风电并网系统次/超同步振荡的动态监测方法研究

近年来,我国大规模风电基地中出现了新型次/超同步振荡问题,其频率具有时变特性。已有的同步相量测量单元(PMU)和广域测量系统无法准确监测其动态发展过程。鉴于此,本文首先探讨了次/超同步谐波对传统PMU算法的不良影响,剖析谐波引起基频相量测量误差的根源。其次,提出一种具有频率自适应控制能力的次/超同步谐波相量检测方法,能够准确判断系统中是否出现次同步振荡,并检测出基波相量和次/超同步谐波相量。最后,通过搭建实际系统的电磁暂态仿真模型分析验证了改进算法的有效性和精确性。     

基于宽频量测间谐波潮流计算的次/超同步振荡溯源方法

宽频量测技术的快速发展为部分新能源发电并网节点的次/超同步振荡监测提供了有效手段,但是由于测量单元布点限制,难以获得全网的振荡传播和分布。为此,提出了一种基于新能源发电并网点宽频量测间谐波潮流计算的次/超同步振荡溯源方法。给出了次同步振荡频率下间谐波潮流算法的网络模型和元件模型,总结了间谐波潮流计算的详细步骤,通过间谐波潮流计算可得到各个节点的间谐波电压电流分布,进而获得全网次/超同步振荡传播路径。当新能源发电系统次同步振荡传播引发邻近火电机组轴系扭振时,存在扭振机组间谐波等效阻抗突变的特性,从而造成间谐波潮流分布发生变化,根据预想振荡状态下间谐波潮流计算结果与实际宽频量测结果间的不同,可用于新能源发电次同步振荡引发邻近火电机组轴系扭振的溯源定位。最后,基于四机两区域系统和IEEE 10机39节点系统算例验证了所提方法的有效性和准确性。     

一种工程化检测次同步和超同步相量的方法

针对工程现场检测次(超)同步分量频谱分辨率稀疏的现状,文中总结现有算法工程应用的不适应性,提出快速傅里叶算法(fast fourier transformation,FFT)计算的工程化方法。首先结合低通滤波及FFT数据窗长度来消除频谱混叠的影响,再通过FFT计算结果的递减特性来消除基波频谱泄露对谐波计算的干扰,最后运用FFT修正算法消除栅栏效应的影响以准确计算次(超)同步振荡谐波的频率与幅值,同时根据FFT频谱幅值的极值出现次数来区分幅值突变的运行工况。以此为基础开发的监控装置能够满足电网次(超)同步振荡准确监控的功能要求。     

基于同步相量数据的间谐波还原算法

随着新能源的快速发展,越来越多的电力电子设备应用在了电网中,导致电力信号中出现了频率为次同步及超同步的间谐波。当这些间谐波严重时会造成次同步振荡,危害电网安全。因此,间谐波的监测预警至关重要。目前,同步相量测量单元(PMU)已在电网中大量装备,这为监测电网中的间谐波提供了可能。基于PMU测量相量,提出了一种间谐波的还原算法。提出了基于复数相量的次/超同步间谐波提取方法。针对频谱分析所得的频率和幅值误差较大的问题,提出了将间谐波的频率和幅值分开求解的思路:基于能量重心法修正间谐波的计算频率;进一步地,提出了基于最小二乘法的间谐波幅值校正方法。通过仿真验证以及电力系统实际录波数据的测试表明,所提方法能够在电气量中含有多个对称和非对称间谐波、高噪声条件下较为准确地计算得到间谐波的频率和幅值。     

基于PMU相量的次/超同步间谐波识别方法

新能源的集中并网以及直流输电的快速建设使电力电子设备在电力系统中大规模应用,导致越来越多的次/超同步间谐波被引入电网,严重影响新能源的发展与电力系统的安全。PMU因其测量的同步性、快速性和精确性使大面积监测间谐波的产生、传播和分布成为可能,可为后续的间谐波抑制与控制提供基础。推导了含有间谐波信号的单相及三相瞬时功率表达式,揭示了基于瞬时功率的间谐波监测的局限性。提出了含有间谐波的相量表达式,揭示了间谐波对相量幅值、相角及其复数形式的影响机理。进一步,提出了基于PMU测量相量的间谐波识别方法,并在广域同步测量系统(wide-area measurement system,WAMS)主站上进行了实现。利用中国西部某新能源汇集地区,因间谐波的大量存在导致火电机组次同步振荡事件的现场实际数据,验证了理论分析的正确性与提出的监测方法的有效性。     

