風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓問題研究綜述

李帛洋，晁璞璞，徐式蘊，李衛(wèi)星，劉新元，李志民

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；3. 國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

現(xiàn)階段我國風(fēng)能資源與負(fù)荷中心總體上呈逆向分布，“三北地區(qū)”豐富的風(fēng)能資源通過特高壓直流（UHVDC）輸電系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送［1］。目前，我國已建成超過10 回±800 kV 及以上電壓等級的特高壓直流線路，未來還將有數(shù)回特高壓直流投運［2］。然而，特高壓直流輸電系統(tǒng)在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，也存在一系列的安全問題。尤其是當(dāng)特高壓直流發(fā)生換相失敗、直流閉鎖等故障時，換流站內(nèi)盈余的無功倒送入交流系統(tǒng)將引起送端近區(qū)電壓顯著升高，超出系統(tǒng)正常運行的電壓允許范圍，造成暫態(tài)過電壓問題［3-5］。暫態(tài)壓升超過風(fēng)機變流器耐壓限值將導(dǎo)致風(fēng)機脫網(wǎng)甚至連鎖脫網(wǎng)，嚴(yán)重時會造成整個系統(tǒng)崩潰?，F(xiàn)階段錫泰、扎青、青豫、吉泉等特高壓直流輸電工程均面臨較為嚴(yán)重的暫態(tài)過電壓問題，其輸電能力受到制約［6-9］。因此，制定合理的控制策略以限制暫態(tài)過電壓對確保設(shè)備安全、提升線路輸電能力、維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。

為了有效抑制暫態(tài)過電壓，需要建立能夠反映實際系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的電磁暫態(tài)仿真模型，解析暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生機理及影響因素，梳理有助于抑制過電壓的關(guān)鍵可控環(huán)節(jié)和參數(shù)，制定合理的控制策略從而達(dá)到抑制暫態(tài)過電壓的目的。因此，暫態(tài)過電壓問題的研究關(guān)鍵在于系統(tǒng)仿真建模、暫態(tài)過電壓根源解析和抑制策略設(shè)計。本文將從上述3 個方面出發(fā)，對大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓問題進(jìn)行評述。

1）系統(tǒng)仿真建模。對特高壓直流輸電系統(tǒng)、大規(guī)模風(fēng)電集群及動態(tài)無功補償設(shè)備等組成部分的建模方法進(jìn)行梳理與評述，對比分析各類建模方法的優(yōu)缺點，指出提升模型精度的研究方向。

2）暫態(tài)過電壓根源解析。闡述2 類典型暫態(tài)過電壓的演化過程，解析其產(chǎn)生根源及影響因素，梳理暫態(tài)過電壓水平與各影響因素之間的量化分析方法，指出提升分析精度的有效途徑。

3）暫態(tài)過電壓抑制策略設(shè)計。從系統(tǒng)級保護(hù)控制、直流系統(tǒng)控制、風(fēng)電集群控制、無功補償控制等方面，對目前各種過電壓抑制策略進(jìn)行評述，分析各類方法的優(yōu)勢與不足，提出各組成部分協(xié)同控制的可行方案。

1 大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的仿真建模方法

大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)通常為復(fù)合型外送系統(tǒng)，即將大規(guī)模風(fēng)電與配套火電通過特高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合外送。系統(tǒng)通常包含風(fēng)電集群、同步機組、直流系統(tǒng)、無功補償設(shè)備等多個組成部分，有時還需要考慮送受端交流電網(wǎng)系統(tǒng)、多樣化負(fù)荷等環(huán)節(jié)，規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓問題是多時間尺度和多樣化裝備響應(yīng)特性的綜合作用，難以建立微分方程進(jìn)行解析求解，而主要采用時域仿真方法進(jìn)行分析。建立能夠反映系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實際響應(yīng)特性的仿真模型，是分析系統(tǒng)暫態(tài)過電壓特性、制定合理控制策略的前提和基礎(chǔ)。

1.1 特高壓直流輸電系統(tǒng)建模方法

特高壓直流輸電系統(tǒng)是風(fēng)電大規(guī)模外送的核心組成部分，其模型的精細(xì)化程度是影響過電壓現(xiàn)象仿真精度的主要因素。本節(jié)通過梳理已有研究中采用的特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，從模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)和控制策略3 個方面，分析總結(jié)了各模型的優(yōu)缺點和選用依據(jù)，如表1所示。

