注入激励法进行参数整定，参数整定优化后，SEDC的比例移相环节的参数如表1。

表1 参数整定优化后SEDC的比例移相环节参数

机组在有/无SEDC控制情况下轴系扭振被激发后，模态1、模态2和模态3的动态情况比较分别如图5、图6、图7所示。退出激励后，在机组自身阻尼条件下，机组各个模态的模态衰减情况和在经过参数优化整定后的SEDC抑制条件下的模态衰减情况如图所示，可以看到，投入SEDC抑制后，模态转速的衰减速率明显加快。

图5 SEDC参数优化-模态1抑制效果

图6 SEDC参数优化-模态2抑制效果

图7 SEDC参数优化-模态3抑制效果

4 结论

新能源并网后，系统次同步振荡呈现出新的特征，振荡频率随机时变，振荡能量跨电压等级大范围传播，由此引起的次同步振荡问题更加复杂。本文从火电机组侧的抑制措施入手，选择应用范围较广、设备成本较低的附加励磁阻尼控制器，针对新能源接入引起的次同步振荡的新特点，对控制参数进行了优化设计。现场试验表明，优化后的附加励磁阻尼控制参数对火电机组的次同步振荡起到很好的阻尼效果。