基于ip-iq法的改进谐波电流检测方法

针对现有谐波电流检测算法难以准确检测次同步谐波和超同步谐波电流的问题,提出了一种改进的ip-iq谐波电流检测算法。首先明确了低通滤波器平缓衰减性和动态调节能力不足是谐波电流检测精度不高的根本原因,然后采用在基频附近具有陡峭衰减特性的自调谐滤波器取代低通滤波器,实现了在不降低整数次谐波电流滤除效果的同时加强了次同步谐波和超同步谐波电流的检测效果;通过基于改进双曲正弦函数的自适应滤波算法改善ip-iq算法的动态特性,建立步长参数与谐波补偿电流的函数关系,实现步长参数的动态调整,克服了次同步谐波和超同步谐波电流的时变准稳态特性对谐波检测的不利影响,并通过电流畸变率、谐波含有率指标来评价改进算法的检测效果,仿真实验验证了改进算法的有效性。相较于传统ip-iq谐波电流检测法,本文方法可将谐波电流检测精度提高了23.59%,实现了次同步谐波和超同步谐波环境下对谐波电流的准确检测。     

新能源汇集地区广域次同步振荡监测系统研究与构建

新能源汇集地区广泛使用的电力电子设备容易产生大量次同步谐波,引发电力系统次同步振荡现象。为了实时监测及收集次同步振荡信息以研究振荡产生机理和控制方法,提出基于次同步谐波传播通道的PMU、SMU子站部署原则,将子站与WAMS主站呈辐射型互联构建广域次同步振荡监测系统。最后,将系统应用于新疆哈密地区后能实时精准、有效地监测到大量次同步振荡信息,直观地展示了次同步振荡的动态发展过程,为后续研究提供数据基础。     

基于同步相量轨迹拟合的电力系统次同步/超同步振荡的实时参数辨识EI北大核心CSCD

基于同步相量数据的次同步振荡参数辨识可有效监测次同步振荡的动态过程。该文提出一种基于同步相量轨迹拟合的电力系统次同步/超同步振荡的实时参数辨识方法。通过求解超定非线性的同步相量轨迹拟合方程组,能准确得到频移基波、次同步和超同步分量的频率、幅值和相位。该方法利用各分量对应的同步相量正负频率部分耦合而成的椭圆轨迹特性,仅依据100ms的同步相量数据序列即可进行高实时性的参数辨识。所提算法相比现有算法的优势在于,一方面可辨识与次同步分量耦合的超同步分量参数;另一方面超短数据窗大幅提升了算法实时性,并克服了频谱分析法的频率分辨率受限问题。模拟同步相量测量终端(phasor measurement unit,PMU)数据和实际仿真数据的对比分析结果表明,所提方法可准确获取基波和次同步/超同步振荡参数,并有效实现次同步振荡的动态实时监测。     

基于瞬时功率的次同步振荡频率提取及振荡源识别方法

大规模新能源并网引发的次同步振荡严重威胁电力系统的安全稳定运行。为满足次同步振荡在线告警需求，需要分析宽频测量数据并快速提取振荡分量，快速检测到次同步振荡并精准切除振荡源已是迫切需要解决的关键技术。该文推导了对称和不对称三相电路中含有次同步频率电源时的瞬时功率表达式，揭示了瞬时功率主要为恒定功率分量和次同步频率的交变功率量；在此基础上，提出基于整周期瞬时功率差的次同步振荡频率提取方法，相比于快速傅里叶变换的计算速度大幅提升，避免了栅栏效应和频谱泄露问题；并提出了利用半周期瞬时功率差的次同步振荡源识别方法，可以对多风电场集中并网系统进行次同步振荡源定位，进而为精准切机提供支撑。时域仿真结果表明，该文提出的次同步振荡频率提取方法的计算速度相比快速傅里叶变换有显著提升，振荡源机组辨识方法具有较高的精度。     

