220 kV光伏电站SVG高频振荡仿真分析.pdf

3第 52 卷2024 年 1 月Vol.52 No.1Feb.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER220 kV光伏电站SVG高频振荡仿真分析张明强1，何廷一1，曾丕江2，何鑫1，马红升1，彭俊臻1，余多1（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650127；2.云南电力调度控制中心，云南 昆明 650011）摘要：本文主要介绍了220 kV光伏电站SVG高频振荡引发电压波动的故障案例。首先，通过分析现场故障录波，初步确定故障原因为SVG与系统振荡；其次，基于RTlab仿真平台搭建了光伏电站全站和附近局部电网的电磁暂态模型并开展故障复现，仿真复现结果与故障录波基本一致；最后，提出了“消除SVG高频段负阻尼”的振荡抑制措施，并通过仿真验证其有效性。本文的新能源场站SVG高频振荡分析可为今后类似故障的防范和处理提供经验与参考。关键词：SVG；高频振荡；负阻尼；RTlab仿真Simulation Analysis of SVG High-Frequency Oscillation in 220 kV Photovoltaic Power StationZhang Mingqiang1,He Tingyi1,Zeng Pijiang2,He Xin1,Ma Hongsheng1,Peng Junzhen1,Yu Duo1（1.Electric Power Institute of Yunnan Power Grid Co.,Ltd,Kunming,Yunnan,650217,China;2.Yunnan Electrical Power Dispatching and Control Center,Kunming,Yunnan,650011,China）Abstract:ThispapermainlyintroducesthefaultcaseofvoltagefluctuationcausedbySVGhigh-frequencyoscillationin220kVPVpower station.First of all,the oscillation of SVG and power system account for this fault preliminarily by Analysising the on-site fault recordings.secondly,building the electromagnetic transient model of the whole station of PV and the local grid based on the RTlab simulation platform carries out the fault reproduction,and the results of the simulation reproduction are basically consistent with the faultrecordings.lastly,thesolutionofeliminatingtheSVGhigh-frequencynegativedampingisproposedandanditseffectivenessisverifiedbysimulation.ThisanalysisofSVGhigh-frequencyoscillationforrenewableenergystationscanprovideexperienceandreference for the prevention and treatment of similar faults in the future.Key words:SVG;high-frequency oscillation;negative damping;RTlab simulation中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）01-0003-050前言十四五期间，云南将新增新能源装机 5000万千瓦，成为我国首个新能源装机超 40%的水电、新能源双主体电力系统。为加快建设新型电力系统步伐，大规模风机、光伏和 SVG 接入电网，高比例电力电子端口与电网之间的能量交互极易引发高频振荡，严重影响电网安全稳定运行1-5。截至目前，云南电网已出现三起SVG 高频振荡事件，2022 年 9 月，昭通地区某220 kV 光伏电站 SVG 在 1200 Hz 附近振荡导致 SVG 跳闸脱网；2023 年 3 月，保山地区某220 kV 光伏电站 SVG 在 1650 Hz 附近振荡导致局部电网电压持续波动；2023 年 11 月，昭通地区某 220 kV 光伏电站 SVG 在 1450 Hz 附近振荡导致 SVG 跳闸。在未来，大规模新能源快速接入云南电网，由新能源引发的高频振荡故障可能频繁发生，因此，有必要深入分析高频振荡机理及抑制措施。