表1 特高壓直流輸電系統(tǒng)模型Table 1 Models of UHVDC transmission system

在模型結(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)［10-12］采用詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型，考慮晶閘管換流閥的開關(guān)過程，能夠更加準(zhǔn)確地反映暫態(tài)過程中各換流閥電壓、電流等狀態(tài)量的變化過程，在分析非對稱故障、換相失敗暫態(tài)過程等問題時精度較高。但由于模型復(fù)雜、計算量大，在分析大規(guī)模系統(tǒng)時效率不高。文獻(xiàn)［3，13-14］采用簡化的機電暫態(tài)模型，將換流器作為一個整體用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程描述其輸入輸出特性，計算量小，仿真速度快。但準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程缺乏對開關(guān)過程的描述，無法反映換流閥的工作過程。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模需要滿足換流母線三相電壓平衡、換流器對稱運行等假定條件［15］，不適用于研究非對稱故障場景。

在模型參數(shù)方面，文獻(xiàn)［16-18］采用國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）高壓直流標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如附錄A 圖A1 所示）參數(shù)，該系統(tǒng)包含單極500 kV／1 000 MW 輸電線路參數(shù)和極控策略，能夠模擬高壓直流輸電系統(tǒng)的典型特性。該系統(tǒng)被提出的時間較早，結(jié)構(gòu)簡單、控制策略清晰，被國內(nèi)外專家學(xué)者廣泛采用，基于其分析所得各類現(xiàn)象的可信度高，結(jié)論成熟可靠，一般作為標(biāo)準(zhǔn)模型用于控制策略的設(shè)計、測試與分析。而目前我國特高壓直流線路的電壓等級已達(dá)到±800 kV 和±1 100 kV，標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的各項指標(biāo)已明顯落后，與實際系統(tǒng)差別較大。文獻(xiàn)［11-12，19］對標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，基于原有系統(tǒng)框架和控制邏輯，提升了電壓和功率等級，并對線路、濾波器等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后的模型更接近真實直流線路，仿真準(zhǔn)確性得到進(jìn)一步提升。除上述典型系統(tǒng)參數(shù)外，文獻(xiàn)［10，20-21］基于特定實際直流輸電工程建立仿真模型，采用了真實參數(shù)，針對性強，仿真結(jié)果更為精確，但該建模方法的工作量大，通用性差，適用于分析和驗證特定工程問題。

在控制策略方面，大多研究采用的是通用控制策略［16-19］，包含直流系統(tǒng)的核心控制環(huán)節(jié)。附錄A圖A2給出的特高壓直流系統(tǒng)簡化控制結(jié)構(gòu)中，整流側(cè)采用最小觸發(fā)角／定電流控制，逆變側(cè)采用定電流／定熄弧角控制，輔以電流偏差控制和低壓限流控制。此外，定功率控制、定電壓控制、換相失敗預(yù)測等也是常用的控制環(huán)節(jié)。通用控制策略的邏輯清晰，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的控制功能，便于在此基礎(chǔ)上對控制算法進(jìn)行改進(jìn)。但模型特性與實際系統(tǒng)仍有較大的差距，要提高仿真準(zhǔn)確度需要采用更接近實際控制器的控制策略。文獻(xiàn)［3，22］基于ABB 實際控制系統(tǒng)搭建了直流控制器，文獻(xiàn)［23］采用了基于實際工程的直流系統(tǒng)控制器，文獻(xiàn)［24］在數(shù)?；旌戏抡嫫脚_中接入了與實際直流輸電工程相同的控保模塊。相比于通用控制策略，采用基于實際工程控制器的控制策略［22-24］的邏輯更完整，功能更全面，能夠更好地反映系統(tǒng)受控特性。

在直流輸電系統(tǒng)建模過程中，現(xiàn)有研究大多采用基于標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的模型輔以通用控制策略，研究結(jié)論對實際系統(tǒng)的指導(dǎo)作用較有限。在對實際直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模時，建議參照標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，根據(jù)研究需求，有針對性地對直流系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)及控制策略進(jìn)行建模和簡化。

