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2019年8月9日，英國發(fā)生的大規(guī)模停電事故中多組大功率機(jī)組同時脫網(wǎng)，引發(fā)了一系列的電力事件。盡管英國國家電網(wǎng)公司提供的事故調(diào)查報告顯示在故障過程中電網(wǎng)控制系統(tǒng)的反應(yīng)都符合要求，但仍然有約100萬人受到停電影響，損失負(fù)荷約3.2%。9月6日，英國電網(wǎng)運(yùn)行商發(fā)布了最終的調(diào)查報告，整理了事故的發(fā)展過程，對事故原因進(jìn)行了分析和反思，總結(jié)了今后應(yīng)對此類事件的經(jīng)驗(yàn)，同時匯總了整個事故中所有涉及的企業(yè)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(fēng)電場因發(fā)生次同步頻段內(nèi)的振蕩而引發(fā)的意料之外的大規(guī)模脫網(wǎng)，目前對于該次同步振蕩現(xiàn)象少有文獻(xiàn)進(jìn)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(fēng)電廠運(yùn)營商Orsted指出原因?yàn)樵诖瓮秸袷庮l率范圍內(nèi)的阻尼不足。

在遭受雷擊后，霍恩風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的等效電網(wǎng)強(qiáng)度弱，引發(fā)無功控制系統(tǒng)振蕩，導(dǎo)致并網(wǎng)處電壓波動，使得風(fēng)電廠匯集站的電壓跌落過大，觸發(fā)了過電流保護(hù)動作，引發(fā)風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)。故針對霍恩風(fēng)電系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator, SVC）的設(shè)計必須考慮風(fēng)電系統(tǒng)不同于常規(guī)電力系統(tǒng)的特殊性，在并網(wǎng)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(bǔ)償器控制以PI控制器為主，然而一組固定的PI參數(shù)在不同工況下對于靜止無功補(bǔ)償器出力調(diào)節(jié)效果有差異，無法滿足如今大規(guī)模風(fēng)電場輕載到滿載各種工況下對高精度控制的要求。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)明顯擾動或發(fā)生振蕩時，PI環(huán)節(jié)的控制效果較差，甚至助增振蕩，使得靜止無功補(bǔ)償器的補(bǔ)償難以有滿意的效果，通常具有超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長、參數(shù)適應(yīng)能力差的缺陷。

而依賴系統(tǒng)精確模型的現(xiàn)代控制理論也不適合應(yīng)用在復(fù)雜的風(fēng)電系統(tǒng)，目前針對PI控制進(jìn)行優(yōu)化的研究大多建立在風(fēng)電場模型和參數(shù)已知的基礎(chǔ)上，但是風(fēng)電系統(tǒng)是一個地理分布分散并且經(jīng)常遭到不確定性擾動的系統(tǒng)，難以確定其精確模型及參數(shù)，也就難以實(shí)現(xiàn)控制器設(shè)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(shù)是中科院研究員韓京清教授在20世紀(jì)90年代末提出的，可以應(yīng)對被控對象外擾不明確和系統(tǒng)參數(shù)不確定的情況。自抗擾控制獨(dú)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(gòu)成的總擾動進(jìn)行估計和補(bǔ)償，且結(jié)構(gòu)簡單、具有較強(qiáng)的魯棒性，是解決非線性、耦合、時變、不確定系統(tǒng)的有效手段。

大量實(shí)踐證明自抗擾控制技術(shù)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(dǎo)致調(diào)參過程非常復(fù)雜，給自抗擾控制器的實(shí)際應(yīng)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(qiáng)教授提出了線性自抗擾控制，將參數(shù)線性化，大大降低了調(diào)參難度，在實(shí)際工程運(yùn)用中也取得了很好的控制效果。有學(xué)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(bǔ)償無功的快速性。

然而靜止無功補(bǔ)償器作為目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多、技術(shù)最為成熟的動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，卻鮮有文獻(xiàn)提及LADRC技術(shù)應(yīng)用于靜止無功補(bǔ)償器的控制策略及其對于系統(tǒng)次同步振蕩現(xiàn)象的影響。

根據(jù)英國電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)和英國國家電網(wǎng)公司提供的相關(guān)信息以及事故調(diào)查報告，河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）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(shù)學(xué)報》上撰文，對英國大停電事故進(jìn)行了總結(jié)分析，重點(diǎn)梳理了霍恩風(fēng)電場大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事件的發(fā)展過程，對霍恩風(fēng)電場發(fā)生次同步振蕩的具體原因進(jìn)行了分析，在Matlab仿真軟件中復(fù)現(xiàn)了霍恩風(fēng)電場脫網(wǎng)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(chǔ)。

圖1 控制策略結(jié)構(gòu)圖

圖2 霍恩風(fēng)電場結(jié)構(gòu)圖

為了解決霍恩風(fēng)電場發(fā)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(qiáng)、對不同工況適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，提出使用線性自抗擾控制器替換靜止無功補(bǔ)償裝置的電壓PI控制模塊，對霍恩風(fēng)電系統(tǒng)中的總擾動進(jìn)行估計并補(bǔ)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(fù)，為風(fēng)電機(jī)組提供穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓，平滑風(fēng)機(jī)功率輸出，克服系統(tǒng)響應(yīng)速度與超調(diào)之間的矛盾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性，有效地抑制了霍恩風(fēng)電系統(tǒng)次同步振蕩現(xiàn)象。

圖3 霍恩風(fēng)電場事故復(fù)現(xiàn)

圖4 LADRC控制下霍恩風(fēng)電場的響應(yīng)

研究人員最后通過仿真驗(yàn)證了所提控制策略應(yīng)用于靜止無功補(bǔ)償器后，抑制弱交流風(fēng)電系統(tǒng)次同步振蕩的有效性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗擾性。他們指出，海上風(fēng)電系統(tǒng)在弱電網(wǎng)下的次同步振蕩事故是我國發(fā)展海上風(fēng)電可能面對的問題，該策略可為我國海上風(fēng)電避免此類事故的發(fā)生提供參考。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于線性自抗擾控制的靜止無功補(bǔ)償器抑制弱交流風(fēng)電系統(tǒng)次同步振蕩策略”。本課題得到了北京市自然科學(xué)基金和國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目的支持。