本文主要介绍 220 kV 光伏电站 SVG 高频振荡引发电压波动的故障案例，首先基于现场故障录波分析确定振荡原因；然后基于 RTlab仿真，复现故障过程，确保复现结果与现场故障录波一致；最后提出高频振荡抑制措施并验证其有效性。1故障概况2023 年 3 月，中调、地调 OCS 主站监测到 220 kV 变电站母线三相电压均出现幅值约4云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期410 kV 左右的波动。通过现场故障录波分析可知，电压波动原因为：该变电站附近的 220 kV光伏电站 SVG 与系统产生高频振荡，振荡频率主要为 1650 Hz（33 次谐波）。振荡期间 32、33、34 次谐波电流被放大，导致 35 kV 母线电压过高，最终光伏电站的#5、#6、#7、#8 SVG因过压保护动作而跳闸，同时谐波电流传导至附近的 220 kV 变电站引发电压波动。#8 SVG故障录波电流如图 1 所示，35 kV 母线电压故障录波如图 2 所示，#8 SVG 电流谐波占比如图 3所示。图1#8 SVG故障录波电流 图235 kV母线故障录波电压（#8 SVG）510152025303540谐波次数0204060谐波占比(%)70 图3#8 SVG电流谐波占比2故障复现与抑制本次故障复现将以#8 SVG 故障录波波形为参考，复现 SVG 高频振荡至跳闸全过程，在此基础上，云南电科院和云南电力调度控制中 心 对 SVG 厂 家 提 出 了“消 除 SVG 高 频 段5502000 Hz 范围内负阻尼”的要求，督促厂家完成软件升级与参数修改，并投入光伏电站现场应用。2.1搭建光伏电站全站电磁暂态模型高频振荡前，220 kV 光伏电站站内接线如图 4 所示，#1、#2、#3、#4 SVG 与 35 kV 公用I 母相连，额定容量均为 27 Mvar，与 35 kV 公用 I 母相连的所有集电线路均处于断开状态。#5、#6、#7、#8 SVG 与 35 kV 公用母相连，额定容量均为 30 Mvar，有 3 回带箱变的空载集电线路与 35 kV 公用母相连。根据图 4 所示的光伏电站站内接线图，本次故障复现将搭建包含站用变、接地变、集电线路、箱变、220 kV 主变和#18 SVG 一次部分的电磁暂态模型。局部电网站用变SVGSVG35kV公用I母第47回第35回站用变 35kV公用II母220kV母线220kV线路第33回箱变#2#1#3#4#5#6#7#8接地变接地变SVG 图4220 kV光伏电站站内接线图2.2搭建光伏电站附近局部电网模型高频振荡具有局部电网故障特性，因此，需要搭建光伏电站附近的局部电网模型，主要包括：与光伏电站相连的 500 kV 变电站及500 kV 变电站附近的所有 220 kV 变电站，采用 BPA 等值得到局部电网的外部电网特性，所有网架参数与 BPA 保持一致。基于 RTlab 仿真平台所搭建的包含光伏电站和局部电网的电磁暂态仿真模型见图 5。图5光伏电站和局部电网电磁暂态模型2.3基于RTlab硬件在环仿真的故障复现与分析本次故障复现将基于 RTlab 硬件在环仿真平台来完成，SVG 实物控制器见图 6，其内部程序、控制参数与现场完全一致，RTlab 实时仿真器见图 7。基于图 5 光伏电站和局部电网电磁暂态模5220 kV 光伏电站 SVG 高频振荡仿真分析 第 52 卷2024 年第 1 期型，将 SVG 实物控制器接入 RTlab 实时仿真器，在图 4 中 35 kV 公用母（振荡点）处进行阻抗扫描，将#5、#6、#7、#8 SVG 看成一个整体，多频次阻抗特性记为 ZSVG，其余部分的阻抗特性记为 ZGrid，二者在同一坐标系下的 bode图如图 8。从图 8 可知，SVG 在 5502250 Hz范围内呈现负阻尼特性，这是引发高频振荡的原因。在图 8 中绿色竖线 fs=1650 Hz（33 次谐波）处，ZSVG 和 ZGrid 幅值相等，ZSVG 相位呈现感性负阻尼特性，ZGrid 相位接近纯容性，二者满足在 fs=1650 Hz（33 次谐波）处产生高频振荡的条件6-7。图6SVG实物控制器 图7RTlab实时仿真器 图8SVG和等效电网的阻抗特性基于阻抗扫描结果，可以得到 ZSVG 和ZGrid 的高频振荡分析等效电路，如图 9 所示，SVG 向电网注入电流 Ie的闭环传递函数如式（1）：()()()()()11eGridSVGSVGIsZsG sZsIs=+（1）图9高频振荡分析等效电路电流 Ie的开环传递函数为：()()()GridoSVGZsGsZs=（2）计算G0(s)在fs=1650 Hz处的开环频率特性：（3）根 据 奈 奎 斯 特 稳 定 性 判 据8-9，在fs=1650 Hz 处，闭环系统的开环频率特性非常接近点（-1,j0），这表明闭环系统在 fs=1650 Hz处不稳定，闭环系统开环频率特性 Nyquist 图如图 10 所示。高频振荡需要小扰动激发，本次故障复现采用切除 35 kV 母线上微小电容的方式来激发振荡，切除电容后，ZSVG 和 ZGrid 刚好出现6云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期阻抗匹配，满足高频振荡的条件：负阻尼+谐振点10，进而在 fs=1650 Hz 处产生振荡。