1.2 大規(guī)模風(fēng)電集群建模方法

在系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，消納風(fēng)電是大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的主要目標(biāo)。然而，大規(guī)模風(fēng)電集群通常包含數(shù)百臺風(fēng)電機組，如果對每臺風(fēng)電機組都進(jìn)行詳細(xì)建模，會大幅增加模型復(fù)雜度和計算時間，甚至?xí)媾R“維數(shù)災(zāi)”問題。因此，對風(fēng)電集群進(jìn)行等值建模十分重要。目前，風(fēng)電集群的等值建模方法主要通過減臺數(shù)和降階數(shù)2 種途徑實現(xiàn)，如表2所示。

表2 風(fēng)電集群等值建模方法對比Table 2 Comparison of equivalent modeling methods for wind power cluster

減臺數(shù)即將風(fēng)電集群／風(fēng)電場用1 臺或多臺等值機表征，被稱為單機等值方法［25-27］或多機等值方法［28-29］。單機等值方法無需對機組進(jìn)行分群，將整座場站等值為1 臺機組。文獻(xiàn)［25］采用電流倍乘法，風(fēng)電場采用單機模型經(jīng)箱式變壓器后出口電流倍乘方式進(jìn)行等值，但未考慮實際風(fēng)電場內(nèi)機組運行工況的多樣性；文獻(xiàn)［26］采用參數(shù)聚合法，將風(fēng)電場等值為1 臺等值機；文獻(xiàn)［27］在風(fēng)機參數(shù)等值基礎(chǔ)上還對風(fēng)速進(jìn)行了等值計算。但上述研究均無法表征場站內(nèi)各機組動態(tài)行為的差異，當(dāng)機組間的運行工況差異較大時，會導(dǎo)致較大的等值誤差。

多機等值方法基于傳統(tǒng)的發(fā)電機“同調(diào)”思想，通常以能夠表征機組運行狀態(tài)的特征量為分群指標(biāo)，將具有相似或相同運行點的機組聚合為1 臺等值機。文獻(xiàn)［28］采用K中心點聚類法根據(jù)風(fēng)速對風(fēng)電場進(jìn)行聚類，將每座風(fēng)電場等值為2 臺機組；文獻(xiàn)［29］采用同調(diào)機群識別聚類方法確定風(fēng)電場內(nèi)機組的同調(diào)風(fēng)電機群，將每個同調(diào)風(fēng)電機群等值為1 臺機組。這類方法雖然可以達(dá)到較高的等值精度，但涉及復(fù)雜的分群算法和集電網(wǎng)絡(luò)在不同等值機間的分?jǐn)偟葟?fù)雜環(huán)節(jié)，實用性較差。

降階數(shù)一般通過忽略對研究對象無影響或影響較小的動態(tài)，實現(xiàn)等值機電磁暫態(tài)模型［24-26］的進(jìn)一步簡化。電磁暫態(tài)模型的時間尺度小，包含了換流器的詳細(xì)特性，但由于模型階數(shù)高，計算量大，仿真效率低。文獻(xiàn)［30-31］分別基于電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）、數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序DIgSILENT（DIgital SImuLation and Electrical NeTwork）平臺搭建了風(fēng)電集群的機電暫態(tài)模型，忽略了換流器的開關(guān)過程，計算量小，仿真速度快，但由于建模精細(xì)程度有限，無法準(zhǔn)確反映風(fēng)電集群在擾動過程中的詳細(xì)動態(tài)特性；文獻(xiàn)［3，14］采用電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP（Power System Analysis Synthesis Program）、電力系統(tǒng)分析軟件PSD-BPA（Power System Department-Bonneville Power Administration）等平臺中的風(fēng)電機組通用模型，這類模型的集成度高，且易于使用，但由于模型已經(jīng)固化，在控制策略等方面可供修改的空間較為有限。

