【南方电网】新能源并网谐波振荡特性及分析_25页_13mb

新能源并网谐波振荡特性及分析总结

核心内容概述

随着我国能源结构向绿色低碳转型，新能源（如风电、光伏）的装机容量和发电量持续增长，成为电力系统的重要组成部分。然而，新能源并网过程中，由于其特殊性，容易引发多种类型的谐波振荡问题，包括变流器与电网相互作用产生的谐波振荡、系统与电网相互作用引发的谐波放大以及新能源功率波动引起的强迫功率振荡。这些问题可能导致设备损坏、系统停运，影响电网的安全可靠运行。

主要观点

• 新能源并网系统在运行过程中，由于变流器特性、系统结构及运行工况等因素，容易引发系统振荡，包括低频、中频和高频谐波振荡。
• 谐波振荡现象主要分为三类：
  1. 第I类谐波振荡：新能源并网变流器与电网相互作用引发的振荡；
  2. 第II类谐波振荡：新能源并网系统与电网相互作用引发的谐波放大；
  3. 第III类谐波振荡：新能源功率波动引起的强迫功率振荡。
• 随着新能源装机容量的提升，系统阻抗特性发生变化，容易在阻抗交点处形成谐振，导致系统稳定性下降。
• 海底电缆、锁相环等设备特性对谐波振荡具有显著影响，尤其在电缆长度较长时，容易引发谐波放大现象。
• 新能源接入电网时，其功率波动可能与电网中其他设备产生共振，进而引发系统低频振荡。

关键信息

新能源发展现状

• 截至2023年上半年，我国可再生能源新增装机容量达1.09亿千瓦，占新增装机的77%。
• 风电新增并网2299万千瓦，其中陆上风电2189万千瓦，海上风电110万千瓦。
• 光伏发电新增并网7842万千瓦，其中集中式光伏3746万千瓦，分布式光伏4096万千瓦。
• 截至2023年上半年，风电累计装机3.89亿千瓦，光伏发电累计装机4.7亿千瓦。

谐波振荡事件

• 哈密某风电场：20~80Hz低频谐波导致3台火电机组切机。
• 河北某光伏电站：高频谐波导致SVG退出运行，光伏无法接入。
• 浙江舟山风电区域：高电缆化率电网引发41次高频谐振，烧毁线路联络开关。
• 保山地区：220kV母线出现35次谐波电压波动，SVG+集电线与系统谐振放大。
• 某水电厂：500kV出线出现低频振荡，与光伏电站反复低电压穿越控制相关。
• 某220kV海上风电场：II期投运后，谐波电流和电压异常，5次谐波电压放大倍数达1.6倍。

振荡原因分析

• 第I类谐波振荡：新能源并网变流器与电网相互作用，引发谐振。
• 第II类谐波振荡：系统与电网相互作用，导致谐波放大。
• 第III类谐波振荡：新能源功率波动与电网中其他设备产生强迫功率振荡。

解决思路与措施

• 提升系统阻尼：通过改进控制器参数或结构，提升变流器阻尼，降低系统相位裕度不足导致的振荡风险。
• 引入不对称dq电流控制：通过调整不对称系数 $k$，有效抑制谐波振荡。
• 锁相环相位前馈控制：在锁相环中引入前馈环节，提高系统对相位扰动的适应能力。
• 投入C型滤波器：通过重塑系统端口阻抗特性，实现高频振荡的抑制。
• 电缆参数优化：在海底电缆长度较长时，需考虑其对背景谐波的放大效应，采取宽频无谐振抑制措施。

技术分析方法

• 时域仿真分析：用于模拟和分析新能源并网系统在不同工况下的谐波振荡行为。
• 解析模型分析：通过建立系统阻抗模型，分析系统在不同频率下的响应特性。
• 小信号建模方法：采用状态空间模型和阻抗模型，分析系统在小扰动下的稳定性。
• 频率耦合现象：通过锁相环和派克变换，分析频率耦合分量对系统振荡的影响。
• 导纳模型实验验证：通过实验验证不同控制策略对系统阻抗的影响，优化系统运行参数。

事件实验与验证

• 某220kV海上风电场：
  • II期投运后，谐波电流和电压异常。
  • 试验表明，II期联络电缆长度达52.9km，是导致谐波放大的主导因素。
  • 通过切除II期联络电缆，谐波显著下降。
• 某光伏电站：
  • 光伏反复低电压穿越导致系统强迫功率振荡。
  • 通过分析光伏PV曲线，发现系统电压降低时，进入低电压穿越阶段，有功功率波动。
  • 通过实验验证，改进控制策略可有效抑制低电压穿越引起的振荡。

总结

新能源并网系统在推动我国能源绿色低碳转型的同时，也带来了多种谐波振荡问题。这些问题包括：

• 变流器与电网相互作用引发的谐波振荡；
• 系统与电网相互作用引发的谐波放大；
• 新能源功率波动引起的强迫功率振荡。

为保障新能源并网系统的安全稳定运行，需从以下方面入手：

• 提高系统对谐波振荡的识别与分析能力；
• 优化并网变流器控制策略，提升系统阻尼；
• 引入相位前馈控制，提高系统对相位扰动的适应能力；
• 投入C型滤波器，重塑系统端口阻抗特性；
• 优化电缆参数，减少背景谐波的放大效应；
• 综合考虑风电场运行工况、电缆长度及电网耦合强度等因素，制定针对性的无谐振抑制措施。

通过上述措施，可有效提升新能源并网系统的稳定性，保障新型电力系统的安全运行。