故障录波和故障复现时#8 SVG 的三相电流分别如图 11、12 所示，故障录波和故障复现时 35 kV母线三相电压分别如图 13、14 所示，故障录波和故障复现时#8 SVG 的谐波电流占比分别如图15、16 所示。图10闭环系统开环频率特性的Nyquist图 图11#8 SVG电流（故障录波）图12#8 SVG电流（故障复现）图1335 kV母线电压（故障录波）图1435 kV母线电压（故障复现）510152025303540谐波次数0204060谐波占比(%)70 图15#8 SVG 电流谐波占比（故障录波）将故障复现和故障录波的电流、电压及谐波占比进行比对可知，故障复现波形和实际现场的故障波形基本一致，存在的少量偏差的原因 为：一 是 实 际 现 场 有 4 台 27 Mvar 和 4 台30 Mvar 的 SVG 控制器，但目前实验室只有一台 30 Mvar 的 SVG 控制器，本次故障复现是基于“单机倍乘”的原则扩展出 4 台 27 Mvar 和 4台 30 Mvar 的 SVG，不同容量的控制器因控制参数的差异会导致电磁暂态响应有差异；二是局部电网的负荷特性会影响其阻抗特性，而当前无法获得局部电网精准的阻抗特性。7第 52 卷2024 年 1 月Vol.52 No.1Feb.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER510152025303540谐波次数0204060谐波占比(%)70 图16#8 SVG 电流谐波占比（故障复现）2.4高频振荡抑制SVG 高频振荡的原因主要是 SVG 控制器在特定高频段具有负阻尼，因此，消除 SVG 高频段负阻尼将成为解决高频振荡问题的关键，提出“消除 SVG 高频段 5502000 Hz 范围内负阻尼”的要求，修改并升级控制器程序，在实物控制器中增加了“相位补偿”功能，其控制效果如图 17 所示。05001000150020002500-50050100投入前投入后05001000150020002500频率（Hz）-180-90090180相频特性（deg）幅频特性（dB）图17“相位补偿”投入前后SVG的阻抗特性“相位补偿”投入前，SVG 在 6002000 Hz范围内呈现感性负阻尼，而“相位补偿”投入后，该频段范围内的负阻尼已全部消除。“相位补偿”功能投入并切除 35 kV 母线上的小电容后，#8 SVG 的三相电流波形见图 18 所示，该过程未出现高频振荡。因此，SVG“相位补偿”功能在高频段确有抑制高频振荡的效果。-1000100A相(A)-1000100B相(A)58.458.558.658.758.858.95959.1Time（s）-1000100C相(A)图18“相位补偿”功能投入后#8 SVG电流3结束语本文介绍了光伏电站 SVG 高频振荡的实际故障案例。基于 RTlab 电磁暂态仿真平台搭建了光伏电站全站电磁暂态模型和局部电网模型，将 SVG 实物控制器接入仿真器，完成了光伏电站 SVG 高频振荡故障复现，且复现结果与实际故障录波基本一致，清楚地展示了高频振荡的内在机理；提出了高频振荡抑制措施，并通过仿真验证其有效性。对此，结论与展望如下：1）高频振荡的条件为：在特定频率下，二端口两侧阻抗幅频特性相等，相频特性呈现“感性负阻尼和容性”或“容性负阻尼和感性”。消除 SVG 特定高频段的负阻尼可避免在该频段出现振荡。2）本文研究的振荡频段大于 1000 Hz，考虑控制器锁相环特性，可忽略正负序耦合，分析以正序分量开展，仿真复现结果与抑制策略验证完全满足实际工程要求。3）局部电网阻抗特性受电网规模及运行方式影响较大，研究高频振荡故障复现时，搭建多大规模的局部电网可以保证其阻抗特性与故障发生时电网的阻抗特性一致将是未来值得思考和研究的问题。4）在云南电网大规模新能源快速并网的背景下，提前摸清光伏、风机和 SVG 在各频段的阻抗特性，督促各新能源厂家制定对应的负阻尼消除措施，将对云南电网的安全稳定运行及新能源消纳具有重大意义。参考文献1BlaabjergF,ChenZhe,KjaerSB.Powerelectronicsasefficientinterface in dispersed power generation systemsJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5):1184-1194.2 马宁宁,谢小荣,贺静波,等.高比例新能源和电力电子设备电力系统的宽频振荡研究综述J.中国电机工程学报,2020,40(15):4720-4732.3 刘承锡,韩江北,尚磊,等.能量视角下的新能源外送系统宽频振荡机理建模与量化分析综述J.电网技术,2023,47(10):3980-3993.4 肖仕武,徐立光.基于频率耦合阻抗的直驱风电机组次同步振荡关键影响因素分析及抑制措施J.电网技术,2023,47(04):1641-1654.5 李明节,于钊,许涛,等.新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其对策研究 J.