新能源低電壓穿越無功電流對暫態(tài)電壓安全約束的影響

劉輝，王闊

(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；2. 北京大學(xué)，北京 100191)

0 引言

三北地區(qū)（西北、東北、華北）部分地區(qū)風(fēng)光資源豐富[1-3]，一般采用“集中開發(fā)、匯集送出”的開發(fā)模式，形成大量的新能源匯集系統(tǒng)[4-7]。這些系統(tǒng)一般地處偏遠(yuǎn)，近區(qū)同步機(jī)組數(shù)量有限，在故障過程中電壓波動(dòng)較大，新能源機(jī)組由于低電壓和暫態(tài)過電壓導(dǎo)致脫網(wǎng)的問題凸顯[8-9]。

根據(jù)西北地區(qū)實(shí)際脫網(wǎng)事故的文獻(xiàn)報(bào)道[10-11]，短路故障過程新能源機(jī)端電壓較低導(dǎo)致機(jī)組過流，進(jìn)而引發(fā)部分機(jī)組脫網(wǎng)，是引發(fā)新能源大規(guī)模脫網(wǎng)的導(dǎo)火索。目前，已有大量研究圍繞新能源電站的電壓穿越控制策略展開[12]，中國國家標(biāo)準(zhǔn)也針對新能源電站低電壓過程中應(yīng)發(fā)出的容性無功電流幅度與速度進(jìn)行了要求[13]。

基于新能源機(jī)組低電壓過程的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求，為避免短路故障過程新能源脫網(wǎng)，絕大部分新能源或無功補(bǔ)償設(shè)備在近些年已進(jìn)行改造，具備低電壓過程發(fā)出容性無功電流的能力[14]，但同時(shí)帶來新能源匯集地區(qū)暫態(tài)過電壓的問題。文獻(xiàn)[15-16]報(bào)道西北地區(qū)發(fā)生的幾次由短路故障引發(fā)風(fēng)機(jī)連鎖脫網(wǎng)事故，無功補(bǔ)償設(shè)備在低穿狀態(tài)下增發(fā)無功電流后，在短路故障清除時(shí)無法快速撤回導(dǎo)致無功盈余，產(chǎn)生暫態(tài)過電壓致使風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。文獻(xiàn)[17-19]指出在直流換相失敗過程中，直流近區(qū)系統(tǒng)的交流電壓會(huì)大幅波動(dòng)。若在換相失敗的低電壓過程中，直流近區(qū)新能源電站發(fā)出無功電流，但在電壓急速抬升后不能及時(shí)撤回之前所發(fā)出的無功，則會(huì)造成暫態(tài)過電壓。

在進(jìn)行新能源匯集地區(qū)暫態(tài)過電壓研究時(shí)，針對低電壓穿越和暫態(tài)過電壓帶來的安全問題不可忽視。本文推導(dǎo)典型新能源匯集系統(tǒng)的電壓電流關(guān)系，在考慮低電壓和暫態(tài)過電壓安全約束，給出新能源在低電壓過程中輸出無功電流應(yīng)滿足的約束條件，并將新能源匯集系統(tǒng)按照短路比分類，針對不同短路比條件的新能源并網(wǎng)系統(tǒng)，給出差異化的新能源低電壓過程無功電流響應(yīng)指標(biāo)要求，為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行部門提供參考依據(jù)。

1 新能源機(jī)端電壓-電流靈敏度分析

本文研究新能源機(jī)組輸出電流對其機(jī)端電壓的影響。新能源匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 簡化的新能源匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Simplified renewable units system structure

新能源匯集系統(tǒng)電壓電流關(guān)系為

式中：Uwt、Iwt分別為新能源機(jī)端電壓、電流；Z35/0.69為箱變阻抗；Ztran、Btran分別為輸電系統(tǒng)PI型線路阻抗、對地電納；E、Zsys分別為無窮大電網(wǎng)的電壓、短路阻抗；Itranw、Itrans分別為網(wǎng)側(cè)和源側(cè)對地電容支路的電流。

