- 頭條2019年英國大停電事故霍恩風電機組大規模脫網事故的技術反思2022-10-24 作者：顏湘武、常文斐 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語根據英國電力監管機構和英國國家電網公司提供的相關信息以及事故調查報告，河北省分布式儲能與微網重點實驗室（華北電力大學）的研究人員顏湘武、常文斐、崔森、孫穎、賈焦心，在2022年第11期《電工技術學報》上撰文，對英國大停電事故進行了總結分析，重點梳理了霍恩風電場大規模風電機組脫網事件的發展過程，對霍恩風電場發生次同步振蕩的具體原因進行了分析，在Matlab仿真軟件中復現了霍恩風電場脫網事故的全過程，為更好地分析事故原因及提出具體可行的解決措施提供了良好基礎。
2019年8月9日，英國發生的大規模停電事故中多組大功率機組同時脫網，引發了一系列的電力事件。盡管英國國家電網公司提供的事故調查報告顯示在故障過程中電網控制系統的反應都符合要求，但仍然有約100萬人受到停電影響，損失負荷約3.2%。9月6日，英國電網運行商發布了最終的調查報告，整理了事故的發展過程，對事故原因進行了分析和反思，總結了今后應對此類事件的經驗，同時匯總了整個事故中所有涉及的企業的分析報告。
此次大停電事件中值得注意的是霍恩(Hornsea)海上風電場因發生次同步頻段內的振蕩而引發的意料之外的大規模脫網，目前對于該次同步振蕩現象少有文獻進行深入分析。對于此次遭受雷擊引起的次同步振蕩事件，霍恩風電廠運營商Orsted指出原因為在次同步振蕩頻率范圍內的阻尼不足。
在遭受雷擊后，霍恩風電場并網點的等效電網強度弱，引發無功控制系統振蕩，導致并網處電壓波動，使得風電廠匯集站的電壓跌落過大，觸發了過電流保護動作，引發風機大規模脫網。故針對霍恩風電系統靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）的設計必須考慮風電系統不同于常規電力系統的特殊性，在并網的同時需要提高解決無功功率問題的精確性。
目前靜止無功補償器控制以PI控制器為主，然而一組固定的PI參數在不同工況下對于靜止無功補償器出力調節效果有差異，無法滿足如今大規模風電場輕載到滿載各種工況下對高精度控制的要求。當系統出現明顯擾動或發生振蕩時，PI環節的控制效果較差，甚至助增振蕩，使得靜止無功補償器的補償難以有滿意的效果，通常具有超調量大、調節時間長、參數適應能力差的缺陷。
而依賴系統精確模型的現代控制理論也不適合應用在復雜的風電系統，目前針對PI控制進行優化的研究大多建立在風電場模型和參數已知的基礎上，但是風電系統是一個地理分布分散并且經常遭到不確定性擾動的系統，難以確定其精確模型及參數，也就難以實現控制器設計，在一定程度上限制了其控制性能。
自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）技術是中科院研究員韓京清教授在20世紀90年代末提出的，可以應對被控對象外擾不明確和系統參數不確定的情況。自抗擾控制獨立于被控對象，不依賴于其精確模型，可對次同步擾動和外界擾動構成的總擾動進行估計和補償，且結構簡單、具有較強的魯棒性，是解決非線性、耦合、時變、不確定系統的有效手段。
大量實踐證明自抗擾控制技術在不確定的大擾動下依然具有非常好的控制效果，但其大量的非線性部件會導致調參過程非常復雜，給自抗擾控制器的實際應用帶來了很大的阻礙。通過對自抗擾控制不斷深入的研究，高志強教授提出了線性自抗擾控制，將參數線性化，大大降低了調參難度，在實際工程運用中也取得了很好的控制效果。有學者對比了線性自抗擾控制（Linear ADRC, LADRC）和PID的控制效果，證明LADRC可以提高SVG補償無功的快速性。
然而靜止無功補償器作為目前電力系統中應用最多、技術最為成熟的動態無功補償設備，卻鮮有文獻提及LADRC技術應用于靜止無功補償器的控制策略及其對于系統次同步振蕩現象的影響。
根據英國電力監管機構和英國國家電網公司提供的相關信息以及事故調查報告，河北省分布式儲能與微網重點實驗室（華北電力大學）的研究人員顏湘武、常文斐、崔森、孫穎、賈焦心，在2022年第11期《電工技術學報》上撰文，對英國大停電事故進行了總結分析，重點梳理了霍恩風電場大規模風電機組脫網事件的發展過程，對霍恩風電場發生次同步振蕩的具體原因進行了分析，在Matlab仿真軟件中復現了霍恩風電場脫網事故的全過程，為更好地分析事故原因及提出具體可行的解決措施提供了良好基礎。
圖1 控制策略結構圖
圖2 霍恩風電場結構圖
為了解決霍恩風電場發生的次同步振蕩問題，研究人員利用線性自抗擾控制抗干擾能力強、對不同工況適應性強的優點，提出使用線性自抗擾控制器替換靜止無功補償裝置的電壓PI控制模塊，對霍恩風電系統中的總擾動進行估計并補償，保證SVC能夠快速適量地輸出無功功率以支持電壓的恢復，為風電機組提供穩定的電網電壓，平滑風機功率輸出，克服系統響應速度與超調之間的矛盾，提高系統的穩定性與魯棒性，有效地抑制了霍恩風電系統次同步振蕩現象。
圖3 霍恩風電場事故復現
圖4 LADRC控制下霍恩風電場的響應
研究人員最后通過仿真驗證了所提控制策略應用于靜止無功補償器后，抑制弱交流風電系統次同步振蕩的有效性，提高了系統的穩定性與抗擾性。他們指出，海上風電系統在弱電網下的次同步振蕩事故是我國發展海上風電可能面對的問題，該策略可為我國海上風電避免此類事故的發生提供參考。
本文編自2022年第11期《電工技術學報》，論文標題為“基于線性自抗擾控制的靜止無功補償器抑制弱交流風電系統次同步振蕩策略”。本課題得到了北京市自然科學基金和國家電網公司總部科技項目的支持。
