２０２１年
东北电力技术
高㊀贺，杨朋威，石海鹏，陈㊀旭，燕思潼
（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古㊀呼和浩特㊀０１００２０）
摘要：针对一起光伏电站母线电压发生低频振荡，电压频繁越上限的事故进行分析，得出引起电压频繁越上限的原因是系统运行方式改变从而引起短路容量改变，导致光伏站内ＳＶＧ控制参数与系统短路容量不匹配，ＳＶＧ输出无功电流出现低频振荡现象，并进行了时域分析和频域分析㊂针对该问题提出了调整电压外环调节器参数和无功电流滞后常数的解决措施，并通过仿真和实际运行验证了解决措施的可行性㊂ 关键词：低频振荡；电压越限；ＳＶＧ；时域分析；频域分析
［中图分类号］ＴＭ６１５㊀［文献标志码］Ａ㊀［文章编号］１００４－７９１３（２０２１）０２－００３９－０５
ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｏｌｕｔｉｏｎｏｆＶｏｌｔａｇｅＯｓｃｉｌｌａｔｉｏｎＡｃｃｉｄｅｎｔ
ｉｎＰＶＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ
ＧＡＯＨｅ，ＹＡＮＧＰｅｎｇｗｅｉ，ＳＨＩＨａｉｐｅｎｇ，ＣＨＥＮＸｕ，ＹＡＮＳｉｔｏｎｇ
（ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄＥａｓｔＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｏｈｈｏｔ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ０１００２０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔａｎａｌｙｚｅｓａｎａｃｃｉｄｅｎｔｏｆｌｏｗ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｉｎａＰＶｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ，ａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙｅｘ⁃ｃｅｅｄｓｔｈｅｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｕｐ
ｐｅｒｌｉｍｉｔｉｓｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈｃａｕｓｅｓｔｈｅｓｈｏｒｔ⁃ｃｉｒｃｕｉｔｃａｐａｃｉｔｙｔｏｃｈａｎｇｅ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎＳＶＧｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅＰＶｓｔａｔｉｏｎｄｏｎｏｔｍａｔｃｈｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｈｏｒｔ⁃ｃｉｒｃｕｉｔｃａｐａｃｉｔｙ．ＳＶＧｏｕｔｐｕｔｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｈａｓｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，ａｎｄｔｉｍｅｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｒｅ⁃ｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ａｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｒｅｇｕｌａ⁃ｔｏｒａｎｄｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｃ⁃ｔｕａｌｒｕｎｎｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅｏｖｅｒｒｕｎ；ＳＶＧ；ｔｉｍｅｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓ
㊀㊀为维持新能源厂站并网点电压的稳定，新能源厂站内均装设有电容器㊁静止无功补偿器（ＳＶＣ）
或静止无功发生器（ＳＶＧ）等无功补偿设备［１－２］㊂ＳＶＣ和ＳＶＧ都是以并网点电压为控制目标，通过电力电子器件的控制实现对并网点电压的无功支撑［３－４］㊂但当电网运行状态发生变化时，例如电网由正常运行方式变为检修方式时，ＳＶＣ和ＳＶＧ中的控制参数存在与新的运行方式不匹配的问题［５－７］，会导致并网点电压波动，进而引起系统电压波动㊂
本文针对一起光伏电站电压频繁越限的事故进行分析，得出事故原因为ＳＶＧ控制参数与检修方式下系统短路容量不匹配，进而导致ＳＶＧ输出电压和光伏电站电压波动，并进行了时域和频域分析，最后通过调节控制器参数解决了该问题㊂１㊀事故经过
１ １㊀事故当天系统运行方式
Ａ光伏电站位于内蒙古东部地区，总装机容量４０ＭＷ，安装有１台容量为５０ＭＶＡ的１１０ｋＶ／３５ｋＶ变压器㊂站内光伏发电设备主要有８７８台组串式光伏逆变器，站内无功补偿设备为１套３５ｋＶ直挂ＳＶＧ，容量为１１Ｍｖａｒ，控制模式为恒电压方式，控制目标为接入点１１０ｋＶ系统电压㊂该光伏电站自２０１６年６月并网以来，站内光伏逆变器及ＳＶＧ均运行正常，电网电压无异常波动现象㊂
事故当天，２２０ｋＶ甲变电站主变停运㊂Ａ光伏电站通过阿五线接入甲变电站１１０ｋＶ母线，而甲变电站１１０ｋＶ通过阿白线等接入２２０ｋＶ乙变电站１１０ｋＶ侧，Ａ光伏电站１１０ｋＶ母
线－２２０ｋＶ乙变电站１１０ｋＶ侧形成总长度为２０７ｋｍ的长线
㊀
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图１㊀系统接线图
路，系统接线图如图１所示㊂
事故经过如下：２０１９年１１月２６日０８：３０，
Ａ光伏电站上位机告警显示 ３５ｋＶ母线电压越上限３８ ５２５ｋＶ ㊁ １１０ｋＶ母线越上限电压告警
１１７ ８２４ｋＶ ㊁ ３５ｋＶ母线电压越上限电压告警３７ ３９７ｋＶ ㊁
１１０ｋＶ母线电压越上限恢复
１１６ ９８６ｋＶ ，３５ｋＶ和１１００ｋＶ母线电压出现频繁越上限情况㊂
０９：０１，将负荷按８ＭＷ控制后，电网电压波动消失，母线电压恢复正常㊂１１：０１，将负荷增加３ＭＷ至１１ＭＷ，执行完毕后电网电压正常㊂
１１：２０，将负荷增加至１５ＭＷ后，发现电压再次波动，１１０ｋＶ母线电压越限㊂将负荷降至
６ ３ＭＷ后电压波动现象仍未消失㊂１１：５０，ＳＶＧ停运，电网电压波动消失㊂１ ２㊀录波数据分析
根据系统故障录波，发生电压波动期间，Ａ光伏电站内１１０ｋＶ母线电压㊁ＳＶＧ电流波形如图２所示㊂
由图２可以看出，ＳＶＧ电流出现低频振荡，振荡频率为８ ９Ｈｚ，ＳＶＧ电流的波动导致光伏站内
１１０ｋＶ和３５ｋＶ母线电压波动㊂ＳＶＧ后台记录的历史曲线如图３所示㊂由图３可以看出，ＳＶＧ电流无法稳定，出现频繁的容感性切换现象，这种电流在容性和感性之间的频繁切换进而导致系统电压出现频繁的波动，在ＳＶＧ输出的容性无功较大时，就出现了系统电压越上限的情况㊂
２㊀事故分析
Ａ
光伏电站自２０１６年投运以来从未发生过类
似电压波动问题，通过对现场运行情况的分析，
发现事故发生前后的主要区别在于故障发生时系统运行方式发生了变化，由于２２０ｋＶ甲变电站主变停
图２㊀电压波动期间系统电压㊁ＳＶＧ电流波形
图３㊀电压波动期间ＳＶＧ电流曲线
运，Ａ光伏电站通过２０７ｋｍ长的１１０ｋＶ远距离架空线接入２２０ｋＶ海东变１１０ｋＶ侧㊂