若新能源匯集系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，新能源在短路故障過程中輸出無功電流。若故障清除后新能源輸出的無功電流不能及時(shí)撤回，則會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生無功盈余，導(dǎo)致暫態(tài)過電壓。假設(shè)故障清除后新能源輸出有功無功電流不變，即保持低電壓穿越期間的電流水平。為定性分析不同輸電系統(tǒng)阻抗條件下，新能源在低電壓故障過程中的輸出無功電流對故障清除后機(jī)端過電壓影響程度。設(shè)置假設(shè)：（1）低電壓穿越期間新能源輸出有功電流為0；（2）忽略送出系統(tǒng)中的電阻[20-25]。

對式（1）進(jìn)行簡化得

式中：Iwtq為機(jī)組輸出電流q軸分量；Xsys為無窮大電網(wǎng)的短路電抗；Xtran為輸電系統(tǒng)PI型線路電抗；X35/0.69為箱變漏抗。

求取新能源機(jī)端電壓對于無功電流的導(dǎo)數(shù)為

針對上式，以華北某新能源匯集系統(tǒng)的各級變壓器與線路實(shí)測參數(shù)帶入模型。各級變壓器參數(shù)與線路參數(shù)，如表1和表2所示。

表1 某新能源匯集系統(tǒng)線路電氣參數(shù)Table 1 Renewable power system line parameters

表2 某新能源匯集系統(tǒng)變壓器電氣參數(shù)Table 2 Renewable power system transformer parameters

在目前關(guān)于新能源機(jī)組或場站的無功電流支撐標(biāo)準(zhǔn)要求中，未針對無功電壓靈敏度不同的系統(tǒng)提出差異化要求。若在不同的系統(tǒng)線路參數(shù)條件下，應(yīng)用相同的無功電流支撐指標(biāo)進(jìn)行要求，則在無功電壓靈敏度高的區(qū)域，可能導(dǎo)致無功電流支撐過激，而在無功電壓靈敏度較低的區(qū)域無功電流支撐不足。

短路比（short circuit ratio, SCR）是描述系統(tǒng)強(qiáng)弱的一種指標(biāo)，也是目前電力系統(tǒng)運(yùn)行部門用于規(guī)范新能源接入的重要指標(biāo)。新能源匯集系統(tǒng)短路比ZSCR為

短路比指標(biāo)可大致反映系統(tǒng)電抗水平，而無功電流-電壓靈敏度除了與系統(tǒng)電抗水平有關(guān)，與送出線路對地電容也有一定聯(lián)系。

2 無功電流對短路低電壓的影響

新能源電站500 kV送出線路可能為雙回線。某回500 kV出現(xiàn)三相故障后，應(yīng)斷開故障線，且非故障線正常運(yùn)行，此時(shí)新能源電站應(yīng)具備一定的故障穿越能力。

在 35 kV 出線 0 km，220 kV 出線 0 km 的情況下，計(jì)算500 kV出線三相故障。新能源輸出電流與機(jī)端電壓的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 低電壓過程電流與電壓的關(guān)系Fig. 2 The relationship between current and voltage in low voltage process

500 kV線路三相短路故障期間，若新能源發(fā)出無功電流 >0.88（p.u.），則在電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)可使得機(jī)端電壓 >0.2（p.u.）。若按照 GB/T 19963征求意見稿計(jì)算新能源低電壓穿越期間無功電流公式：Iqwt=(0.8?Uwt)Kiqwt，應(yīng)保證Kiqwt＞1.47，其中Kiqwt為風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)無功電流比例系數(shù)。

需說明，在假設(shè)有功電流為零的前提下，給出的無功電流原則可能偏激進(jìn)，但考慮到新能源匯集地區(qū)出線短路過程中，送出系統(tǒng)中電阻大小有限，有功對電壓的影響較小，且電壓深度跌落過程中，系統(tǒng)中除了新能源機(jī)組外還存在其他比如動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功源存在。在假設(shè)有功電流為零的前提下給出的無功電流推薦范圍對工程應(yīng)存在一定指導(dǎo)意義。

3 無功電流對暫態(tài)過電壓的影響

當(dāng)系統(tǒng)短路比=1.2時(shí)，在對地電納最大和最小2種條件下，新能源輸出無功電流與機(jī)端電壓的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 故障清除過程Iqwt-Uwt的關(guān)系(ZSCR=1.2)Fig. 3 Iqwt-Uwt relationship after fault (ZSCR=1.2)

