风机低穿控制策略对暂态过电压的影响

湖北省电力规划设计研究院有限公司 倪文斌 叶子莹 肖厦颖

随着国家低碳能源战略的提出，针对“三北”地区蕴藏的新能源先天发展优势，通过特高压直流长距离、大功率传送到负荷供电中心是必然之路，既可解决三北地区新能源消纳问题，又能解决华东、华中、华北地区的用电问题，大容量直流和新能源高占比集中接入成为趋势[1]。

随着国家能源战略的改变，特高压直流送端配套火电机组的场景越来越少，同时，大规模新能源的机组的并网不断替代常规的水火机组，送端换流站短路容量均严重不足。一方面现有风电场站都配套加装SVG/SVC 等动态无功补偿装置，在特高压直流换向失败、闭锁、重启动等快速毫秒有功无功变化下，无功补偿装置往往控制滞后，加剧系统特性恶化。另一方面，针对现有风电场站接入电压等级低、容量低、接入分散，电网调度缺乏有效的协调控制方法。仿真分析与实际运行经验表明，在特高压直流新能源外送系统下，直流换相失败后容易造成近区风机机端电压暂态压升过大，导致大规模风机脱网，可能存在电网崩溃的风险。

近年来，在国网“三北”新能源集中并网地区发生多起大规模风电机组脱网事件，造成上述风机脱网主要受聚焦在风电机组的低电压穿越能力、高电压穿越能力，以及无功补偿装置的动作等因素的影响[2]。针对此类脱网事故，已有相关研究人员进行了大量研究。有学者从机理层面分析了直流闭锁引发风机拖网的原因，并从实际可操作入手给出了合理的应对措施[3]。也有一些学者分析了交流故障暂态过程中风电机组的动态无功响应能力对风电场暂态过电压的影响[4]。还有学者研究了特高压交直流故障引发暂态过电压从而导致风电机组连锁脱网风险分析及对策[5]。

基于上述分析，本文着重从风机动态特性尤其是风电低穿期间有功/无功响应特性对暂态过电压的影响，给出对应的风机低穿期间有功/无功控制策略优化意见，为实际生产运行提供参考。

1 研究条件

1.1 换相失败引发暂态过电压现象

国网某直流送端系统是典型的大规模风电基地集中特高压直流外送系统，直流送端通3回750kV 线路接入西北主网，直流网架近区风电装机容量约700万kW。

考虑直流功率500万kW、近区风电500万kW 方式下，国网某直流发生换相失败，风机侧机端暂态电压1.23p.u（风机耐压能力1.2p.u.），如图1所示，存在暂态过电压导致的大规模风机脱网等连锁故障风险。

图1 直流换向失败后，某风电机组机端暂态电压

图2 风机典型模型低穿期间有功/无功恢复特性

1.2 考虑低穿特性的风机基础模型

本文采用PSASP 中风机模型，该模型可模拟风机正常状态、高电压穿越、低电压穿越、高穿恢复、低穿恢复动态响应特性。

不同厂家的风机逆变器低穿特性不尽相同，甚至部分厂家之间的技术路线差别较大，本软件开发的风机模型具备可以灵活模拟不同低穿有功/无功特性的能力。

2 直流换相失败引发风机脱网分析

往往因特高压直流受端交流故障，引发直流发生换相失败，首先会造成直流功率突降，进一步造成送端交流系统电压出现先低压后高压的过程，本节结合实际电网某直流换相失败期间故障录波曲线分析换相失败造成系统暂态过电压的原因。

图3为直流换相失败期间，直流各电气量实际录波曲线，其中，t1为稳态运行期间，t2为直流换相失败送端电压跌落期间，t3为直流换相失败送端电压恢复期间，t4为位直流功率恢复期间。分析图3可以看出，t2直流换相失败后直流线路电流迅速增加，直流线路消耗无功同时迅速增加，这时直流系统从交流系统吸收大量无功功率导致送端交流系统电压降低，同时直流线路有功功率迅速降低。t3直流换相失败送端电压恢复后，送端交流系统电压已经恢复到稳态值，而直流线路功率为0，直流线路消耗无功功率为0，此时换流站滤波器的大量无功功率盈余回退到交流系统中，引起送端系统近区暂态电压升高并传递至近区风电场。

