新能源低电压穿越无功电流对暂态电压安全约束的影响

刘辉，王阔

(1. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045；2. 北京大学，北京 100191)

0 引言

三北地区（西北、东北、华北）部分地区风光资源丰富[1-3]，一般采用“集中开发、汇集送出”的开发模式，形成大量的新能源汇集系统[4-7]。这些系统一般地处偏远，近区同步机组数量有限，在故障过程中电压波动较大，新能源机组由于低电压和暂态过电压导致脱网的问题凸显[8-9]。

根据西北地区实际脱网事故的文献报道[10-11]，短路故障过程新能源机端电压较低导致机组过流，进而引发部分机组脱网，是引发新能源大规模脱网的导火索。目前，已有大量研究围绕新能源电站的电压穿越控制策略展开[12]，中国国家标准也针对新能源电站低电压过程中应发出的容性无功电流幅度与速度进行了要求[13]。

基于新能源机组低电压过程的现有标准要求，为避免短路故障过程新能源脱网，绝大部分新能源或无功补偿设备在近些年已进行改造，具备低电压过程发出容性无功电流的能力[14]，但同时带来新能源汇集地区暂态过电压的问题。文献[15-16]报道西北地区发生的几次由短路故障引发风机连锁脱网事故，无功补偿设备在低穿状态下增发无功电流后，在短路故障清除时无法快速撤回导致无功盈余，产生暂态过电压致使风机脱网。文献[17-19]指出在直流换相失败过程中，直流近区系统的交流电压会大幅波动。若在换相失败的低电压过程中，直流近区新能源电站发出无功电流，但在电压急速抬升后不能及时撤回之前所发出的无功，则会造成暂态过电压。

在进行新能源汇集地区暂态过电压研究时，针对低电压穿越和暂态过电压带来的安全问题不可忽视。本文推导典型新能源汇集系统的电压电流关系，在考虑低电压和暂态过电压安全约束，给出新能源在低电压过程中输出无功电流应满足的约束条件，并将新能源汇集系统按照短路比分类，针对不同短路比条件的新能源并网系统，给出差异化的新能源低电压过程无功电流响应指标要求，为电网调度运行部门提供参考依据。

1 新能源机端电压-电流灵敏度分析

本文研究新能源机组输出电流对其机端电压的影响。新能源汇集系统结构，如图1所示。

图1 简化的新能源汇集系统结构Fig. 1 Simplified renewable units system structure

新能源汇集系统电压电流关系为

式中：Uwt、Iwt分别为新能源机端电压、电流；Z35/0.69为箱变阻抗；Ztran、Btran分别为输电系统PI型线路阻抗、对地电纳；E、Zsys分别为无穷大电网的电压、短路阻抗；Itranw、Itrans分别为网侧和源侧对地电容支路的电流。

若新能源汇集系统出现短路故障，新能源在短路故障过程中输出无功电流。若故障清除后新能源输出的无功电流不能及时撤回，则会在系统中产生无功盈余，导致暂态过电压。假设故障清除后新能源输出有功无功电流不变，即保持低电压穿越期间的电流水平。为定性分析不同输电系统阻抗条件下，新能源在低电压故障过程中的输出无功电流对故障清除后机端过电压影响程度。设置假设：（1）低电压穿越期间新能源输出有功电流为0；（2）忽略送出系统中的电阻[20-25]。

对式（1）进行简化得

式中：Iwtq为机组输出电流q轴分量；Xsys为无穷大电网的短路电抗；Xtran为输电系统PI型线路电抗；X35/0.69为箱变漏抗。

求取新能源机端电压对于无功电流的导数为

针对上式，以华北某新能源汇集系统的各级变压器与线路实测参数带入模型。各级变压器参数与线路参数，如表1和表2所示。

表1 某新能源汇集系统线路电气参数Table 1 Renewable power system line parameters

表2 某新能源汇集系统变压器电气参数Table 2 Renewable power system transformer parameters

在目前关于新能源机组或场站的无功电流支撑标准要求中，未针对无功电压灵敏度不同的系统提出差异化要求。若在不同的系统线路参数条件下，应用相同的无功电流支撑指标进行要求，则在无功电压灵敏度高的区域，可能导致无功电流支撑过激，而在无功电压灵敏度较低的区域无功电流支撑不足。