初步分析是由于运行方式变化导致线路阻抗变大，线路末端短路容量变小，网架结构变弱，而ＳＶＧ工作于恒电压模式，由于控制参数与系统短路容量不匹配，导致ＳＶＧ输出无功电流出现低频振荡现象，并引起光伏站内母线电压波动㊂以下通过系统短路容量分析㊁时域分析㊁频域分析等３个方面对系统故障原因进行分析㊂
２ １㊀系统短路容量分析
Ａ光伏电站正常运行方式下的系统接线如图４
所示㊂光伏电站经过１０ ７ｋｍ架空线接入２２０ｋＶ甲变电站１１０ｋＶ侧，采用电力系统综合分析程序（ＰＳＡＳＰ）进行仿真，得出甲变电站１１０ｋＶ侧三相短路电流为２ ３９ｋＡ㊂
电站并网点短路容量可计算如下：
２２０ｋＶ甲变电站１１０ｋＶ母线的短路容量为Ｓｔ１＝３ˑ１１０ˑ２ ３９＝４５５ＭＶＡ（１）等效阻抗Ｘｔ１计算如下：
Ｘｔ１＝
１１０ˑ１１０
４５５
＝２６ ５Ω（２）线路阻抗Ｘｔ１按０ ４Ω／ｋｍ估算如下：Ｘｌ１＝０ ４ˑ１０ ７＝４ ２８Ω（３）低频振荡
并网点短路容量：
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高㊀
贺，等：一起光伏电站电压振荡事故分析和解决措施
图４㊀系统单线图（正常模式）
图５㊀系统单线图（检修模式）
Ｓｐｃｃ１＝
１１０ˑ１１０
Ｘｔ１＋Ｘｌ１
＝３９２ ６ＭＶＡ
（４）
电站检修模式下的单线图如图５所示㊂光伏电站经过２０７ｋｍ架空线接入乙变电站，乙变电站三相短路电流为９ ９２５ｋＡ㊂
电站并网点短路容量可计算如下㊂
２２０ｋＶ甲变电站１１０ｋＶ母线的短路容量：Ｓｔ２＝３ˑ１１０ˑ９ ９２５＝１８９１ＭＶＡ（５）等效阻抗Ｘｔ２计算如下：
Ｘｔ２＝
１１０ˑ１１０
１８９１
＝６ ３９Ω（６）
线路阻抗Ｘｌ２按０ ４Ω／ｍ估算如下：Ｘｌ２＝０ ４ˑ２０７＝８２ ８Ω（７）并网点短路容量：
Ｓｐｃｃ２＝
１１０ˑ１１０
Ｘｔ２＋Ｘｌ２
＝１３５ ６ＭＶＡ（８）
由此可以看出，在检修模式下Ａ光伏电站的
短路容量较小，与正常运行方式下相比已经大幅降低，短路容量之比为３ ３９㊂因为短路容量是表征该点电压稳定性和该点与系统电源之间联系强弱的标志，短路容量越大，该点电压稳定性越强，与系统联系越紧密，检修方式下短路容量变小，表明光伏电站与系统联系变弱，根据运行经验，在弱电网工况下由于ＳＶＧ控制参数不匹配容易出现各种次同步及低频振荡现象㊂２ ２㊀时域分析
根据Ａ光伏电站实际电气系统结构和控制参数，在系统不同运行方式，不同短路容量下搭建ＳＶＧ控制系统模型进行时域仿真分析㊂
系统检修方式下仿真得到的ＳＶＧ无功电流有
效值和三相瞬时电流波形如图６所示㊂
图６㊀ＳＶＧ输出无功电流有效值和三相瞬时电流波形（检修模式）
由图６可以看出，ＳＶＧ电流出现明显低频振荡现象
，振荡频率为８ ９Ｈｚ，与现场故障录波结果接近㊂
将仿真模型中系统短路容量修改为正常运行方
式下的数值，其余控制参数均保持不变再次进行仿真，仿真结果如图７所示㊂
图７㊀ＳＶＧ无功电流和三相瞬时电流波形（正常模式）
由图７可以看出，ＳＶＧ电流经过阶跃响应后能迅速进入稳态，未出现振荡现象，与正常运行方式下的实际工况相符合㊂
上述仿真结果表明，系统短路容量改变是系统出现电压波动现象的直接诱因㊂
㊀
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２ ３㊀频域分析
为进一步分析短路容量变小导致系统出现电压波动现象的机理，依据ＳＶＧ实际控制系统模型进行频域仿真分析，恒电压外环控制框图如图８所示㊂
为简化分析图８中的电流内环，用带延时的惯性环节等效㊂图中电压调节器采用ＰＩ调节器，控制系统内部采用数字化方式实现㊂
图８㊀ＳＶＧ控制系统框图
其中：
Ｋｐ＝Ｋｓｙｓｐ（９）
Ｔｉ＝
１
Ｋｓｙｓｉ∗ｆｓ
（１０）
式中：Ｋｓｙｓｐ为比例调节系数；Ｋｓｙｓ
ｉ
为积分调节系数；ｆｓ为控制系统采样频率（５ｋＨｚ）㊂
电压调节器的输出经过惯性环节输出后，再送给电流内环㊂惯性环节控制系统参数名称为无功电流滞后系数（Ｉｃｏｆｆｑ），与图８中Ｔ１对应关系如下：
Ｔ１＝１／Ｉｃｏｆｆｑ
（１１）
