摘要：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。对电力电子化电力系统出现的各种振荡问题进行了探讨。在此基础上，研究了电力电子化电力系统振荡的抑制方法，仿真与部分实际应用成果表明提出的解决方案可以有效地抑制振荡。
关键词：电力电子化电力系统；振荡问题；抑制措施
随着电力系统中电力电子设备及其容量的不断增加，电力系统呈现出明显的电力电子化趋势。这种趋势使得电力系统面临新的问题与挑战，其中影响最大的是电力电子化电力系统中的振荡问题.
1.电力电子化电力系统的振荡问题
电力电子装置接入电力系统后，能否安全稳定运行，主要应考虑两种情况。一种情况是电力系统发生大的扰动后，电力电子装置能否不脱网并且通过调节控制提高系统的安全稳定性；另一种情况是，在系统稳态或发生小扰动情况下，电力电子装置能否安全可靠地运行并发挥其调节控制功能。第1种情况可以归结为电力电子装置在各种低电压、高电压或三相电压不对称工况下的穿越能力，属于暂态问题，本文暂不考虑。本文主要讨论第2种情况，其本质是电力电子装置的振荡问题[1]。传统电力系统的振荡主要分为全局的低频振荡（0~3Hz）及局部发电机与外部网络的次同步振荡（<50Hz）。因电力电子装置具备优良的性能，因此在电力系统中应用越来越普遍，开始时其引起的振荡问题并未引起人们的重视。对于电力电子装置接入电网后引起的局部振荡问题，大多可通过修改其控制策略加以避免。随着电力电子装置应用的日益广泛，在实际工程中，人们发现当众多电力电子变换器并联运行时，某些情况下也能够导致振荡。
2.电力电子化系统振荡的抑制方法
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。
2.1增加虚拟阻尼
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，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，如报道表明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[2]。
2.2 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。针对恒功率控制导致的振荡问题，如果采用恒电流控制,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。对于加入校正环节后的 STATCOM 控制框，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。
2.3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STATCOM 电流跟踪系统中，而Uc2(t)又对注入无功电流非常敏感，因此易于产生振荡。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
2.4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[3]。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，可以选择串联型或并联型次同步阻尼器。采用串联型和并联型SSD后，系统在运行点附近线性化后的特征根的情况，可见无论采用串联型还是并联型SSD装置均可使系统的特征根全部位于左半平面，因而在运行点将不再出现振荡。可见采用串联型或并联型SSD均可有效抑制振荡[4]。
3.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。
【参考文献】
[1]侯俊贤,韩民晓,汤涌,等.机电暂态仿真中振荡中心的识别方法及应用[J].中国电机工程学报,2013,33(25)61-67.
[2]郑超,汤涌,马世英,等.振荡中心联络线大扰动轨迹特征及紧急控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(7)1079-1087.
[3]姜齐荣,王亮,谢小荣.电力电子化电力系统的振荡问题及其抑制措施研究[J].高电压技术,2017,43(04):1057-1066.
[4]刘玉良,姚齐国.非线性动力学系统的混沌控制与反控制[M].上海:上海交通大学出版社,2013.
论文作者:邬晓靖
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/4
标签：装置论文; 阻尼论文; 抑制论文; 电力电子论文; 电力系统论文; 变换器论文; 电子化论文; 《基层建设》2018年第10期论文;