假設(shè)故障清除時(shí)新能源輸出無功電流不變，則由于無功電流不能及時(shí)撤回導(dǎo)致的暫態(tài)過電壓水平。若新能源在故障期間輸出無功電流 ＞0.6（p.u.），則故障清除后暫態(tài)電壓 ＞1.7（p.u.）。

統(tǒng)計(jì)華北某新能源匯集系統(tǒng)的新能源機(jī)組暫態(tài)過電壓耐受能力，新能源機(jī)組可在0.1 s時(shí)間尺度下耐受1.7（p.u.）的暫態(tài)過電壓?？紤]目前GB/T 19963征求意見稿的要求：自并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)至標(biāo)稱電壓80%以上的時(shí)刻起，風(fēng)電場應(yīng)在40 ms內(nèi)退出動(dòng)態(tài)無功電流增量。結(jié)合上述2點(diǎn)，可按照“短路期間機(jī)端電壓≥ 0.2（p.u.）”和“短路清除后機(jī)端電壓 ≤ 1.7（p.u.）”原則，對新能源機(jī)組輸出無功電流進(jìn)行規(guī)范。即要求新能源低電壓穿越期間無功電流 ≯ 0.6（p.u.）且無功電流≮0.88（p.u.），則在短路比=1.2時(shí)，沒有合適的無功電流水平能同時(shí)滿足“短路期間機(jī)端電壓≥0.2（p.u.）”和“短路清除后機(jī)端電壓 ≯1.7（p.u.）”的條件。

以華北某新能源匯集系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)背景，設(shè)置系統(tǒng)短路比約2.3，在對地電納最大和最小2種條件下，計(jì)算新能源輸出電流與機(jī)端電壓的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 故障清除過程Iqwt-Uw的關(guān)系(ZSCR=2.3)Fig. 4 Iqwt-Uwt relationship after fault (ZSCR=2.3)

若新能源在故障期間輸出無功電流 ≯1.48（p.u.），則故障清除后暫態(tài)過電壓 ≯1.7（p.u.）。按照指導(dǎo)原則，建議在短路比為2.3時(shí)，應(yīng)保證Kiqwt(1.47, 2.47)。

4 基于短路比的無功電流指標(biāo)分析

根據(jù)短路故障過程中的無功電流與電壓的關(guān)系分析可知，僅考慮變壓器的條件下，按照相關(guān)原則發(fā)無功電流，可使機(jī)端電壓> 0.2（p.u.）。不同短路比下的無功電流可行域，如圖5所示。

圖5 不同SCR下的無功電流可行域Fig. 5 Reactive current feasible region under different SCR

圖5中無功電流可行域?yàn)榧t線內(nèi)的區(qū)域，以ZSCR為界，將系統(tǒng)分為3類：（1）ZSCR＜1.5的系統(tǒng)，不論低穿期間無功電流如何設(shè)置，都無法同時(shí)滿足“短路期間機(jī)端電壓≥ 0.2 (p.u.)”和“短路清除后機(jī)端電壓 ≯1.7 (p.u.)”的條件；（2）ZSCR≥2.6 的系統(tǒng)，可沿用 2019 年 GB/T 19963征求意見稿的最新規(guī)定，即：“Iqwt=(0.8 ?Uwt) ×Kiqwt，其中Kiqwt應(yīng)不小于1.5，宜不大于3”。（3）對于2.6＞ZSCR≥1.5的系統(tǒng)，需結(jié)合短路比情況給出無功電流的要求。

不同短路比下的無功電流推薦域，如圖6所示。

圖6 不同SCR下的無功電流推薦域Fig. 6 Reactive current recommend region of various SCR

在2.6＞ZSCR≥1.5的系統(tǒng)中，新能源低電壓過程無功電流的工程化可選范圍如黑色虛線。對于2.6＞ZSCR≥1.5的系統(tǒng)，新能源無功電流0.88≤Iqwt≤0.818ZSCR?0.3273。因此推薦，“Iqwt=(0.8?Uwt)Kiqwt，其中Kiqwt應(yīng)不小于1.5，宜不大于0.836 4ZSCR-0.3746”。

