新能源发电接入电网激发谐波振荡的机理及其抑制方法研究

With the rapid development of power generation from renewable energy, such as wind and PV, a large number of renewable energy power converters have been connected to the power grid, resulting in frequent occurrence of harmonic oscillation accidents. Harmonic oscillation easily leads to a large number of generator tripping, causing severe power grid safety accidents and huge economic losses, which has been the serious obstacles in the process of the renewable energy utilization. However, the mechanism of harmonic oscillation generating is still not clear, which makes it difficult to assess the resonance risk and solve this problem. Based on the impedance analysis method, this project intends to reveal the mechanism of harmonic oscillation generation, clarify the vital factors of exciting harmonic oscillation, and propose an optimal method of harmonic oscillation suppressing. The research of this project will cover the following aspects: studying the frequency coupling characteristic and harmonic effect of the converter, explaining the harmonic oscillation mechanism from the point of view of the impedance characteristics; using multi-variable impedance model to study and figure out the key factors to stimulate the harmonic oscillation; studying the robustness of the impedance reshaping method, verifying the dynamic and static converter performance after adding the impedance reshaping method, and proposing an optimal oscillation suppression method. The output of this project will provide theoretical support for the analysis and solution of harmonic oscillation problems of new energy grid-connected.

随着风电、光伏等新能源发电的快速发展，大量的新能源发电变流器接入电网中，导致谐波振荡事故频发。谐波振荡易引起大量机组切机，造成重大的电网安全事故，产生巨大的经济损失，对新能源的发展形成了严重阻碍。目前，产生谐波振荡的机理仍不明确，导致谐波振荡的风险评估和治理方法受到限制。本项目拟基于阻抗分析方法，揭示谐波振荡的产生机理，理清激发谐波振荡的关键影响因素，提出抑制谐波振荡的优化方法。项目内容包括：研究变流器的频率耦合特性和谐波效应，从变流器阻抗特征的角度解释谐波振荡机理；采用多变量阻抗模型，研究不同因素对变流器阻抗的影响规律，确定激发谐波振荡的关键因素；研究抑制谐波振荡的变流器阻抗重塑方法的鲁棒性，校验加入阻抗重塑方法后的变流器动态和静态性能，并综合鲁棒性分析和性能校验结果提出优化的振荡抑制方法。该项目的研究成功将为新能源并网谐波振荡问题的分析和解决提供理论和方法支撑，促进新能源的快速发展。

随着风电、光伏等新能源发电的快速发展，大量的新能源发电变流器接入电网中，导致谐波振荡事故频发。谐波振荡易引起大量机组切机，造成重大的电网安全事故，产生巨大的经济损失，对新能源的发展形成了严重阻碍。目前，产生谐波振荡的机理仍不明确，导致谐波振荡的风险评估和治理方法受到限制。针对此问题，本项目从新能源并网系统谐波振荡的产生机理，激发谐波振荡的关键影响影响因素和优化的谐波振荡抑制方法三个方面开展了研究工作。①在谐波振荡机理方面，建立了描述系统频率耦合的自导纳和伴随导纳模型，相比于忽略频率耦合的模型，此导纳模型使得稳定性分析结果更为准确。进而基于该模型精确地预测无振荡边界，判断了系统运行在临界稳定状态的条件，研究了发散振荡过程中的阻抗变化趋势，准确解释了欠阻尼系统从激发振荡到产生持续振荡的过程。此方面的研究工作为分析诱发谐波振荡的影响因素提供理论基础。②在关键影响因素方面，基于考虑频率耦合的阻抗分析法，首先分析了锁相环带宽对谐波振荡的影响，发现了锁相环带宽越低、系统稳定裕度变高，系统阻尼增加。其次分析了电压前馈控制对振荡的影响，发现振荡频率在锁相环带宽内，电压前馈可提高稳定裕度；而振荡频率在锁相环带宽外，电压前馈会降低稳定裕度。最后，分析了不对称电流控制对振荡的影响，发现负的不对称系数会降低系统稳定裕度，而正的不对称系数会增加系统的稳定裕度。此方面的研究工作为提出优化的谐波振荡抑制策略提供方法依据。③在优化的谐波振荡抑制方面，提出了比例电压前馈控制和dq轴电流不对称控制，提升了系统的稳定性，避免谐波振荡的发生，且不改变电流环的动态响应。所提策略均基于真实控制器硬件在环平台进行了实验验证。本项目按原定计划书执行，并完成所有研究目标与内容，一方面，为新能源并网产生的振荡问题分析提供了一定的理论指导，在一定程度上填补持续振荡产生分析的空白，另一方面，为谐波振荡的抑制提供了可靠的技术方案。