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新疆风电次同步振荡中主站瞬时技术的应用研究
摘要：大量电力电子元件随着大规模风电并网和交直流混联接入电力系统，产生间谐波引起风电次同步振荡〔1-3〕，导致电力系统处于失稳边缘，严重危害电力系统安全。原有技术需结合人工分析对风电次同步振荡进行分析，耗费大量时间。文章在傅里叶算法和振荡判断方法的基础上，通过对比三种改造方案并选择主站瞬时值。实际表明，本文技术可有效减小次同步振荡损失，提升工作效率，保证内供、外送和新能源消纳任务的完成。
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引言
目前，通过切除故障源头的手段消除次同步对电力系统造成的损害。但，原有系统不具备监测和分析次同步振荡的功能，需结合人工分析，现场调取数据并对比，海量数据耗费大量时间。
为实现自动化次同步振荡监测、分析，文章应用风电次同步振荡主站瞬时值技术，通过对比子站瞬时值、主站向量值和主站瞬时值三种方案的优缺点，选择主站瞬时值方案，有效减少次同步对电力系统造成的损害。
1、次同步振荡概况
1.1次同步振荡
2014年6月至2016年10月哈密地区发生次同步振荡200多次，统计如图1所示。
图1次同步振荡
某次次同步振荡频率变化情况如图2所示。当次同步振荡频率和火电轴振动频率相同时，为避免火电机组轴系破裂，将启动火电机组轴扭振保护跳闸，导致电网处于失稳，严重威胁电网安全。
图2某次振荡频率变化
1.2原有技术缺陷
由于原有技术不能对风电次同步振荡分析，需结合人工分析得到报告。人工分析需现场调取数据，不能实时上传，且人工分析需要对比海量数据，寻找电网正常情况下电网运行参数和次同步振荡后电网运行参数的关系，得出结论。次同步振荡人工分析流程如图3所示。
图3次同步振荡人工分析流程
1.3改进方案
针对人工分析方案中，数据上传和分析需要耗费大量时间，文章对数据上传和分析进行改进，确定系统位置及分析数据源。涉及数据采集、处理、上传及人机交互等因素，提出3种方案包括子站瞬时值、主站向量值和主站瞬时值。其工作原理图如4所示，方案对比见表1。
图4工作原理
表1三种方案比较
由表1可以看出，主站瞬时值技术子站功能比较单一，原理简单，适应大量子站，节约人力物力，同时主站功能复杂，程序升级改造仅涉及计算机编程，因此采用主站瞬时值方案。
1.4次同步振荡自动分析流程
次同步故障发生后，先确认故障由次同步振荡引起子站上传PMU瞬时数据至主站，发出告警信息的同时，主站自动对次同步振荡数据分析并自动生成简报。PMU依据天文时钟信号进行同步采样，将得到的同步相量数据以25帧/秒、50帧/秒、100帧/秒等速率传输至主站，采集次/超同步电流分量振幅、频率，振荡前/动作后某线路有功值、电流值。次同步振荡自动分析流程如图5所示。
图5次同步振荡自动分析流程
2、风电次同步振荡主站瞬时值技术
2.1傅里叶变换方法
通过MATLAB、C++等编程软件，利用傅立叶变换方法开发出风电场次同步谐波频率分析功能。采用傅立叶变换方法(FFT)将波谱分解为不同谐波的叠加，以各谐波振幅和相位为参数，表征波谱特征，其结构示意图如图6所示。
图6傅立叶变换方法(FFT)结构
傅立叶变换方法(FFT)计算特点:
1)适用波形曲线范围宽;
2)编程实现容易;
3)计算速度快;
4)频率定位好，通过对信号频率分辨率可清晰得到信号所包含频率成分。
2.2装置起动判据
正常运行时，装置一直监视联络线输送有功功率、发生次同步振荡，装置能根据联络线功率变化情况迅速进入启动状态。式(1)为判断起动方程:
公式1
Pk、Peqv分别为联络线当前功率，前10s平均功率，Psetqd为起动功率门槛定值。
2.3次同步振荡确认判据
装置启动后，通过波形分析技术对联络线电压、电流、有功功率进行计算分析。若潮流波动由系统故障引起，则装置可靠闭锁;若潮流波动由次同步振荡引起，则装置可靠找出每个振荡周期联络线有功功率最大值Pkmax与最小值Pkmin以及每个周期内最大值Pkmax出现的时刻Tkmin。由此可求出每个振荡周期振荡幅度dPk和振荡周期Tk:
每个振荡周期振幅应满足(2～4):
公式2
公式3
公式4
psetzd为振荡确认功率门槛定值。
振荡周期应满足:
公式5
Tsetmin为振荡周期低门槛定值，Tsetmax为振荡周期高门槛定值。
3、案例及效益分析
3.1案例
2016年4月21日21时29分，哈密地区出现一次比较明显的次同步振荡，一次典型时间测试如图7所示。
图7技术试运行测试期间动作数据
此次事件整体流程:
1)出现明显次同步振荡;
2)花园电厂机组扭振保护模态2启动;
3)切除广望东风一线，振荡平息;
4)主站召唤数据结束;
5)主站数据分析完毕，自动形成报告，如图8所示。
图8事故详细分析报告
该技术1h获得分析报告，而人工分析需10人耗时70h，得到报告内容基本相同，说明该技术能够有效应用到风电次同步振荡中且准确度高、效率高。
3.2经济效益分析
该技术应用6个月，哈密地区共发生风电次同步振荡50次，缩短了数据分析及扰动源定位时间，提高了风电发电量，减少了风电企业经济效益损失。
根据故障线路所在母线实时负荷及故障停电处理时间，电价250元/MW.h，风电同时率40%，计算预损失经济效益，结果见表2。
表2预损失经济效益表
3.3无形效益
主站瞬时技术解决了风电次同步振荡分析数据量大，耗费时间长等难题，缩短了工作时间，提高工作效率，避免风电场长时间停运，减少风电场业主经济效益损失，保证了內供、外送、新能源消纳任务完成，同时为电网安全运行提供了保障。
参考文献：
[1]杨博闻,占颖,谢小荣,严干贵.双馈风电场接入串补输电系统引发次同步谐振的研究模型[J/OL].电力系统保护与控制:1-8[2019-12-27].
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王胜利,石静,樊国伟,郭小龙,王康,唐浩,乔彦君,何业飞,樊国旗.主站瞬时技术在新疆风电次同步振荡中的应用[J].青海电力,2020,39(01):49-52.
基金:国网新疆电力公司科技项目(复杂电网下新能源发电基地次/超同步振荡评估､抑制与防控技术研究)5230HQ18000L
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2020-07-04
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期刊名称：中国工程科学
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专业分类：科技
国际刊号：11-4421/G3
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2020-07-03
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