5 有功電流對過電壓的影響

以華北某新能源匯集系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)背景，設(shè)置 35 kV、220 kV 和 500 kV 線路長度以使得系統(tǒng)短路比約1.5，計(jì)算短路故障清除條件下，新能源輸出電流與機(jī)端電壓的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 故障清除過程Idwt與Uwt的關(guān)系(ZSCR=1.5)Fig. 7 Idwt-Uwt relationship after fault (ZSCR=1.5)

根據(jù)圖7可知，Iqwt=0.9且Idwt=0的條件下，暫態(tài)過電壓為1.7（p.u.），此時(shí)增加Idwt，并保持Iqwt不變，機(jī)端電壓Uwt會(huì)隨著的Idwt增加而減小，但減小幅度有限。Idwt從0（p.u.）增大至0.5（p.u.），可使機(jī)端電壓降低0.03（p.u.），Idwt從0.5（p.u.）增大至1.0（p.u.），可使機(jī)端電壓降低至1.51（p.u.）。故障清除后暫態(tài)過電壓一般持續(xù)時(shí)間較短，依靠風(fēng)機(jī)有功快速恢復(fù)以降低暫態(tài)過電壓水平的效果有限。建議主要考慮“功角穩(wěn)定”因素對新能源機(jī)組有功恢復(fù)速度提出相應(yīng)要求，在充分考慮“功角穩(wěn)定”對機(jī)組有功恢復(fù)速度不能過快的約束，并留有一定裕度后，盡量提升機(jī)組有功恢復(fù)速度以達(dá)到“抑制暫態(tài)過電壓”目的。

6 準(zhǔn)確性討論

6.1 操作過電壓問題

新能源匯集系統(tǒng)在故障清除后的短時(shí)內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的電感和電容元件間電磁能量相互交換，引起振蕩性過渡過程，在系統(tǒng)局部產(chǎn)生非工頻過電壓，即操作過電壓。

操作過電壓分為開關(guān)跳閘過電壓、開關(guān)合閘過電壓、弧光接地過電壓、投切電容器過電壓等幾類。本文重點(diǎn)關(guān)注故障清除時(shí)刻，也就是開關(guān)分閘導(dǎo)致的過電壓。這種過電壓一般持續(xù)時(shí)間為毫秒級，過電壓水平最高可達(dá)2～3（p.u.）。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)應(yīng)采用避雷器限制各種操作過電壓，應(yīng)通過仿真計(jì)算進(jìn)行校核，避雷器吸收能量應(yīng)按工程要求確定。在考慮避雷器伏秒特性后，新能源機(jī)組在比0.1 s更短的時(shí)間尺度內(nèi)，可能有超過1.7（p.u.）的過電壓耐受能力，也就是說，基于“短路清除后機(jī)端電壓 ≤ 1.7（p.u.）”條件給出的支撐無功電流上限可能偏保守。

6.2 無功電流回撤速度問題

當(dāng)新能源機(jī)組在短路故障清除后，輸出無功電流會(huì)在幾十毫秒的時(shí)間尺度迅速回撤，不會(huì)一直保持在故障清除前的水平。因此，若不考慮操作過電壓，關(guān)注工頻過電壓的情況，則按照圖6中無功電流支撐系數(shù)的推薦范圍上限進(jìn)行設(shè)置后，在無功電流未回撤的情況下，新能源機(jī)端電壓在故障清除后將達(dá)到1.7（p.u.），但隨著無功電流的迅速回撤，工頻過電壓水平也會(huì)迅速降低，因此，若新能源機(jī)組比0.1 s更短的時(shí)間尺度內(nèi)，有超過1.7（p.u.）的過電壓耐受能力，則無功電流支撐系數(shù)可設(shè)置為比圖6推薦范圍上限更大的數(shù)值。

