新能源电力系统宽频振荡多发电机协同增强阻尼控制技术

1、2020年度提名河北省技术发明奖项目公示（四）一、项目名称：新能源电力系统宽频振荡多发电机协同增强阻尼控制技术二、提名单位：国网河北省电力有限公司三、项目简介西电东送是党和国家推进区域协同发展和实施大气污染防治的战略决策，送、受端电 网的稳定运行对国家安全和经济社会发展具有重要意义。随着随机性新能源发电的规模化接 入，电网运行方式更加复杂多变，送、受端电网宽频段负、弱阻尼振荡问题日益突出，导致 陕西、内蒙送京津冀两大通道输电能力受限230万千瓦，送端弃风弃光与京津冀硬缺电并存。 为解决这一卡脖子难题，亟需突破以下瓶颈：火电与新能源振荡模式、频率和时间尺度均 不同，多类控制器交互作用，大电网多机

2、协同控制难。电力系统稳定器（PSS）针对特定 方式设计，运行方式变化时则可能减弱阻尼并激发振荡。新能源变流器电力电子快速响应， 导致振荡频率时变，宽频振荡跟踪控制难。为服务京津冀协同发展战略，项目组历时5年持续攻关，建立了源网协同数字仿真实 验室，通过多时间尺度机电-电磁混合仿真研究，对现有事后单点治理型振荡控制技术进行 变革创新。发明了新能源电力系统宽频振荡的多机协同控制技术与火电、新能源发电的自适 应增强阻尼控制技术，主要发明如下：发明了电力系统宽频振荡的多机协同控制技术。首次建立了火电机组轴系等机械量 与电气量耦合的全参数统一阻抗模型；利用WAMS实测数据与解耦仿真分析，提出了基于聚 合

3、等值阻抗的振荡模式在线辨识与稳定评估方法，评估准确率299.19%；针对负、弱阻尼模 式，采用分枝定界法在线求取低交互、高可控广域控制环组合，实现了上层多机协同与底层 控制器分散设计的统一，攻克了大电网宽频振荡的多机协同控制难题。发明了多变方式下火电机组自适应增强阻尼控制技术。建立了适应新能源不确定性 的应急电力系统稳定器模型（E-PSS），基于电网实时运行方式，提出了基于概率特征根灵 敏度分析的E-PSS多机选址与参数在线优化整定方法，突破了多变方式下多发电机阻尼难 以协调提升的瓶颈。发明了复杂工况下新能源发电自抗扰增强阻尼控制技术。提出了基于自抗扰技术的 新能源变流器及其送出系统附加阻尼控

4、制方法，利用改进扩张状态观测器实时估计并网点的振荡扰动，动态反馈补偿变流器与线路串补附加控制分量，自抗扰增强了新能源发电低频与 次同步频段阻尼，从源、网两侧协调解决了宽频、时变振荡跟踪控制难题。项目授权发明专利10项，发表三高论文18篇。研制的E-PSS装置获全国电力职工技 术创新一等奖，风电功率检测能力通过中国计量认证，省科技厅评价认为本项目整体技术达 到国际先进水平，并被河北日报等媒体报道。与其他技术相比，该成果实现了宽频振荡的事 后被动治理向全面主动支撑的根本转变，推动了电力系统稳定控制领域的技术进步。四、应用情况及应用效果该项目成果2017年8月开始陆续在河北南部电网整体技术应用，通过

5、部署宽频振荡模 式辨识与稳定裕度评估分析平台，指导河北南部各火电和风电发电单位开展多阻尼控制器的 协同设计，实现了送、受端电网多种电源、多机组控制器的阻尼解耦与分散设计，解决了多 机协同的振荡控制难题。在此基础上，指导国华陕西锦界电厂、华电裕华热电等发电单位及 辖内风电机组进行增强阻尼技术改造。成果应用以来，通过基于现场实测参数的多时间尺度 数模混合仿真计算、风电功率控制能力并网检测，验证了该技术的有效性和先进性，成功提 高河北南部电网远距离受电能力180万千瓦，每年可多送清洁电能98亿度，减少京津冀煤 耗321万吨，减排SO2 24万吨、NOX 12万吨、粉尘218万吨。缓解了京津冀用电紧张

6、与大 气污染防治间的突出矛盾，促进了京津冀协同发展。五、主要知识产权和标准规范等目录序号知识产权类别知识产权具体名称授权号1发明基于WAMS考虑相互作用的低 频振荡分散控制器设计方法ZL201410312389 .3马燕峰，周一2发明一种适应电网多运行方式的多 机PSS参数优化整定方法ZL201711289607 .6胡文平，梁纪u 孟凡3发明一种基于自抗扰控制的双馈风 机抑制电网低频振荡的方法ZL201610029004 .1马燕J八、4发明一种鉴别大干扰电网功角失稳 原因的解耦仿真分析法ZL201510464182.2刘翔宇，胡文5发明一种风电场次同步振荡抑制方 法和系统ZL2016101