图3 直流换相失败期间，直流各电气量录波曲线

图4为直流换相失败期间，某一风电站电气量实际录波曲线。分析可以看出，直流换相失败开始后直流系统从交流系统吸收大量的无功功率导致交流系统电压降低，暂态电压压降传递至近区风电场，引起大量风电机组进入低电压穿越，风电机组有功出力瞬时下降，同时发出大量的无功支撑系统电压恢复。系统电压恢复后，风电机组有功功率才开始恢复，减少了无功功率损耗，又因为直流换相失败期间电压由低到高的过程非常迅速，风电机组低穿期间发的无功功率来不及回退，导致风电场汇集站无功功率盈余，引起风电场暂态电压升高。

图4 直流换相失败期间，某一风电汇集站电气量录波曲线

综上所述，直流换相失败引起风电场暂态过电压的主要原因有以下两点：第一，直流换流站滤波器无功功率盈余；第二，风电机组低穿期间有功功率降低，出低穿后无功功率来不及回退。

3 风机低穿控制特性对暂态过电压的影响

本文基于国网某新能源送出实际直流为例，直流近区风电场采用单机等值建模，风电机组采用一套控制参数，利用PSASP 软件开发的风电机组模型，重点分析低穿期间有功/无功控制策略、低穿恢复期间有功/无功控制策略对系统暂态过电压的影响。

3.1 低穿期间有功控制策略

本节对风电机组在低电压穿越期间采用定有功电流控制策略，分析风机低穿期间不同有功控制目标值下Ip=0.4Ip0、0.6Ip0、0.8Ip0，对直流换相失败过电压的影响进行了灵敏度分析，其中，Ip0为稳态风机有功电流值，如图5所示。

图5 风机低穿期间不同有功控制目标下，直流换相失败后系统暂态过电压

图6 风机低穿恢复期间不同有功恢复速率下，直流换相失败后系统暂态过电压

图7 风机低穿期间不同无功控制目标下，直流换相失败后系统暂态过电压

图8 风机低穿恢复期间不同无功恢复速率下，直流换相失败后系统暂态过电压

3.2 低穿恢复期间有功控制策略

本节分析低穿结束后，不同有功恢复速率下，对系统暂态过电压的影响，比对了有功直接恢复、按一定斜率恢复（Ks=1pu/s、0.5pu/s）下，直流换相失败后对系统暂态电压的影响。

3.3 低穿期间无功控制策略

本节对风电机组在低电压穿越期间采用定无功电流控制策略，分析风机低穿期间不同无功控制目标值下Iq=0、0.25Iq0、0.5Iq0，对直流换相失败过电压的影响进行了灵敏度分析，其中，Iq0为稳态风机无功电流值。

3.4 低穿恢复期间无功控制策略

本节分析低穿结束后，不同无功恢复速率下，对系统暂态过电压的影响，对比了无功直接恢复、按一定斜率恢复（Kq=1 pu/s、0.5 pu/s）下，直流换相失败后对系统暂态电压的影响。

4 结语

本文结合实际电网故障录波曲线，研究表明直流换相失败引发风机脱网的原因主要两方面：一方面是直流换流站滤波器无功功率盈余，另一方面，风电机组出低穿期后无功功率回退不及时。在此基础上，通过仿真分析了低穿期间/恢复期间的有功/无功控制策略对直流换相失败后系统暂态电压的影响，结果表明低穿期间有功功率越大，低穿恢复期间有功恢复速率越快，无功功率回退速率越快，可有效降低系统直流换相失败后的暂态过电压水平。