多送出场景下新能源发电集群振荡与过电压分析及抑制技术

我国风、光资源与负荷中心逆向分布，2/3以上新能源为大规模集中开发，需要经交流远距离、串联补偿、常规直流或柔性直流送出。新能源发电集群客观上形成了高比例新能源、高比例电力电子的局部双高电力系统，其运行稳定特性与传统电力系统相比发生了深刻变化。2015年起，新疆哈密陆续发生大规模新能源次/超同步振荡脱网事故；2017年起，祁韶直流特高压直流工程送端新能源基地暂态过电压突出；2020年起，锡盟和张北基地振荡及过电压问题开始交织出现。

新能源发电集群经不同方式送出，次/超同步振荡及暂态过电压问题机理不清、抑制措施不明，给我国“三北”地区大型新能源集群的稳定运行带来了严重的安全隐患，对我国如期实现“双碳”目标提出了极大的技术挑战。亟需明晰振荡及过电压问题的产生机理，再从问题的源头提出针对性的治理技术措施，并通过高精度仿真验证治理措施有效性后现场实施，以提高大规模新能源集群的稳定性。

依托国家及国网公司科技项目，项目团队历时11年技术攻关，提出了新能源发电集群次/超同步振荡与暂态过电压分析方法，构建了新能源发电暂态仿真平台，攻克了振荡与过电压综合抑制关键技术，提升了酒泉、锡盟、哈密、张北等千万千瓦级新能源发电集群稳定性，为我国新能源发电的规模化发展提供了重要技术支撑。

1） 新能源发电集群次/超同步振荡机理与风险评估

新能源发电集群及其送出系统，由海量多类型电力电子装置构成，运行特性由多电力电子装置多回路控制主导，控制带宽横跨5个数量级，将电力系统的振荡频率由低频、次同步扩展到超同步甚至更高频段。2015年起，哈密风电集群频繁出现振荡现象导致新能源大规模脱网，振荡机理不清，振荡分析方法缺失，严重影响新能源发电集群及电网的安全稳定运行。

团队建立了计及多回路控制环节的新能源机组阻抗模型，提出了基于控制主导频域分布规律的振荡频率分段划分方法，发明了综合风险频段筛查和振荡模式计算的振荡量化分析方法，开发了新能源并网振荡风险评估软件。应用于哈密等风电集群振荡问题研究，明确了已发生振荡的主导频率、装置与控制回路，为抑制策略的制定提供了依据。

图1  振荡频段划分方法与主导频率定位

图2  新能源并网系统振荡分析软件

2） 新能源发电集群暂态过电压产生机理

电网交、直流故障时新能源进入低电压穿越状态，在故障清除后瞬间新能源发电集群电压显著高于主网电压，且越靠近机端电压越高，其现象不同于传统工频过电压、操作过电压，机理不清。2017年起，暂态过电压风险使祁韶特高压工程送出能力受限。

团队提出了计及锁相失效与控制延时的机组暂态响应定量分析及电压瞬时模值计算方法，揭示了祁韶等直流送端新能源发电集群在直流换相失败及交流N-1故障下暂态过电压产生的机理，为过电压抑制策略的制定提供了理论基础。

图3 暂态过电压模值计算特征

3）新能源发电集群全电磁暂态建模与仿真

新能源仿真模型是分析稳定性的基础，机电暂态仿真基于基频相量，无法表征新能源振荡及过电压问题；而电磁暂态仿真，由于新能源机型多、控制特性差异大，且制造企业保密导致控制“灰箱化”，准确建模难，且新能源发电集群包括上万台并网装置，大规模仿真难。

团队发明了基于新能源控制器源代码封装的电磁暂态建模技术，提出了兼顾仿真精度与速度的新能源场站电磁暂态等值建模技术，建立了千万千瓦级新能源发电集群数字/物理混合仿真平台，开展了哈密、酒泉、张北、锡盟等新能源发电集群次/超同步振荡及暂态过电压问题仿真分析，验证了抑制技术效果，为现场改造实施提供了支撑。

图4  新能源集群全电磁暂态实时仿真平台

图5 2020年张北柔直现场大扰动试验复现

图6 祁韶直流送端过电压抑制效果仿真分析

4）新能源发电集群振荡及过电压综合抑制技术

新能源发电集群接入弱电网存在振荡引发连续低-高电压穿越，以及低电压穿越后出现振荡的现象。新能源机组需同时承担功率控制、故障穿越控制等功能，控制带宽跨5个数量级，且相互重叠，稳态与暂态控制存在相互制约，振荡及过电压综合抑制难。

团队提出了计及送出系统特性的新能源机组稳态与暂态控制参数综合优化技术，与禾望、阳光、华为、金风、远景等新能源装备主流厂家深度合作，完成179个型号风电机组、76个型号光伏逆变器、36个型号SVG的控制优化，机型在总装机中占比超80%，提升了行业技术水平。

图7 综合抑制效果

研究成果首先在新能源与储能运行控制国家重点实验室张北基地开展了单机验证，然后在哈密、酒泉、锡盟、张北等千万千瓦级新能源发电集群成功应用：有效解决了哈密风电集群的次/超同步振荡问题及酒泉风电集群的暂态过电压问题，大幅降低了两大风电集群因稳定问题带来的弃风弃光率；评估发现了锡盟新能源集群经特高压交直流外送系统中振荡风险源及暂态过电压问题，提出了治理措施，成功指导了700万千瓦新能源发电集群安全并网；通过新能源及柔直控制优化，解决了新能源接入张北柔直工程中都站的次/超同步振荡及暂态过电压问题，保障了400万新能源经柔直稳定送出。

图8 张北试验基地现场实证分析

相关研究结果及应用经验支撑团队修订了国家标准《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963.1-2021），制定了行业标准《风电场阻抗特性评估技术规范》（NB/T 10651-2021），规范和引领了我国新能源健康可持续发展，并将继续为我国新能源规模化发展提供技术支撑。