短路比（short circuit ratio, SCR）是描述系统强弱的一种指标，也是目前电力系统运行部门用于规范新能源接入的重要指标。新能源汇集系统短路比ZSCR为

短路比指标可大致反映系统电抗水平，而无功电流-电压灵敏度除了与系统电抗水平有关，与送出线路对地电容也有一定联系。

2 无功电流对短路低电压的影响

新能源电站500 kV送出线路可能为双回线。某回500 kV出现三相故障后，应断开故障线，且非故障线正常运行，此时新能源电站应具备一定的故障穿越能力。

在 35 kV 出线 0 km，220 kV 出线 0 km 的情况下，计算500 kV出线三相故障。新能源输出电流与机端电压的关系，如图2所示。

图2 低电压过程电流与电压的关系Fig. 2 The relationship between current and voltage in low voltage process

500 kV线路三相短路故障期间，若新能源发出无功电流 >0.88（p.u.），则在电压达到稳态时可使得机端电压 >0.2（p.u.）。若按照 GB/T 19963征求意见稿计算新能源低电压穿越期间无功电流公式：Iqwt=(0.8−Uwt)Kiqwt，应保证Kiqwt＞1.47，其中Kiqwt为风电机组动态无功电流比例系数。

需说明，在假设有功电流为零的前提下，给出的无功电流原则可能偏激进，但考虑到新能源汇集地区出线短路过程中，送出系统中电阻大小有限，有功对电压的影响较小，且电压深度跌落过程中，系统中除了新能源机组外还存在其他比如动态无功补偿装置的无功源存在。在假设有功电流为零的前提下给出的无功电流推荐范围对工程应存在一定指导意义。

3 无功电流对暂态过电压的影响

当系统短路比=1.2时，在对地电纳最大和最小2种条件下，新能源输出无功电流与机端电压的关系，如图3所示。

图3 故障清除过程Iqwt-Uwt的关系(ZSCR=1.2)Fig. 3 Iqwt-Uwt relationship after fault (ZSCR=1.2)

假设故障清除时新能源输出无功电流不变，则由于无功电流不能及时撤回导致的暂态过电压水平。若新能源在故障期间输出无功电流 ＞0.6（p.u.），则故障清除后暂态电压 ＞1.7（p.u.）。

统计华北某新能源汇集系统的新能源机组暂态过电压耐受能力，新能源机组可在0.1 s时间尺度下耐受1.7（p.u.）的暂态过电压。考虑目前GB/T 19963征求意见稿的要求：自并网点电压恢复至标称电压80%以上的时刻起，风电场应在40 ms内退出动态无功电流增量。结合上述2点，可按照“短路期间机端电压≥ 0.2（p.u.）”和“短路清除后机端电压 ≤ 1.7（p.u.）”原则，对新能源机组输出无功电流进行规范。即要求新能源低电压穿越期间无功电流 ≯ 0.6（p.u.）且无功电流≮0.88（p.u.），则在短路比=1.2时，没有合适的无功电流水平能同时满足“短路期间机端电压≥0.2（p.u.）”和“短路清除后机端电压 ≯1.7（p.u.）”的条件。

以华北某新能源汇集系统实际参数背景，设置系统短路比约2.3，在对地电纳最大和最小2种条件下，计算新能源输出电流与机端电压的关系，如图4所示。

图4 故障清除过程Iqwt-Uw的关系(ZSCR=2.3)Fig. 4 Iqwt-Uwt relationship after fault (ZSCR=2.3)

若新能源在故障期间输出无功电流 ≯1.48（p.u.），则故障清除后暂态过电压 ≯1.7（p.u.）。按照指导原则，建议在短路比为2.3时，应保证Kiqwt(1.47, 2.47)。