新能源并网系统次同步谐波相量检测方法

新能源汇集地区产生的次同步谐波会影响电网安全稳定运行,传统傅里叶算法的次同步谐波检测精度容易受到频谱泄漏和栅栏效应的影响。为了提高次同步谐波相量的检测精度,提出了一种基于Nuttall窗和全相位傅里叶分析(apFFT)的新算法。通过将采样数据分成N段,并加两次4项5阶Nuttall窗,得到预处理后的N点数据分段再进行FFT。进而,基于apFFT和传统FFT幅值的平方关系以及apFFT自身的"相位不变性",校正幅值和频率的全相位谱分析结果。相比于特征根分析方法和插值校正傅里叶方法,该方法在保持傅里叶方法快速性的同时提高了次同步谐波检测精度。仿真结果验证了该方法的有效性。     

新能源汇集区域次同步振荡控制防线的研究与应用

随着国家对新能源发展的大力支持,风电、光伏装机规模呈现快速增长,尤其是风能、太阳能资源丰富的区域,新能源呈现集中式开发。但是新能源汇集区域多位于电网末端,系统短路电流水平低,同时新能源均通过电力电子装置并网,从而引发了次同步振荡问题。随着电网中电力电子化元件大量采用,元件自身、元件与元件之间相互协调影响作用进一步凸显,次同步振荡问题进一步恶化。因此在次同步振荡机理尚不明确的前提下,开展次同步控制防线研究,抑制和隔离次同步振荡发生。开展了次同步振荡原因分析;结合现有的电网防御体系,建立新能源汇集区域次同步控制防线,提出了基于机组模态频率的次同步振荡控制系统;对某一次同步振荡分析,验证了所提出的次同步控制系统的正确性。研究成果为新能源汇集区域的次同步振荡控制提供了技术方案,保障了新能源汇集区域电网安全稳定运行。     

特高压近区风电汇集地区次同步振荡特征及防控措施

特高压近区的新能源汇集区域中,广泛使用的电力电子设备容易产生大量次同步谐波,引发电力系统次同步振荡现象。以新疆哈密±800 kV特高压近区的风电集中接入地区次同步案例为切入点,开展振荡特征和振荡关联因素分析,提出次同步振荡监测、控制、抑制3项措施。经实际应用表明,监测及控制系统可有效监控振荡发生,并抑制直流近区风电汇集区域的次同步振荡发生,提高电网的运行可靠性。     

基于滑窗FFT的次同步振荡时变幅频在线监测方法

提出基于滑窗FFT（快速傅立叶变换）的次同步振荡时变幅频监测方法,对振荡信号的时变模态参数进行在线辨识。首先采用加窗插值方法减少频谱泄露和栅栏效应,降低FFT辨识误差。然后,通过时间窗的滑动对每个时间窗截取的信号进行FFT,得到振荡频率和振荡幅值的动态序列,即频率和幅值随时间变化关系,通过对时变振荡幅值的分析计算得到衰减因子的动态序列。最后,以理想非平稳信号、仿真信号及电网实测信号作为测试算例,通过与Prony和HHT算法的对比分析,表明该方法不仅不受模态混叠现象影响,而且具有一定抗噪能力,能够有效辨识随机时变振荡模态,实现次同步振荡在线监测分析。     

解耦多同步参考坐标系电网电压同步信号检测方法

在新能源发电并网中,并网变换器需根据电网运行状态实施相应的控制以保证其安全可靠运行。需要对电网电压的频率和相位实现快速准确的检测,同时还需要为变流器的并网运行提取出正负序分量。本文针对解耦双同步参考坐标系锁相环在谐波情况下频率检测结果和同步效果差的问题,提出了一种解耦多同步参考坐标系电网电压同步信号检测方法。该方法通过正负序dq轴系以及低次谐波的dq轴系分解,实现了多轴系dq分量的解耦,可以在电网电压不对称和含有谐波分量的情况下,快速提取出电网电压的频率和相位信息,同时还可得到正负序分量的dq轴变换结果。实验结果表明提出的方法在电网电压不对称、频率变化和含有多次谐波情况下均具有很好的同步效果。     

基于滑窗FFT的次同步振荡时变幅频在线监测方法

提出基于滑窗FFT（快速傅立叶变换）的次同步振荡时变幅频监测方法,对振荡信号的时变模态参数进行在线辨识。首先采用加窗插值方法减少频谱泄露和栅栏效应,降低FFT辨识误差。然后,通过时间窗的滑动对每个时间窗截取的信号进行FFT,得到振荡频率和振荡幅值的动态序列,即频率和幅值随时间变化关系,通过对时变振荡幅值的分析计算得到衰减因子的动态序列。最后,以理想非平稳信号、仿真信号及电网实测信号作为测试算例,通过与Prony和HHT算法的对比分析,表明该方法不仅不受模态混叠现象影响,而且具有一定抗噪能力,能够有效辨识随机时变振荡模态,实现次同步振荡在线监测分析。     

