風機低穿控制策略對暫態過電壓的影響

湖北省電力規劃設計研究院有限公司 倪文斌 葉子瑩 肖廈穎

隨著國家低碳能源戰略的提出，針對“三北”地區蘊藏的新能源先天發展優勢，通過特高壓直流長距離、大功率傳送到負荷供電中心是必然之路，既可解決三北地區新能源消納問題，又能解決華東、華中、華北地區的用電問題，大容量直流和新能源高占比集中接入成為趨勢[1]。

隨著國家能源戰略的改變，特高壓直流送端配套火電機組的場景越來越少，同時，大規模新能源的機組的并網不斷替代常規的水火機組，送端換流站短路容量均嚴重不足。一方面現有風電場站都配套加裝SVG/SVC 等動態無功補償裝置，在特高壓直流換向失敗、閉鎖、重啟動等快速毫秒有功無功變化下，無功補償裝置往往控制滯后，加劇系統特性惡化。另一方面，針對現有風電場站接入電壓等級低、容量低、接入分散，電網調度缺乏有效的協調控制方法。仿真分析與實際運行經驗表明，在特高壓直流新能源外送系統下，直流換相失敗后容易造成近區風機機端電壓暫態壓升過大，導致大規模風機脫網，可能存在電網崩潰的風險。

近年來，在國網“三北”新能源集中并網地區發生多起大規模風電機組脫網事件，造成上述風機脫網主要受聚焦在風電機組的低電壓穿越能力、高電壓穿越能力，以及無功補償裝置的動作等因素的影響[2]。針對此類脫網事故，已有相關研究人員進行了大量研究。有學者從機理層面分析了直流閉鎖引發風機拖網的原因，并從實際可操作入手給出了合理的應對措施[3]。也有一些學者分析了交流故障暫態過程中風電機組的動態無功響應能力對風電場暫態過電壓的影響[4]。還有學者研究了特高壓交直流故障引發暫態過電壓從而導致風電機組連鎖脫網風險分析及對策[5]。

基于上述分析，本文著重從風機動態特性尤其是風電低穿期間有功/無功響應特性對暫態過電壓的影響，給出對應的風機低穿期間有功/無功控制策略優化意見，為實際生產運行提供參考。

1 研究條件

1.1 換相失敗引發暫態過電壓現象

國網某直流送端系統是典型的大規模風電基地集中特高壓直流外送系統，直流送端通3回750kV 線路接入西北主網，直流網架近區風電裝機容量約700萬kW。

考慮直流功率500萬kW、近區風電500萬kW 方式下，國網某直流發生換相失敗，風機側機端暫態電壓1.23p.u（風機耐壓能力1.2p.u.），如圖1所示，存在暫態過電壓導致的大規模風機脫網等連鎖故障風險。

圖1 直流換向失敗后，某風電機組機端暫態電壓

圖2 風機典型模型低穿期間有功/無功恢復特性

1.2 考慮低穿特性的風機基礎模型

本文采用PSASP 中風機模型，該模型可模擬風機正常狀態、高電壓穿越、低電壓穿越、高穿恢復、低穿恢復動態響應特性。

不同廠家的風機逆變器低穿特性不盡相同，甚至部分廠家之間的技術路線差別較大，本軟件開發的風機模型具備可以靈活模擬不同低穿有功/無功特性的能力。

2 直流換相失敗引發風機脫網分析

往往因特高壓直流受端交流故障，引發直流發生換相失敗，首先會造成直流功率突降，進一步造成送端交流系統電壓出現先低壓后高壓的過程，本節結合實際電網某直流換相失敗期間故障錄波曲線分析換相失敗造成系統暫態過電壓的原因。

圖3為直流換相失敗期間，直流各電氣量實際錄波曲線，其中，t1為穩態運行期間，t2為直流換相失敗送端電壓跌落期間，t3為直流換相失敗送端電壓恢復期間，t4為位直流功率恢復期間。分析圖3可以看出，t2直流換相失敗后直流線路電流迅速增加，直流線路消耗無功同時迅速增加，這時直流系統從交流系統吸收大量無功功率導致送端交流系統電壓降低，同時直流線路有功功率迅速降低。t3直流換相失敗送端電壓恢復后，送端交流系統電壓已經恢復到穩態值，而直流線路功率為0，直流線路消耗無功功率為0，此時換流站濾波器的大量無功功率盈余回退到交流系統中，引起送端系統近區暫態電壓升高并傳遞至近區風電場。