7、27088.2赵书强，张学4李忍，高本46发明考虑多运行方式动态稳定需求 的PSS参数整定方法ZL201711294427.7刘翔宇，胡文:胡雪7发明一种大型风电集群及其送出通 道的无功电压综合控制方法ZL201510857593.8梁红8发明一种基于自抗扰控制的光伏电 站抑制电网低频振荡的方法ZL201611086086.X马燕峰，蒋云俞人9三高论文基于状态空间的阻抗分析法在 次同步振荡中的应用电力系统自动化赵书强，李忍10三高论文一种基于自抗扰控制的多机低 频振荡本地控制方法中国电机工程学报马燕峰，周一J赵中六、主要完成人情况序 号主要 完成人职称工作单位主要贡献1梁纪峰高级工程师国网河北

8、省电力有限公司电力科学研究院牵头负责项目整体研究和实施，对 创新点1、2、3均有突出贡献2马燕峰，副教授华北电力大学负责多机协同控制目标下的多阻尼 控制器分散设计和风电低频振荡抑 制技术研究。为发明点1、3做出重 要贡献。3赵书强教授、博导华北电力大学负责新能源电力系统阻抗建模及风 电次同步振荡抑制技术研究。为发 明点1、3做出重要贡献。4李晓明高级工程师国网河北省电力有限公司电力科学研究院参与完成本项目技术研究，负责本 项目的机电-电磁混合的解耦仿真 分析方法研究。为发明点1和2做 出重要贡献。5高本锋副教授华北电力大学参与完成本项目技术研究，参与新 能源电力系统阻抗建模研究与双馈 风机次同

9、步振荡的自抗扰控制技术 研究。为发明点1和3做出重要贡 献。6刘翔宇高级工程师国网河北省电力有限公司电力科学研究院参与完成本项目技术研究，负责新 型PSS模型研究及装置的研发，提 出PSS参数优化整定方法。为发明 点1和2做出重要贡献。七、完成人合作关系说明及完成人合作关系情况汇总表项目完成人：梁纪峰，马燕峰，赵书强，李晓明，高本锋，刘翔宇。2014年1月至2020年6月，第一完成人梁纪峰（1）通过产业合作项目与完成人马 燕峰（2）、赵书强（3）、李晓明（4）、高本锋（5）、刘翔宇（6）等合作共同完成了新能 源电力系统宽频振荡多发电机协同增强阻尼控制技术项目，并通过了河北省科技成果转化 服务中

10、心组织的，以IEEE Fellow西安交通大学张保会教授为组长的鉴定委员会的成果鉴 定，鉴定结论：该成果整体达到国际先进水平，其中在面向多机协同控制的多控制器分散设 计方面达到国际领先水平。2014年1月至2019年9月，第一完成人梁纪峰（1）通过产业合作项目与完成人马燕峰（2）、赵书强（3）、李晓明（4）、高本锋（5）、刘翔宇（6）等合作共同完成了新能源电力系统宽频带振荡抑制技术及应用项目，并通过了河北省科技成果转化服务中心组织 的，以西安交通大学肖国春教授为组长的鉴定委员会的成果鉴定，鉴定结论：该成果达到国 际先进水平，其中在基于自抗扰的新能源发电有功-无功解耦附加阻尼控制方面达到国际领

11、先水平。2014年1月至2018年12月，第三完成人赵书强（3）通过科技项目合作与完成人 高本锋（5）等共同完成了复杂扰动场景下风电机组精细化建模及与电网协调控制技术研 究项目，项目已取得大量研究成果，包括授权了发明专利一种风电场次同步振荡抑制方 法和系统ZL201610127088.2，发表了高水平论文基于状态空间的阻抗分析法在次同步振 荡中的应用和基于自抗扰控制的双馈风机次同步控制相互作用抑制策略研究。2014年1月至2017年12月，第二完成人马燕峰（2）与第三成人赵书强（3）等人 共同开展技术研究，作为共同发明人申请并授权了发明专利基于WAMS考虑相互作用的低 频振荡分散控制器设计方法

12、ZL201410312389.3。2016年1月至2018年12月，第一完成人梁纪峰（1）与完成人李晓明（4）、刘翔 宇（6）等人共同完成了河北电力公司重点科技项目特高压联网背景下区域电网PSS适应 性及优化技术研究，项目通过了专家评审验收，取得了大量研究成果，申请并授权了发明 专利一种适应电网多运行方式的多机PSS参数优化整定方法ZL201711289607.6。2014年1月至2018年12月，第四完成人李晓明（4）与第六完成人刘翔宇（6） 通过自选项目完成了大电网稳定的仿真技术与PSS参数优化技术研究，共同申请并授权了发 明专利考虑多运行方式动态稳定需求的PSS参数整定方法ZL201711294427.7与一种 鉴别大干扰电网功角失稳原因的解耦仿真分析方法ZL201510464182.2。完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者合作时间合作成果证明材料1共同研究梁纪峰/1、赵书强/3、高本锋/52013-2015复杂扰动场景下风电机组 精细化建模及与电网协调 控制技术研究；科技项目合 同2共同研究梁纪峰/1、李晓明/4、刘翔宇/62013-2019一种适应电网多运行方式 的多机PSS参数优化整定 方法发明专利3产业合作梁纪峰/1、马燕峰 /2、赵书强/3、李 晓明/4、高本锋 /5、