电网技术,2017,41(04):1035-1042.6 李光辉,王伟胜,张兴,等.双馈风电场并网次/超同步振荡建（下转第11页）11电力变压器直流偏磁治理及测试分析 第 52 卷2024 年第 1 期动波形及频谱对比如图 4、图 5 所示，可以明显看到，加装隔直装置后，变压器振动幅值由4.0 m 下降到 2.0 m，最大振动幅值减少近二分之一，同时对加装隔直装置后的通过变压器中性点的直流电流几乎为零，同时对变压器的油温、噪声进行测试，测试结果如表 2 所示，表明加装隔直装置后消除了直流偏磁带来的影响。表2加装隔直装置后地铁线路附近接地变压器中性点直流电流测量 变压器距离/km噪声/dB直流电流/A测点位置A相振动/mB相振动/mC相振动/m高压面低压面高压面低压面高压面低压面#13.260/503.5/0.4上部测点1.6/0.61.6/0.61.6/0.61.6/0.61.7/0.61.6/0.5下部测点1.2/0.41.1/0.41.2/0.41.1/0.41.2/0.31.1/0.4#25.655/521.3/0.5上部测点1.3/0.41.3/0.41.3/0.41.3/0.41.3/0.41.3/0.4下部测点0.8/0.30.8/0.30.8/0.30.8/0.30.8/0.30.8/0.3#38.553/520.8/0.3上部测点0.7/0.30.7/0.30.7/0.30.7/0.30.7/0.30.7/0.3下部测点0.5/0.20.5/0.20.5/0.20.5/0.20.5/0.20.5/0.2#414.862/600.6/0.3上部测点0.4/0.20.4/0.20.4/0.20.4/0.20.4/0.20.4/0.2下部测点0.3/0.10.3/0.10.3/0.10.3/0.10.3/0.10.3/0.13结束语随着城市地铁线路建设规模越来越大，运行期间产生的直流电流不可避免流入附近的接地变压器，造成变压器噪声、温度和振动幅值上升，长期运行存在安全隐患，通过加装隔直装置取得了良好效果，需要指出加装隔直装置变压器可以消除直流电流，但直流电流不会消失，流入附近其它接地变压器，接地变压器流入直流电流随距离地铁线路越远越小，地铁线路规划和变电站规划建设时需要统一规划，避免相互影响。参考文献1 董霞.变压器直流偏磁研究D.济南:山东大学,2013.2 蒯狄正,刘成民,万达.直流偏磁对变压器的影响研究J.江苏电机工程,2004,23(3):1-5.3 陈青恒,马宏彬,何金良,等.直流偏磁引起的500kV电力变压器振动和噪声的现场测量与分析J.高压电器,2009,45(3):93-96.4 蒯狄正.电网设备直流偏磁影响检测分析与抑制D.南京:南京理工大学,2005.5 文继锋,张晓宇,程骁,等.换流变压器直流偏磁与饱和保护J.江苏电机工程,2013,32(2):28-34.6 李晓华,傅龙辉,罗龙波,等.220kV主变压器中性点加装隔直电容对零序电量的影响J.电力系统自动化,2014,38(1):121-126.7 师泯夏,吴邦,靳宇晖,等.直流偏磁对变压器影响研究综述J.高压电器,2018,54(7):20-36.8 刘春明,黄彩臣,林晨翔.抑制变压器地磁感应电流的电容隔直装置安装位置优化J.电力系统自动化,2016,40(16):132-137.9 陶旭峰,黄林柯,徐志奇,等.隔直装置在直流偏磁治理中的应用研究J.电气传动,2019,49(7):82-85.10 戴志辉,苏怀波,王雪,等.交直流混联系统单极接地故障.11 变压器直流偏磁及电流差动保护的影响分析J.电力建设,2018,39(9):39-46.收稿日期：2024-02-05作者简介：刘明群（1976），男，云南电力科学研究院从事直流输电控制系统研究工作，正高级工程师，云南省昆明市云大西路 105 号；徐志（1986），男，云南电力科学研究院从事直流输电控制系统研究工作，高级工程师，云南省昆明市云大西路 105 号；覃日升（1976），男，云南电力科学研究院从事电力系统稳定分析工作，正高级工程师，云南省昆明市云大西路 105 号。模与机理分析(一):考虑功率外环的阻抗建模J.中国电机工程学报,2022,42(07):2438-2449.7 李光辉,王伟胜,张兴,等.双馈风电场并网次/超同步振荡建模与机理分析(二):阻抗特性与振荡机理分析J.中国电机工程学报,2022,42(10):3614-3627.8 李光辉,王伟胜,刘纯,等.直驱风电场接入弱电网宽频带振荡机理与抑制方法(一):宽频带阻抗特性与振荡机理分析J.中国电机工程学报,2019,39(22):6547-6562.9 李光辉,王伟胜,刘纯,等.直驱风电场接入弱电网宽频带振荡机理与抑制方法(二):基于阻抗重塑的宽频带振荡抑制方法J.中国电机工程学报,2019,39(23):6908-6920.10 冯俊杰,邹常跃,杨双飞,等.针对中高频谐振问题的柔性直流输电系统阻抗精确建模与特性分析J.中国电机工程学报,2020,40.收稿日期：2024-01-03作者简介：张明强（1995），男，云南电力科学研究院从事新能源并网试验工作，工程师，云南省昆明市云大西路 105 号。（E-mail）。（上接第7页）