圖3 直流換相失敗期間，直流各電氣量錄波曲線

圖4為直流換相失敗期間，某一風電站電氣量實際錄波曲線。分析可以看出，直流換相失敗開始后直流系統從交流系統吸收大量的無功功率導致交流系統電壓降低，暫態電壓壓降傳遞至近區風電場，引起大量風電機組進入低電壓穿越，風電機組有功出力瞬時下降，同時發出大量的無功支撐系統電壓恢復。系統電壓恢復后，風電機組有功功率才開始恢復，減少了無功功率損耗，又因為直流換相失敗期間電壓由低到高的過程非常迅速，風電機組低穿期間發的無功功率來不及回退，導致風電場匯集站無功功率盈余，引起風電場暫態電壓升高。

圖4 直流換相失敗期間，某一風電匯集站電氣量錄波曲線

綜上所述，直流換相失敗引起風電場暫態過電壓的主要原因有以下兩點：第一，直流換流站濾波器無功功率盈余；第二，風電機組低穿期間有功功率降低，出低穿后無功功率來不及回退。

3 風機低穿控制特性對暫態過電壓的影響

本文基于國網某新能源送出實際直流為例，直流近區風電場采用單機等值建模，風電機組采用一套控制參數，利用PSASP 軟件開發的風電機組模型，重點分析低穿期間有功/無功控制策略、低穿恢復期間有功/無功控制策略對系統暫態過電壓的影響。

3.1 低穿期間有功控制策略

本節對風電機組在低電壓穿越期間采用定有功電流控制策略，分析風機低穿期間不同有功控制目標值下Ip=0.4Ip0、0.6Ip0、0.8Ip0，對直流換相失敗過電壓的影響進行了靈敏度分析，其中，Ip0為穩態風機有功電流值，如圖5所示。

圖5 風機低穿期間不同有功控制目標下，直流換相失敗后系統暫態過電壓

圖6 風機低穿恢復期間不同有功恢復速率下，直流換相失敗后系統暫態過電壓

圖7 風機低穿期間不同無功控制目標下，直流換相失敗后系統暫態過電壓

圖8 風機低穿恢復期間不同無功恢復速率下，直流換相失敗后系統暫態過電壓

3.2 低穿恢復期間有功控制策略

本節分析低穿結束后，不同有功恢復速率下，對系統暫態過電壓的影響，比對了有功直接恢復、按一定斜率恢復（Ks=1pu/s、0.5pu/s）下，直流換相失敗后對系統暫態電壓的影響。

3.3 低穿期間無功控制策略

本節對風電機組在低電壓穿越期間采用定無功電流控制策略，分析風機低穿期間不同無功控制目標值下Iq=0、0.25Iq0、0.5Iq0，對直流換相失敗過電壓的影響進行了靈敏度分析，其中，Iq0為穩態風機無功電流值。

3.4 低穿恢復期間無功控制策略

本節分析低穿結束后，不同無功恢復速率下，對系統暫態過電壓的影響，對比了無功直接恢復、按一定斜率恢復（Kq=1 pu/s、0.5 pu/s）下，直流換相失敗后對系統暫態電壓的影響。

4 結語

本文結合實際電網故障錄波曲線，研究表明直流換相失敗引發風機脫網的原因主要兩方面：一方面是直流換流站濾波器無功功率盈余，另一方面，風電機組出低穿期后無功功率回退不及時。在此基礎上，通過仿真分析了低穿期間/恢復期間的有功/無功控制策略對直流換相失敗后系統暫態電壓的影響，結果表明低穿期間有功功率越大，低穿恢復期間有功恢復速率越快，無功功率回退速率越快，可有效降低系統直流換相失敗后的暫態過電壓水平。