4 基于短路比的无功电流指标分析

根据短路故障过程中的无功电流与电压的关系分析可知，仅考虑变压器的条件下，按照相关原则发无功电流，可使机端电压> 0.2（p.u.）。不同短路比下的无功电流可行域，如图5所示。

图5 不同SCR下的无功电流可行域Fig. 5 Reactive current feasible region under different SCR

图5中无功电流可行域为红线内的区域，以ZSCR为界，将系统分为3类：（1）ZSCR＜1.5的系统，不论低穿期间无功电流如何设置，都无法同时满足“短路期间机端电压≥ 0.2 (p.u.)”和“短路清除后机端电压 ≯1.7 (p.u.)”的条件；（2）ZSCR≥2.6 的系统，可沿用 2019 年 GB/T 19963征求意见稿的最新规定，即：“Iqwt=(0.8 −Uwt) ×Kiqwt，其中Kiqwt应不小于1.5，宜不大于3”。（3）对于2.6＞ZSCR≥1.5的系统，需结合短路比情况给出无功电流的要求。

不同短路比下的无功电流推荐域，如图6所示。

图6 不同SCR下的无功电流推荐域Fig. 6 Reactive current recommend region of various SCR

在2.6＞ZSCR≥1.5的系统中，新能源低电压过程无功电流的工程化可选范围如黑色虚线。对于2.6＞ZSCR≥1.5的系统，新能源无功电流0.88≤Iqwt≤0.818ZSCR−0.3273。因此推荐，“Iqwt=(0.8−Uwt)Kiqwt，其中Kiqwt应不小于1.5，宜不大于0.836 4ZSCR-0.3746”。

5 有功电流对过电压的影响

以华北某新能源汇集系统实际参数背景，设置 35 kV、220 kV 和 500 kV 线路长度以使得系统短路比约1.5，计算短路故障清除条件下，新能源输出电流与机端电压的关系，如图7所示。

图7 故障清除过程Idwt与Uwt的关系(ZSCR=1.5)Fig. 7 Idwt-Uwt relationship after fault (ZSCR=1.5)

根据图7可知，Iqwt=0.9且Idwt=0的条件下，暂态过电压为1.7（p.u.），此时增加Idwt，并保持Iqwt不变，机端电压Uwt会随着的Idwt增加而减小，但减小幅度有限。Idwt从0（p.u.）增大至0.5（p.u.），可使机端电压降低0.03（p.u.），Idwt从0.5（p.u.）增大至1.0（p.u.），可使机端电压降低至1.51（p.u.）。故障清除后暂态过电压一般持续时间较短，依靠风机有功快速恢复以降低暂态过电压水平的效果有限。建议主要考虑“功角稳定”因素对新能源机组有功恢复速度提出相应要求，在充分考虑“功角稳定”对机组有功恢复速度不能过快的约束，并留有一定裕度后，尽量提升机组有功恢复速度以达到“抑制暂态过电压”目的。

6 准确性讨论

6.1 操作过电压问题

新能源汇集系统在故障清除后的短时内，会导致系统内的电感和电容元件间电磁能量相互交换，引起振荡性过渡过程，在系统局部产生非工频过电压，即操作过电压。

操作过电压分为开关跳闸过电压、开关合闸过电压、弧光接地过电压、投切电容器过电压等几类。本文重点关注故障清除时刻，也就是开关分闸导致的过电压。这种过电压一般持续时间为毫秒级，过电压水平最高可达2～3（p.u.）。根据相关规定，系统应采用避雷器限制各种操作过电压，应通过仿真计算进行校核，避雷器吸收能量应按工程要求确定。在考虑避雷器伏秒特性后，新能源机组在比0.1 s更短的时间尺度内，可能有超过1.7（p.u.）的过电压耐受能力，也就是说，基于“短路清除后机端电压 ≤ 1.7（p.u.）”条件给出的支撑无功电流上限可能偏保守。