针对电网不平衡与谐波的锁相环改进设计

在新能源并网发电系统中,准确地提取电网电压的频率、相位和幅值等电网同步信号是实施有效控制的基础。针对电网不平衡与谐波条件下电网同步信号的检测需求,提出了一种静止坐标系下的改进型锁相环设计方法。该方法采用谐振器提取并滤除电网电压中的高频谐波,结合自适应陷波器(ANF)与正负序消除环路(PNSC)完成电压正负序分离,进而准确地提取电网正序电压的同步信息。仿真和实验结果表明,在不平衡与谐波电网条件下,所设计的锁相环能够快速准确地锁定电网电压的属性,且具有检测精度高、对频率波动鲁棒性强等优点,可为新能源并网发电控制提供可靠的基准信号。     

新能源汇集地区次/超同步振荡监测告警及控制系统研究

天中±800kV特高压直流送端(新疆哈密地区)是风、光、火打捆经直流送出的复杂系统,存在较高的次/超同步振荡的风险。针对新疆电网新能源汇集地区次/超同步振荡现有监测告警系统不足之处,提出了改进方法和优化方案,建立了监测系统三道防线和告警系统两个平台;针对现有稳控系统不足之处,提出了振荡定位方法和改进切机方案,建立了稳控系统三道防线。改进后的监测告警及控制体系能对振荡进行实时监控、及时告警并进行快速抑制,提高了电网运行可靠性。     

基于暂稳态录波数据的多模态非同步振荡问题研究与分析

随着规模化风电的快速开发,新疆哈密地区集群化风电基地已初步形成规模。但由于风电均处于电网末端,网架结构薄弱,且呈现串供接力供电,风电的波动性和随机性对电网的安全稳定运行产生较大的影响。特别是近年来在直流近区、风电汇集地区出现的非同步振荡(包含次同步振荡和超同步振荡)现象,目前对其发生的机理还未完全研究清楚。本文结合次同步振荡在线监测装置暂稳态录波数据,分析了次同步振荡分量提取方法,对其暂稳态数据结果的不同原因进行了分析研究,提出了利用暂稳态数据对多模态非同步振荡进行分析需关注的方面。对风电规模化开发、运行和优化协调控制奠定了坚实的基础,对含大量电力电子元器件电网的非同步振荡分析及治理具有重要的参考价值。     

基于Hilbert变换和预设旋转频率的无锁相环电网同步基准正弦信号检测方法

新能源发电并网过程中,电网同步基准正弦信号检测是并网关键之一,特别是在电网不平衡、畸变、频率波动和频率偏移等复杂工况下,对电网同步基准正弦准确检测造成较大干扰。为此提出一种基于Hilbert变换和预设旋转频率的无锁相环电网同步基准正弦信号检测方法。该方法通过预设同步旋转频率进行特定次频率分量正、负转换,然后运用Hilbert变换的幅相特性和一定的运算消除正序谐波分量、基波负序分量和负序谐波分量。所提方法能在复杂的工况下准确提取电网同步基准正弦信号,理论和实验验证了该方法的有效性和可行性。     

基于VSC的双馈风电场群宽频带次同步谐振抑制作用分析与实验

双馈风电场的次同步谐振频率具有宽频时变特性,为其抑制带来了难题。对此,基于并联型电压源换流器(VSC)技术,设计了双馈风电场群宽频带次同步谐振的抑制装置,并将其安装于风电场群的汇集线上,将抑制装置等效为受控源,给出了分析该装置抑制双馈风电场次同步谐振作用的等值电路的一般形式和简化形式,通过次同步电流的响应方程揭示了其抑制次同步谐振的作用。该装置测取汇集线的次同步电流作为馈入信号,采用宽频滤波器并进行相位补偿的方案提取振荡模态,调整其幅值和相位后,向系统中注入次同步阻尼电流,通过增强系统阻尼实现抑制。不同工况下的数字-物理闭环仿真实验结果表明,通过参数优化设计,该装置能快速、准确地动态检测出宽频带次同步谐振信号并实现有效的抑制,可集中解决大型风电场群的时变次同步谐振。