目前，關(guān)于減臺數(shù)途徑，單機等值方法的精度較低，多機等值方法尚沒有被廣泛認(rèn)可的分群指標(biāo)，且對風(fēng)電機組故障穿越特性的考慮還不夠充分；關(guān)于降階數(shù)途徑，大多采用機電暫態(tài)模型或通用模型，沒有考慮集電網(wǎng)絡(luò)的影響?，F(xiàn)有研究存在的共性問題在于：沒有考慮系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題對風(fēng)電模型的實際需求，只是簡單地移植了現(xiàn)有風(fēng)電機組等值建模方法。在直流系統(tǒng)發(fā)生故障期間，系統(tǒng)暫態(tài)電壓的響應(yīng)時間尺度在毫秒級別，因此，在對風(fēng)電集群建模時，采用電磁暫態(tài)模型更為合適。同時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題與風(fēng)電故障穿越特性的交互作用，根據(jù)其對風(fēng)電模型響應(yīng)特性的精細(xì)化程度需求，兼顧精度和計算量，建立合理有效的風(fēng)電集群電磁暫態(tài)等值模型。

1.3 其他組成部分的建模方法

除風(fēng)電集群和直流輸電系統(tǒng)外，風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)還包括同步發(fā)電機組、送端交流電網(wǎng)、動態(tài)無功設(shè)備等部分。

目前，同步發(fā)電機組的建模技術(shù)已相對成熟，本文不再詳述。對于送端交流電網(wǎng)的建模，常用方法是將其等效為基于短路比的等效電源和阻抗［12，26］，短路比參數(shù)既可以根據(jù)需求設(shè)定，也可以基于短路電流計算結(jié)果得到［27］，這種等效方法既能反映送端交流電網(wǎng)的強度，又能減少建模復(fù)雜度和計算量。文獻(xiàn)［25］采用基于實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的交流電網(wǎng)模型，這種建模方法雖然較繁瑣，但是可以更好地反映實際系統(tǒng)的特性，常用于對實際工程問題的驗證。動態(tài)無功設(shè)備主要包括靜止無功補償裝置SVC（Static Var Compensator）、靜止無功發(fā)生器SVG（Static Var Generator）和同步調(diào)相機等，通常根據(jù)系統(tǒng)建模時間尺度建立其對應(yīng)的機電或電磁暫態(tài)模型，輔以通用或優(yōu)化控制策略參與系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)［11，32-34］。

1.4 系統(tǒng)仿真建模方法研究展望

已有研究大多采用CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)或其改進(jìn)模型對特高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模；對于機組數(shù)量眾多、隨機性和不確定性突出的風(fēng)電集群而言，大多采用運行于額定工作點的單機等值模型；對于其他組成部分，通常也只是簡單地移植通用模型進(jìn)行建模。已有研究普遍沒有深入分析其采用的建模方法是否能夠真實地反映對應(yīng)的電網(wǎng)設(shè)備在故障穿越全過程中的動態(tài)響應(yīng)特性，這也正是系統(tǒng)仿真建模的難點所在。以風(fēng)電集群為例，建議詳細(xì)分析不同類型風(fēng)電機組在不同運行狀態(tài)、不同故障場景下的暫態(tài)特性，特別是低-高電壓連鎖故障期間的暫態(tài)行為，挖掘風(fēng)電集群內(nèi)多樣化機組動態(tài)行為的一致性、差異性及其影響因素和機理，針對不同場站規(guī)模和集電網(wǎng)絡(luò)形式，研究風(fēng)電機組在各故障穿越過程中的電磁暫態(tài)行為通過復(fù)雜匯集網(wǎng)絡(luò)耗散后的演變規(guī)律，結(jié)合實際工程對建模的精細(xì)化程度需求，建立能夠兼顧精度和計算量的風(fēng)電集群電磁暫態(tài)等值模型。

2 暫態(tài)過電壓根源解析

為了更好地解析風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，本文基于CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，在PSCAD 平臺中搭建了相應(yīng)的仿真模型。仿真分析結(jié)果表明，送端換流母線暫態(tài)過電壓的典型響應(yīng)特性可分為2 類［3，14，35-38］，具體如圖1 所示。圖中，電壓為標(biāo)幺值。

圖1 送端換流母線暫態(tài)過電壓曲線Fig.1 Transient overvoltage curves of sending-end converter bus

