基于电能质量监测系统的次同步分析和预警

张 耀，程 阅，裴浩浩

(1.国网新疆电力有限公司哈密供电公司，新疆 哈密 839000，2.国网新疆电力有限公司奎屯供电公司，新疆 奎屯 833200,3.新疆中信金源电力科技有限公司，乌鲁木齐 830011)

0 引 言

随着中国环境污染压力的不断加大，国家提出大力发展新能源、减少碳排放的政策，从2000年之后中国新能源装机容量和装机速度都处于全世界前列。目前中国新能源的装机容量已突破总装机容量的20%，但中国新能源装机中心与负荷中心距离远，需要汇集到固定地点且长距离输送到负荷中心，中国采取了高压直流输电工程来解决能源长距离、大容量输送问题。新能源汇集输送与高压直流工程以及配套火电机组产生了次同步振荡问题[1-2]，双馈机型的风电大容量输送问题更为明显。新疆哈密地区在2016年发生风电次同步振荡问题[3]，造成风电送出地区输送容量受限，极大地影响了中国的新能源送出工程。目前，国内专家学者针对哈密产生次同步振荡的问题提出大量的机理分析和调控建议[4-5]，为国内解决新能源送出问题提供了有益的尝试和合理的解决方案。

目前国内对于次同步振荡的分析和监测主要有两种方案：一是基于WAMS系统[6-8]，该系统是国内变电站和发电厂的标准配置，监测系统主要提供监测点的电压和电流的传输任务，但PMU监测频率最高只有50 Hz，而次同步振荡频率可能在75～100 Hz之间，仅依靠现有的WAMS系统很难满足次同步监测的频率需求；二是依靠便携式仪器进行短时监测，便携式仪器虽能满足采样频率的要求，但无法长时间监测，且仪器价格昂贵，无法实现次同步谐振的经济监测。

由于风电和光伏电站本身都是电力电子设备，在并网的同时会向电网注入一定数量的谐波，因此风电和光伏并网时，在电网公共连接点装设有电能质量监测装置。现有的电能质量监测装置对电网的主要谐波电压和电流都进行监测，最高监测频率为25次谐波，因此依靠电能质量监测装置提供的谐波次数完全能够满足采样定理的要求。电能质量还可以监测间谐波的分布，其功能与次同步监测是类似的，使用现有的电能质量监测装置进行次同步监测的拓展完全具备技术条件和经济条件，有利于提高现有的次同步监测和分析水平，为次同步谐振的监测和分析提供更好的数据条件。

在现有文献研究的基础上，通过对电能质量监测系统采样的原始电流和电压数据进行频谱分析，从而准确计算出次同步振荡的频率成分，实现了次同步振荡频率的监测。此外，通过对新能源送出线路的电压和电流进行监测，利用全波电压和电流数据建立起谐波阻抗模型，将其输入到随机子空间的模型中，输出新能源线路阻抗幅频特性，从而定位次同步振荡发生位置，为实际中次同步监测提供更多的决策信息。

1 电能质量监测系统框架

现有的电能质量监测装置有多种结构，但常用的电能质量监测系统一般采用两级电能质量监测系统，具体结构如图1所示。

图1 电能质量监测系统结构

图1为常见的电能质量监测系统结构，电能质量监测采用点选取监测回路或计量回路进行监测，选取这两个回路的原因是两个回路稳态测量精度较好且不会影响保护回路的动作正确性，具有较好的安全性。电能质量监测数据在就地端子站处理后，将监测后谐波电压、谐波电流、闪变等95%概率值通过通讯网上传到主站，经过子站处理模拟系统采集的电能质量数据量已被压缩，传输压缩后的数据可以提高电能质量监测系统的传输效率。

2 基于电能质量监测数据的次同步传递函数辨识

如图2所示，新能源汇集系统等值为电压源和等值阻抗并联的形式，根据欧姆定律可以写出图2所对应的表达式：

图2 新能源系统的简化等值示意图

Upcc=Us+IpccZs

(1)

式(1)中Ipcc和Upcc为已知量，Zs和Us为未知量。式(1)适用于单相系统，对于三相系统而言，式(1)可以扩展为

(2)

式(2)可以写为如下形式：

(3)

式中：Bi(s)为第i个传递函数的分子；Fi(s)为第i个传递函数的分母；y(t)为实际输出变量；ui(t)为第i个输入变量；e(t)为实际输出y(t)和理想输出∑Gi(s)ui(t)之间的误差；Gi(s)为第i个输入对应的传递函数。

根据式(3),假设电压为输出y(t)，电流为输入ui(t)，使用随机子空间方法可以辨识出对应的传递函数，随机子空间方法的计算原理参见文献[9]。

3 实测分析

测试地点选取在西北某变电站，该变电站为风电送出站，如图3所示。

图3 风电送出站测试期间的接线图

测试期间，变电站的运行方式为220 kV侧并列运行，110 kV侧并列运行，35 kV侧分裂运行。

主变三侧2次谐波如表1所示，主变中压侧2次谐波如表2所示。从表1可以看出，1号、2号中压侧谐波电压和电流最大，中压侧和低压侧相对较小，说明谐波从中压侧向低压侧和高压侧流动，中压侧是潜在的谐波源，向系统注入谐波。

表1 主变三侧2次谐波

表2 主变中压侧2次谐波

从表2分析结果可以看出，中压侧2次谐波电压和谐波电流均比较大，说明风电场提供了一定数量的2次谐波电流。

将唐淖风一线等效为图2中电阻与电压源串联的形式，将唐淖风一线的电压和电流带入式(3)，应用随机子空间方法计算得出如图4所示的阻抗幅值，同时抽取阻抗的实部用于判断振荡的稳定性。

图4 唐淖风一线的阻抗谐振频谱图

图4的唐淖风一线采用式(3)计算的误差在3%，满足工程拟合5%的精度要求。从图4可以看出，唐淖风一线在62.74 Hz处存在一处明显的串联谐振点，此时阻抗实部为负，该频率点对应的风电线路处于不稳定状态。从谐波分析的角度也可以看出，2次谐波电流和电压都处于偏大状态，主要原因是2次谐波的频率点距离62.74 Hz谐振较近，发生明显串联谐振。

图5为唐淖风一线电流的FFT分析结果。从图5可以看出，幅值最大的是50 Hz的谐波电流，次之为60.16 Hz的超同步分量。这与图4分析的结果基本一致，说明唐淖风一线在测试当天发生了轻微的超同步谐振和次同步谐振。从幅值上来看，超同步分量占主导地位，次同步分量次之。

图5 唐淖风一线的电流频谱图

4 结 语

根据实测电能质量数据对风电场的次同步谐振风险进行评估。通过电能质量监测平台采集的数据频率为5 kHz，能够满足次同步分析的需要。风电和光伏是次同步谐振发生的潜在谐振源，而实际中风电和光伏装设有电能质量监测装置，无需额外追加投资。该方案具有较好的技术可行性和经济合理性，虽可以计算风电次同步振荡的谐振点，但需要分析超同步和次同步发生的具体原因，需要采集风电场的详细参数，进行仿真建模重现。