分析！电力电子设备引起电力系统振荡的问题

图8系统混沌状态的仿真结果

由李雅普诺夫第一定理可知,根据矩阵A的特征根可以判断非线性系统在平衡点附近邻域内的稳定性：1）若特征根的实部全部为负,则系统在该平衡点稳定,若虚部不为零,则遭受小扰动后系统将发生衰减的振荡;2）若特征根中有实部为正的共轭复根,在系统在该平衡点附近存在增幅的振荡;3）若存在实部为零的虚根,系统在该平衡点可能存在等幅振荡。但是,该分析方法不适用于系统遭受到较大扰动的情况。

目前,分析电力系统振荡基本都是基于平衡点线性化理论包括小信号分析方法[17-21]和阻抗特性分析方法[22-23],如低频振荡和次同步振荡的分析,因此仅适用于分析弱阻尼或负阻尼引起的小幅振荡/谐振。但是,本质上电力系统为强非线性系统,其振荡机理尚未完全清楚,目前也有多种振荡并未得到合理的解释。因此,今后应该加强电力系统周期解、准周期解与混沌解机理的分析,以完全揭示电力系统的振荡机理。

2.2多种振荡的机理分析

下面将分析变换器并联、恒功率控制、弱系统下电力电子装置及风电发电厂双馈风机与串补电容引起的振荡等多种振荡的发生机理。

2.2.1变换器并联引起的振荡问题

图9(a)为两个基于电力电子变换器分布式电源并联的微电网[17],每个基于电力电子变换器的分布式电源可以等效为一受控电流源及并联导纳,因此可以得到图9(b)所示的等效电路。图9中,Ug是无穷大电网的电压,Lg和Rg是无穷大电网的等效电抗和电阻,DG1和DG2是两个分布式发电装置,L1、C1、L2、C2分别为微电源LC滤波器的电感和电容,R1、R2为等效损耗电阻。L11、L22包含了每条支路上微电源出口耦合电感、隔离变压器短路电感以及线路电感,R11、R22为线路等效电阻,网络呈感性。负荷为一阻性负荷,电阻为Rload,Uload是负荷电压。U1、U2是分布式电源DG1和DG2的变换器的输出电压。Ig、I1、I2、I11、I22分别是无穷大电网、DG1、DG2和相连馈线上的电流;Ieqi和Yeqi分别是第i个分布式发电装置的等效电流源和等效导纳;Iii指的是在含有n个基于电力电子变换器的分布式电源微电网中,第i个分布式电源经滤波器后向系统注入的电流。

2.2.2恒功率控制引起的振荡问题

电力系统中基于电力电子的恒功率负荷容易引起振荡[26],研究表明电力电子变换器采用恒功率控制时也容易引起振荡,尤其是在光伏发电系统中应加以重视。

2.2.3弱系统条件下电力电子装置的振荡问题

弱系统条件下电力电子装置易于产生振荡的原因是测量延时造成的。设图9(a)中的DG2为STATCOM。其控制框图如图13所示。其中Uc2(t),Ucs(t)分别为并网点系统的实际电压与测量电压,I2ref为DG2的变换器输出电流I2的参考值,测量电压的采样周期为Ts,那么采样后的信号近似有

${{U}_{cs}}\left(s\right)=\frac{1}{1\text{+}s{{T}_{s}}}{{U}_{c2}}\left(s\right)$(13)

电力电子变换器中常用的deadbeat控制其表达式为

${{U}_{2}}\left(k\right)=1.5{{U}_{cs}}\left(k\right)-0.5{{U}_{cs}}\left(k-1\right)+{{L}_{2}}\frac{{{I}_{2ref}}\left(k\right)-{{I}_{2}}\left(k\right)}{{{T}_{s}}}$(14)

式中,k为数字控制器中的第k次采样或计算。

其中各变量物理意义可参考文献[24]。对于图13或式(14)所示的控制,如果测量环节无任何延时,即式(13)中Ts=0或式(14)中Ucs(k)无任何延时,则控制器中的前馈电压与系统电压可以完全抵消,因而系统电压对变换器电流跟踪没有任何影响,即系统是否为弱系统不影响电力电子装置的运行。而实际中由于电压采样环节存在不可避免的延时,这使得变换器接入弱系统时,因为变换器产生小的无功电流就会引起电压Uc2(t)产生大的变化从而在图13中注入干扰信号,从而导致振荡。

3 电力电子化系统振荡的抑制方法

根据第2节的分析,电力电子装置产生振荡的原因多种多样,因此应该根据其原因选择不同的抑制方法。总体而言,可以选择3类抑制电力电子装置的振荡的方法即：1）改进控制方法;2）减小测量环节的延时;3）增加抑制振荡的电力电子装置。针对不同振荡类型的具体抑制方法如下。

3.1增加虚拟阻尼

对于图9(a)所示的多变换器并联微电网中的振荡问题,若在变换器输出的LCL滤波器的电容C上并联一个虚拟电阻,如图15所示（RV为虚拟电阻）,则可增加阻尼。若该电阻取值合适,则可以抑制该微电网中的各种振荡,如文献[24]中采用虚拟电阻法就取得了较好的抑制振荡的效果。虚拟电阻法实施容易且不会增加实际的有功损耗,可以针对所有频段的振荡提供阻尼,因此在许多场合如多APF并联情况都得到了应用。但是,实现虚拟电阻需要检测电容电压的传感器,增加了成本;要分频段设计阻尼,计算量大;抑制较高频段时,相角延时增大,效果将变差,可能会造成阻尼不够的情况[18]。