2.1 暫態(tài)過電壓現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

圖1（a）所示電壓響應(yīng)特性曲線主要由換相失敗故障引起：受端換流器發(fā)生換相失敗后，受端直流電壓快速下降，直流電流隨之升高，送端電流控制器增大觸發(fā)角以抑制電流上升，無功消耗迅速增加，造成送端換流母線電壓降低；之后在低壓限流控制器的調(diào)節(jié)作用下，直流電流迅速減小，送端無功消耗隨之大幅降低，送端交流濾波器組的大量過剩無功引起送端換流母線出現(xiàn)暫態(tài)過電壓。

圖1（b）所示電壓響應(yīng)特性曲線主要由直流閉鎖故障引起：直流線路閉鎖后，單極或雙極線路有功功率在短時間內(nèi)迅速降至0，大量過剩無功導(dǎo)致送端交流電壓快速升高，在送端濾波器組切除前會維持過電壓狀態(tài)。文獻(xiàn)［39］還指出，對于一些無功損耗大幅增加的非典型工況而言，發(fā)生故障時的過電壓明顯高于常規(guī)工況下的電壓。故障期間系統(tǒng)送端的無功失衡是導(dǎo)致暫態(tài)過電壓的根源所在。

除無功功率過剩這一原因外，文獻(xiàn)［14］指出，換流站近區(qū)的暫態(tài)過電壓水平與換流站的短路容量、近區(qū)無功-電壓控制能力和極控與安控動作時序密切相關(guān)，一旦極控切濾波器時間與安控切機時間匹配不當(dāng)，就可能進(jìn)一步加劇暫態(tài)過電壓水平；文獻(xiàn)［40］將系統(tǒng)發(fā)生擾動后的電壓動態(tài)過程分為2 個階段，分析了不同階段影響過電壓水平的主要因素，指出短路比與過電壓水平密切相關(guān)；文獻(xiàn)［41］也認(rèn)為短路比對暫態(tài)過電壓的影響較大，短路比越小，則系統(tǒng)對無功變化越敏感，暫態(tài)過電壓問題越嚴(yán)重。

另外，風(fēng)電集群的故障穿越能力不足也是導(dǎo)致暫態(tài)過電壓的主要原因。由于風(fēng)電匯集線路一般距離換流站較近，換流母線的暫態(tài)過電壓易傳遞至近區(qū)風(fēng)電場。如果風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓高于1.3 p.u.，風(fēng)電機組將會無延遲脫網(wǎng)，風(fēng)機脫網(wǎng)后，近區(qū)線路的無功過剩，電壓會進(jìn)一步上升，引發(fā)更多的風(fēng)電機組相繼脫網(wǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)換流站母線電壓升高［4］。文獻(xiàn)［3］詳細(xì)分析了直流閉鎖和換相失敗故障引發(fā)風(fēng)電機組高壓脫網(wǎng)的機制，考慮了風(fēng)電并網(wǎng)容量與直流輸送容量之間的相互制約關(guān)系及火電機組的電壓支撐作用。除風(fēng)電并網(wǎng)容量外，系統(tǒng)無功控制模式、發(fā)電機容量裕度以及調(diào)峰方式等因素也會影響系統(tǒng)暫態(tài)過電壓水平。

目前，對暫態(tài)過電壓產(chǎn)生根源的分析已較為深入，但仍普遍視風(fēng)電集群為被動受擾對象。事實上，送端接入大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓特性應(yīng)是直流環(huán)節(jié)暫態(tài)特性和風(fēng)電集群高／低電壓穿越特性交互作用的結(jié)果，合理計及風(fēng)電集群的高／低電壓穿越特性及其與系統(tǒng)之間的交互作用，有助于進(jìn)一步完善對直流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題的認(rèn)知。

2.2 暫態(tài)過電壓的量化分析方法

通過對暫態(tài)過電壓產(chǎn)生根源的解析可知，暫態(tài)期間的無功過剩水平、系統(tǒng)短路容量和風(fēng)電集群的故障穿越能力是暫態(tài)過電壓水平的主要影響因素。如何評估各因素對暫態(tài)過電壓的影響方式與影響程度，需要建立暫態(tài)過電壓與各影響因素間的量化關(guān)系，進(jìn)而為系統(tǒng)的運行控制和保護(hù)策略制定提供理論依據(jù)?，F(xiàn)有暫態(tài)過電壓的量化分析方法主要包括估算法［42］、交流等值法［43-44］、無功短路比法［45］和單支路壓降法［36］等，具體如表3所示。