在本次光伏电站发生电压波动事故期间，比例
调节系数Ｋｓｙｓｐ设定为－３，积分调节系数Ｋｓｙｓ
ｉ
设定为０ ０４，Ｉｃｏｆｆｑ
的数值设定为５０㊂按检修模式下短路容量参数对控制系统开环传函进行频域分析，开环Ｂｏｄｅ图如图９所示
㊂由图９可以看出，系统开环穿越频率为７ ６
Ｈｚ，对应相角裕度小于０ʎ，处于极其不稳定状态，容易诱发低频振荡㊂
图９㊀开环Ｂｏｄｅ图
３㊀解决方案
为解决现场因控制系统参数不匹配引起的电压波动现象，需对控制系统相关参数进行调整，增加相角裕量，提高系统稳定性，主要包括：调整外环
参数降低带宽；调整电流内环参数降低延时，提高响应速度㊂
３ １㊀调整电压外环调节器参数
电压外环调节器参数Ｋｓｙｓｐ／Ｋｓｙｓ
ｉ
由－３／０ ０４改为
－３／０ ０１，可降低开环转折频率，从而提高相角稳
定裕度㊂修改参数后的时域仿真波形如图１０所示㊂
图１０㊀ＳＶＧ无功电流和三相瞬时电流波形（改变外环参数）
由图１０中可以看出，ＳＶＧ输出电流稳定无振荡，但响应速度稍慢㊂３ ２㊀调整无功电流滞后常数
将无功电流滞后系数Ｉｃｏｆｆｑ
由５０改为１０００，可提高电流跟踪速度㊂时域仿真波形如图１１所示㊂
图１１㊀ＳＶＧ无功电流和三相瞬时电流波形（改变惯性环节时间常数）
由图１１可以看出，ＳＶＧ输出电流阶跃响应较快，但同时超调较大㊂
３ ３㊀同时调整电压外环调节器和无功电流滞后常数
将电压外环调节器参数Ｋｓｙｓｐ／Ｋｓｙｓ
ｉ由－３／０ ０４改为－３／０ ０１，无功电流滞后系数Ｉｃｏｆｆｑ
由５０改为１０００，时域仿真波形如图１２所示㊂由图１２可以看出，ＳＶＧ输出电流阶跃响应较
快，同时无超调㊂
频域仿真结果如图１３所示㊂由图１３可以看出，系统穿越频率为６ ２Ｈｚ，相角裕度为７３ʎ，具有较强的稳定性㊂
３ ４㊀正常工况下同时调整电压外环调节器参数和
无功电流滞后常数
正常运行情况下，电压外环调节器参数Ｋｓｙｓｐ／Ｋｓｙｓ
ｉ由－３／０ ０４改为－３／０ ０１，无功电流滞后系
２０２１年
高㊀贺，等：一起光伏电站电压振荡事故分析和解决措施
数Ｉ
ｃｏｆｆｑ由５０改为１０００，时域
仿真波形如图１４所示㊂
图１２㊀ＳＶＧ无功电流和三相瞬时电流波形（同时改变外环参数
和惯性环节时间常数）
图
１３㊀开环传函Ｂｏｄｅ图（同时改变外环参数和惯性
环节时间常数）
图１４㊀ＳＶＧ无功电流和三相瞬时电流波形（正常工况下
同时改变外环参数和惯性环节时间常数）
图１５㊀开环传函Ｂｏｄｅ图（正常运行方式下同时改变
外环参数和惯性环节时间常数）
由图１４可以看出，ＳＶＧ输出电流无超调和振荡㊂频域仿真结果如图１５所示㊂从图１５可以看出，系统相角裕度为８７ʎ，具有极强的稳定性㊂
以上仿真说明，同时改变外环参数和惯性环节时间常数，可满足不同工况下现场稳定性需要㊂
４㊀结论
ａ 通过理论分析及仿真验证，Ａ光伏电站发
生的电压波动事故，是由于系统运行方式改变，导致系统短路容量降低，而ＳＶＧ工作于恒电压模式，
ＳＶＧ控制参数与系统短路容量不匹配，导致控制系统稳定裕度不足，出现ＳＶＧ电流低频振荡，进而导致系统电压波动㊂
ｂ
通过时域分析和频域仿真分析证明，同时
改变电压外环调节器参数和惯性环节时间常数，可有效提高系统的稳定裕度，从而满足正常运行和检修方式下光伏电站的安全稳定运行㊂
将修改后的控制参数应用于光伏电站内ＳＶＧ控制系统中，在检修方式下和正常运行方式下，系统均未再次发生电压波动事故，证明该解决方案的
合理性和可行性㊂
参考文献：
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作者简介：
高㊀贺（１９９０），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统仿真分析，电力设备故障和缺陷诊断㊂
（收稿日期㊀２０２０－０９－２２）
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