3.2改进控制目标

对于恒功率控制导致的振荡,可以减小PI控制的比例系数,从而增大时间常数τ,达到避免振荡的目的,也可以在控制环中加入相位校正环节,但是,这会降低变换器的动态性能。此外,将恒功率控制改为恒电流控制,同样能够避免振荡的发生。针对图12出现振荡的情形,如果采用恒电流控制,则仿真波形如图16所示（纵轴为标幺值）,可见采用恒电流控制可以避免振荡。

3.3减小测量环节的延时

弱系统条件下,因Ucs(t)与Uc2(t)不一致而导致其差信号作为干扰信号进入图13所示的系统中,而Uc2(t)又对注入无功电流非常敏感,因此易于产生振荡。如果能够改进测量环节如改进锁相环或校正测量信号从而使Ucs(t)更趋近Uc2(t),则可大大减小Ucs(t)与Uc2(t)之差即干扰信号,从而减少振荡的发生。图17为采用校正控制减小Ucs(t)与Uc2(t)之差的原理框图。其中

${{G}_{C}}\left(s\right)=\frac{s}{{{T}_{s}}\left(1-{{e}^{-s{{T}_{s}}}}\right)}$(15)

加入校正环节后,STATCOM在发100A基波电流时5次谐波电流得到显著的抑制,从4A降低至0.7A

3.4增加抑制振荡的电力电子装置

从双馈风机发电厂与串补相互作用产生次同步振荡的机理看,只要适当降低转子侧电流跟踪比例系数就可以在一定程度上避免次同步谐振产生。当然,如果在定子侧变换器控制中增加虚拟阻尼控制也能抑制次同步振荡。对于新疆哈密风电场与火电厂之间的次同步振荡问题,研究表明如果在风电场风机定子侧增加阻尼振荡装置也能降低次同步振荡的风险。呼伦贝尔电厂与HVDC的次同步振荡问题也可以通过改进HVDC换流站的控制或发电机的控制来避免。但这些措施需要对已有设备的控制系统进行改造,实施时较为复杂。尤其是对于新能源发电厂如风力发电厂、光伏发电厂需要对内部的每一个发电单元变换器均进行改造,实施起来非常复杂。而研究表明,双馈风机发电厂与固定串补输电系统间的次同步振荡,可以通过在系统中加入额外的阻尼装置实现对振荡的抑制[19-21,27]。显然,增加独立的振荡抑制装置实施起来相对简单,而且不需要非常准确地定位振荡源（许多情况下振荡源随运行条件而变化,准确定位也非常困难）,因此安装独立的振荡阻尼装置是一种非常好的选择。阻尼次同步振荡的装置称为次同步阻尼器（SSD）,其控制器称之为次同步阻尼控制器（SSDC）,次同步阻尼器有多种类型,可以分为并联型、串联型及混合型3种。针对沽源风电场出现的次同步谐振问题,可以选择图19所示的串联型或并联型次同步阻尼器。

对于因电力电子装置如HVDC、新能源发电等引起发电机次同步振荡问题,可以在发电机机端安装SSD称为机端SSD（GTSSD）,图21(a)为安装在GTSSD的原理图,图21(b)为基于链式变换器的实际装置。其中,ωr为电机的转速,Gi(s)为第i振荡模态的移相增益环节,Ci为第i振荡模态的参考电流计算环节。这些控制器根据所需要阻尼的频段设计控制器中的滤波器、相位补偿和电流参考值计算,如图21(c)所示。GTSSD抑制某汽轮机次同步振荡的实验结果如图22所示。由图可见GTSSD可以大幅降低发电机轴系扭振的角速度,因而可有效抑制次同步振荡。目前GTSSD装置已经在我国上都电厂和呼伦贝尔电厂投入运行,有效抑制了串补电容和HVDC引起的次同步谐振。

4 结论

电力电子装置具有体积小、价格低、响应速度快、能够实现精确控制等诸多优点,因此,在电力系统的发、输、配、用等各个环节均得到了广泛的应用。目前,电力系统电子电子化的趋势已经十分明显。通过本文研究可以得到如下结论：

1）电力电子装置的电磁振荡及其引起的机电振荡问题日益突出,已成为制约电力电子装置或新能源发电应用的关键因素。

2）电力电子化电力系统是非线性动力系统,其大幅度的周期、准周期、非周期混沌振荡难以区分,目前还没有成熟的分析方法,需要采用时域仿真和理论分析相结合的方法进行深入研究。

3）电力电子化系统平衡点附近运动轨迹对应的负/弱阻尼振荡可以通过平衡点线性化方法进行分析,因而可以找到振荡源并采取增加阻尼的方法抑制振荡。

4）增加虚拟电阻可以阻尼所有频段的振荡,但需要大量的电力电子装置增加该功能,实施不够方便;减小测量环节或锁相环的延时可降低电力电子装置振荡发生的概率;增加抑制振荡的电力电子装置可解决许多振荡原因不明确、振荡源不能准确定位的振荡,具有较好的工程应用前景。

5）需要深入研究电力电子装置的并网控制策略,并制定合适的标准以防止振荡的发生。