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电力电子设备会导致电力系统振荡?
发布时间:2017-07-18 21:52     来自:网上资料     浏览次数:1113 次
随着电力电子装置在电力系统中的大量应用,电力系统电力电子化的趋势越来越明显。电力电子设备引起系统振荡的问题逐步显现,现已成为影响系统稳定运行的重要因素。
1977年10月在美国北DAKOTA 的Square Butte地区因安装高压直流输电系统的测试中出现的HVDC引起邻近汽轮发电机的次同步振荡问题。1995年,在苏黎世发生了四象限电力机车与牵引网间的振荡现象。此后,电力电子装置引起振荡的问题逐步引起人们的关注。
2007年12月,我国大秦线的和谐号动车(HXD1)因投入机车数过多出现了机网振荡问题。2009年12月,上海洋山港四象限变频器提升机群引起了10 Hz左右的振荡,进而激发电压闪变,10 kV母线上有功功率和无功功率的变化振荡情况如图1所示。2010年,内蒙狼尔沟弱电网与STATCOM、双馈型风力发电机发生振荡。同年,呼伦贝尔电厂与HVDC和串补间发生次同步振荡,如图2所示。2012年12月,河北沽源风电场双馈型风力发电机与串联补偿电容产生次同步振荡,如图3所示。2015年初,新疆哈密三塘湖电网风电场与火电机组发生振荡,如图4所示,其后又多次出现类似的振荡,而因为振荡还导致3台火电机组跳闸。在配电网侧,人们也发现APF与并联无功补偿电容器间会发生振荡。图5为某STATCOM装置在弱系统条件下出现振荡的波形。

电力电子装置引起振荡的机理

根据非线性动力学的理论可知,非线性系统的振荡大致可分为4类:系统周期性振荡、准周期振荡、系统混沌解对应的非周期振荡和平衡点附近运动轨迹对应的负/弱阻尼振荡。但在实际非线性系统中,因存在测量误差,严格的周期振荡、准周期振荡与混沌振荡很难区分,因此可以认为是一种幅值较大的振荡,而平衡点附近的负/弱阻尼振荡是幅值很小的振荡。
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和阻抗特性分析方法,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。而电力系统是本质非线性的,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。
电力电子化系统振荡的抑制方法

1)增加虚拟电阻

对于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6所示(RV为虚拟电阻),该电阻通过变换器的控制来模拟实现,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。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。

2)改进控制目标

对于恒功率控制导致的振荡,可以减小P-I控制的比例系数,从而增大时间常数,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。

3)增加抑制振荡的电力电子装置

对于因电力电子装置如HVDC、新能源发电等引起火力发电机次同步振荡问题,可以在发电机机端安装阻尼装置称为机端次同步阻尼器(GTSSD),图7(a)为安装在GTSSD的原理图,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7(b)所示。现场试验表明,安装GTSSD可以有效地抑制发电机的轴系扭振,如图8所示。

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)在各类抑制方案中,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。

后续研究

在振荡机理研究的基础上,下一步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。

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