若希望更準(zhǔn)確地考慮新能源機(jī)組低電壓過程輸出無功電流對故障清除后的過電壓影響程度，需考慮新能源機(jī)組在故障清除后的無功電流回撤速度。為此，本文選擇2020年市場占有率靠前八的風(fēng)電機(jī)組廠家，每個(gè)廠家選擇一種典型機(jī)型開展控制硬件在環(huán)(control-hardware-in-the-loop，CHIL)實(shí)時(shí)試驗(yàn)研究。

8 種風(fēng)電機(jī)組在故障清除后的無功電流回撤幅度，如表3所示。

表3 無功電流回撤幅度Table 3 Reactive current withdrawal amplitude

由表3可知，所有機(jī)型在40 ms后的無功電流都撤回到故障清除前水平的15%一下，其中有5個(gè)機(jī)型40 ms時(shí)已經(jīng)完全撤回了低電壓故障清除期間增發(fā)的無功電流。

6.3 其他無功源

關(guān)于低電壓過程中新能源機(jī)組需發(fā)出無功電流支撐機(jī)端電壓的分析中，僅考慮了新能源機(jī)組發(fā)出無功電流對機(jī)端電壓的影響，未計(jì)及SVG、SVC和固定電容補(bǔ)償?shù)绕渌軌蛱峁o功電流的設(shè)備。這種條件下對新能源機(jī)組在低電壓過程中發(fā)出的無功電流下限提出要求是相對保守的，因?yàn)槿粲?jì)及除新能源機(jī)組外的其他無功補(bǔ)償設(shè)備在低電壓過程中發(fā)出的無功電流，新能源機(jī)組發(fā)出無功電流在小于圖6給出的下限時(shí)，也能使得新能源機(jī)組機(jī)端電壓抬升到20%水平。且目前一般新能源電站都配備SVG或SVC等無功補(bǔ)償設(shè)備，且按照標(biāo)準(zhǔn)要求，這些設(shè)備在低電壓過程中應(yīng)具備故障穿越能力且提供無功電流補(bǔ)償。同時(shí)，若考慮無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功電流，對1.3節(jié)關(guān)于暫態(tài)過電壓的分析也有影響。在僅考慮了新能源機(jī)組發(fā)出無功電流的條件下所提出的無功電流上限要求可能是相對激進(jìn)的。若進(jìn)一步考慮無功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出的無功，可能導(dǎo)致新能源機(jī)端電壓超過1.7（p.u.）。同時(shí)，對于短路比小于1.5的系統(tǒng)，雖然僅依靠新能源機(jī)組難以滿足安全運(yùn)行要求，但通過除了新能源以外的可控?zé)o功源進(jìn)行配合，是未來可探索的一種適應(yīng)低短路比暫態(tài)電壓安全約束的技術(shù)路線。

7 結(jié)論

本文針對新能源匯集系統(tǒng)典型電氣參數(shù)，研究了考慮短路故障低電壓安全約束和短路故障清除后暫態(tài)過電壓安全約束下，不同短路比并網(wǎng)條件下新能源機(jī)組低電壓過程支撐容性無功電流程度的推薦范圍。

（1）低電壓約束：以新能源匯集地區(qū)500 kV雙回線三相短路為最嚴(yán)苛工況，在只考慮新能源機(jī)組輸出容性無功電流的條件下，以新能源機(jī)端電壓≥ 0.2（p.u.）為約束，給出新能源機(jī)組低電壓過程容性無功電流支撐幅度下限，若按照“Iqwt=(0.8?Uwt)Kiqwt”的公式規(guī)范無功電流，則推薦Kiqwt≥1.5。

（2）暫態(tài)過電壓約束：考慮新能源匯集系統(tǒng)線路對地電容最大的工況，在只考慮新能源機(jī)組輸出容性無功電流的條件下，以新能源機(jī)端在短路故障清除后電壓 ≯1.7（p.u.）為約束，給出新能源機(jī)組低電壓過程容性無功電流支撐幅度上限，該上限與系統(tǒng)短路比相關(guān)，若按照“Iqwt=(0.8?Uwt)Kiqwt”的公式規(guī)范無功電流，則推薦在ZSCR>2.6的系統(tǒng)中，Kiqwt≯3，在2.6>ZSCR>1.5的系統(tǒng)中，Kiqwt≯0.8364ZSCR?0.3746。