新能源发电的安全稳定范文

一、风力发电的次同步谐振问题

早在20世纪30年代，人们就发现发电机在容性负载或者经由串联电容补偿的线路接入系统时，会在一定条件下引发振荡频率低于系统额定频率的自激现象。1970年和1971年，美国亚利桑那州Mohave电站发生了两起因固定串补导致大轴损坏的事故，之后，人们才对次同步谐振（SubsynchronousResonance,SSR）有了深入的研究和认识。次同步谐振是电力系统的一种工作状态：在一个或数个低于同步频率的次同步频率上，电力网络和发电机之间交换显著的能量。SSR又分为感应发电机效应（IGE）、扭振互作用（TI）和暂态力矩放大（TA）三种现象。2009年10月，美国德克萨斯州的一处风电场发生了由于串补电容引起的次同步谐振事故，造成了大量机组脱网以及机组撬棒电路的损坏。2012年12月，我国北方地区某风电场也发生了次同步谐振，造成部分风机脱网；此后，该地区又多次出现SSR现象。以上两处风电场都经由串补线路接入电网。截至到2012年底，上述我国北方地区某风电场的总装机容量已超过3000MW。该地区风机以双馈型风机（DFIG）为主，并有少量的恒速风机和永磁风机。图3为2013年1月份该地区SSR的发生情况。该地区SSR现象的基本规律为：①振荡频率大约为6～8Hz。②电流振荡幅值最高可达50%，电压波动幅度较小，在1%以内。③大部分情况下，发生SSR时所有风电场的总输出功率在100～300MW之内。④谐振往往发生在功率下降时。相关研究指出，在恒转速风力发电机、双馈型风力发电机和永磁同步风力发电机中，双馈风机最容易导致SSR；这与已知的风电场SSR事件是一致的，因此，这里将重点放在由DFIG导致的SSR问题上。电力网络近似等值的前提假设为：①该地区所有风机均为容量为1.5MW的双馈型风机。②所有并网运行的风机的运行状态相同，且均匀分布于各个风电场的主变压器上。③该地区所有风电场的主变压器相同，场用变压器的工作状态相同。该地区风电场的等值电路如图4所示；其谐振频率、发散速度与风速和并网风机台数的关系如图5所示；风机的特征曲线如图6所示。结合风速与风机转速的对应关系可知：系统阻尼与风机转速正相关，即转速越高系统阻尼越强。不同转速下，都存在阻尼最差的并网风机台数。在此基础上，风机台数增加或减少，系统的阻尼都会增加。正是阻尼与风机台数的这种非线性关系，才使得部分风机脱网后，系统可以达到一种近似临界稳定的状态。若所有风电场共有n台DFIG风机并网运行，那么，整个风电场的串补系统的等效电路如图7所示。若该电路的等效阻抗Z在某个频率上其虚部为0，实部为负，则该频率下，该系统就会发生幅值增加的电气谐振。普通同步发电机中，该现象被称为感应发电机效应（IGE）。普通的IGE现象中，系统负阻尼主要由滑差s的变化引起。而且DFIG中，控制环对负阻尼也具有直接的影响，尤其是转子变换器的控制。一些学者将DFIG上发生的这种次同步频率的振荡称为“次同步控制互作用”（SubsynchronousInteraction,SSCI）。并网风机台数n会影响系统电抗，n越小，电抗就越大，从而导致谐振频率降低。因为电感中含有n的倒数项，所以并网台数越少时，台数对频率的影响就越大。由于转速可以改变等效电阻，即改变了系统的阻尼，进而会影响系统的谐振频率，所以，转速也能改变谐振频率。当风机台数n增大时，转子等效电阻的绝对值会减小，系统的正阻尼就相应增加，所以风机台数越多，SSR的衰减系数就越大；当风机台数较少时，随着谐振频率的降低，励磁电抗也随之减小。当谐振频率低到一定程度后，励磁电感的并联作用就会凸显出来。转子等效阻抗与较小的励磁电抗并联后，就会使最终的负电阻减小，从而使得系统的阻尼增强。以上便是振荡衰减系数与并网风机台数间非线性关系的机理。对于风电场SSR的抑制措施建议有以下两点：①在风速较低且并网风机台数较少或检测到SSR现象存在时，应切除固定串补（已通过现场检验）。②调整DFIG变换器的控制参数，适当减小RSC电流跟踪的比例系数，适当减小定子无功功率控制的比例系数，适当增大GSC直流电压控制的比例系数。

二、新能源发电与微电网电能质量治理问题

1.新能源的电能质量问题智能电网及新能源发电对电能质量治理的新需求主要可以表现为以下几点。1）电力电子设备本身应具备治理能力。2）治理装置应更加节能。3）治理设备应具备综合补偿能力。4）应该提供整套的解决方案。5）各电能质量设备应为智能电网的一部分，应协调控制。目前，新能源接入标准（风电接入标准、太阳能接入标准和储能设备接入标准）对设备接入提出了具体要求，希望能够开发具备电能质量治理能力的新型设备。以风电为例，风力发电的电能质量问题包括异步风力发电机功率因数低、双馈风力发电机和永磁直驱风力发电机的谐波问题以及设备低电压穿越能力不足等。图8所示为我国风电标准对低电压穿越的要求。2.微电网电能质量治理微电网的电能质量治理应注意以下几方面：一是微电网中电力电子装置较多，电能质量干扰源多种多样，导致配置补偿装置比较复杂。二是微电网运行方式多变，补偿需要适应各种不同情况。三是微电网一般较弱，电能质量补偿装置接入易出现谐振，应具备谐振抑制功能。图9为500kW海洋多能互补型独立电力系统。其主要研究的技术包括多能发电的容量匹配设计、直流系统调压控制（如发电－逆变功率调节、DumpLoad等）、交流系统稳定控制、系统整体建模与分析、系统整体EMS控制策略及电能质量分析与控制策略。在直流供配电技术方面，柔性直流输电技术不存在换相失败问题，可以输出或吸收大量无功，在一定范围内有功、无功可以非常快速并且独立地进行调节，还可以快速地转换有功功率的传送方向。避免系统的电压和频率稳定问题，系统薄弱的部分有了柔性直流输电的支持也可以保持稳定运行，在极端情况下还可以为电网提供黑启动的能力，可将电能质量问题分隔开，减小其传播，便于就地治理。对于增强电网的可控性具有重要意义。图10为基于VSC直流配网示意图。此配电网属于五端网络，1、3、4为电源，2、5为负荷。从图中可以看出，交流系统F1和F4故障，不影响2、5负荷用电（S3保持正常供电），可利用S3实现黑启动，快速恢复电网运行；交流系统的电压干扰等不会传导至负荷的逆变电源处，供电质量不受影响；按交流系统10kV，直流为±15kV，输送容量可达15MW以上，约为交流的3倍。当前，电力电子变换器技术已经比较成熟，直流输配电技术将迎来快速发展。对于解决各种电能质量问题，减少谐波干扰，以及提高电网可控性都有很大的帮助。

作者：姜齐荣