6.2 无功电流回撤速度问题

当新能源机组在短路故障清除后，输出无功电流会在几十毫秒的时间尺度迅速回撤，不会一直保持在故障清除前的水平。因此，若不考虑操作过电压，关注工频过电压的情况，则按照图6中无功电流支撑系数的推荐范围上限进行设置后，在无功电流未回撤的情况下，新能源机端电压在故障清除后将达到1.7（p.u.），但随着无功电流的迅速回撤，工频过电压水平也会迅速降低，因此，若新能源机组比0.1 s更短的时间尺度内，有超过1.7（p.u.）的过电压耐受能力，则无功电流支撑系数可设置为比图6推荐范围上限更大的数值。

若希望更准确地考虑新能源机组低电压过程输出无功电流对故障清除后的过电压影响程度，需考虑新能源机组在故障清除后的无功电流回撤速度。为此，本文选择2020年市场占有率靠前八的风电机组厂家，每个厂家选择一种典型机型开展控制硬件在环(control-hardware-in-the-loop，CHIL)实时试验研究。

8 种风电机组在故障清除后的无功电流回撤幅度，如表3所示。

表3 无功电流回撤幅度Table 3 Reactive current withdrawal amplitude

由表3可知，所有机型在40 ms后的无功电流都撤回到故障清除前水平的15%一下，其中有5个机型40 ms时已经完全撤回了低电压故障清除期间增发的无功电流。

6.3 其他无功源

关于低电压过程中新能源机组需发出无功电流支撑机端电压的分析中，仅考虑了新能源机组发出无功电流对机端电压的影响，未计及SVG、SVC和固定电容补偿等其他能够提供无功电流的设备。这种条件下对新能源机组在低电压过程中发出的无功电流下限提出要求是相对保守的，因为若计及除新能源机组外的其他无功补偿设备在低电压过程中发出的无功电流，新能源机组发出无功电流在小于图6给出的下限时，也能使得新能源机组机端电压抬升到20%水平。且目前一般新能源电站都配备SVG或SVC等无功补偿设备，且按照标准要求，这些设备在低电压过程中应具备故障穿越能力且提供无功电流补偿。同时，若考虑无功补偿设备提供的无功电流，对1.3节关于暂态过电压的分析也有影响。在仅考虑了新能源机组发出无功电流的条件下所提出的无功电流上限要求可能是相对激进的。若进一步考虑无功补偿设备发出的无功，可能导致新能源机端电压超过1.7（p.u.）。同时，对于短路比小于1.5的系统，虽然仅依靠新能源机组难以满足安全运行要求，但通过除了新能源以外的可控无功源进行配合，是未来可探索的一种适应低短路比暂态电压安全约束的技术路线。

7 结论

本文针对新能源汇集系统典型电气参数，研究了考虑短路故障低电压安全约束和短路故障清除后暂态过电压安全约束下，不同短路比并网条件下新能源机组低电压过程支撑容性无功电流程度的推荐范围。

（1）低电压约束：以新能源汇集地区500 kV双回线三相短路为最严苛工况，在只考虑新能源机组输出容性无功电流的条件下，以新能源机端电压≥ 0.2（p.u.）为约束，给出新能源机组低电压过程容性无功电流支撑幅度下限，若按照“Iqwt=(0.8−Uwt)Kiqwt”的公式规范无功电流，则推荐Kiqwt≥1.5。

（2）暂态过电压约束：考虑新能源汇集系统线路对地电容最大的工况，在只考虑新能源机组输出容性无功电流的条件下，以新能源机端在短路故障清除后电压 ≯1.7（p.u.）为约束，给出新能源机组低电压过程容性无功电流支撑幅度上限，该上限与系统短路比相关，若按照“Iqwt=(0.8−Uwt)Kiqwt”的公式规范无功电流，则推荐在ZSCR>2.6的系统中，Kiqwt≯3，在2.6>ZSCR>1.5的系统中，Kiqwt≯0.8364ZSCR−0.3746。