表3 暫態(tài)過電壓的量化分析方法對比Table 3 Comparison of quantitative analysis methods of transient overvoltage

估算法［42］是將暫態(tài)壓升ΔU表示為暫態(tài)期間的無功盈余水平ΔQ與系統(tǒng)短路容量S之比，如式（1）所示。該方法中的系統(tǒng)短路容量是靜態(tài)指標(biāo)，而無功盈余水平通常取為直流系統(tǒng)的無功消耗值，因此計算誤差通常較大，適用于對精度要求不高的分析場合。

對于圖2 所示的送端系統(tǒng)等值電路，交流等值法、無功短路比法、單支路壓降法的計算公式分別如式（2）—（4）所示。

圖2 送端系統(tǒng)等值電路Fig.2 Equivalent circuit of sending-end system

式中：U為換流母線電壓；UN為換流母線的額定電壓；E為送端交流等值電勢；Qc為無功補償容量；X、R分別為等值電抗、電阻；ΔP和ΔQ分別為故障發(fā)生前、后送端交流系統(tǒng)的有功變化量和無功變化量；P0、Q0分別為穩(wěn)態(tài)時送端有功功率、無功功率初始值。

關(guān)于交流等值法，文獻(xiàn)［43］根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳輸功率對交流系統(tǒng)進(jìn)行等值，并考慮了暫態(tài)過程中靜態(tài)無功補償器補償容量隨電壓升高的特性，但將其應(yīng)用于短路比較低的系統(tǒng)時，可能會出現(xiàn)沒有實解的情況；文獻(xiàn)［44］在此基礎(chǔ)上考慮了換流器的無功暫態(tài)變化特性，通過擬合方法獲得了發(fā)生故障時換流器的最小無功消耗，對于無功過剩水平的表征更為精確。關(guān)于無功短路比法，文獻(xiàn)［45］基于直流閉鎖時換流母線的暫態(tài)過電壓是諧振過電壓的思路，推導(dǎo)了暫態(tài)過電壓與諧振頻率之間的關(guān)系式，提出了可用于低短路比系統(tǒng)的分析方法。關(guān)于單支路壓降法，文獻(xiàn)［36］以單支路電壓降公式為基礎(chǔ)，進(jìn)一步考慮了系統(tǒng)有功功率變化對暫態(tài)過電壓的貢獻(xiàn)，提升了精度。

上述方法的主要貢獻(xiàn)在于提供了發(fā)生故障后暫態(tài)過電壓峰值的估算方法，但沒有深入解析故障演化全過程的系統(tǒng)暫態(tài)電壓特性，僅將送端系統(tǒng)等值為恒定電勢串聯(lián)阻抗的形式，顯然無法有效計及風(fēng)電集群的故障穿越特性。針對該問題，文獻(xiàn)［45］簡要分析了過電壓引發(fā)送端系統(tǒng)接入新能源連鎖脫網(wǎng)的情況，將新能源機組脫網(wǎng)的影響等效為送端系統(tǒng)短路容量減?。晃墨I(xiàn)［36］進(jìn)一步考慮了送端風(fēng)電機組受影響進(jìn)入低電壓穿越的情況，增加了風(fēng)電機組側(cè)的固定無功盈余。然而，暫態(tài)期間大規(guī)模風(fēng)電集群的功率響應(yīng)是隨著并網(wǎng)點電壓動態(tài)變化的，是高／低電壓穿越交替演化引起的復(fù)雜作用效果。因此，目前的研究對于風(fēng)電集群動態(tài)特性在特高壓直流送出系統(tǒng)暫態(tài)過電壓過程的影響機理尚不明確，需要采用更為精細(xì)的量化評估方法進(jìn)行表征。

2.3 暫態(tài)過電壓分析研究展望

目前，在暫態(tài)過電壓根源解析和過電壓量化分析方法方面，已有研究大多著眼于直流閉鎖故障場景，對于連續(xù)換相失敗、連續(xù)換相失敗后直流閉鎖和直流再啟動等其他類型故障的演化機理解析尚不深入，也沒有充分考慮風(fēng)電集群動態(tài)特性和故障期間多設(shè)備交互作用對暫態(tài)過電壓的影響，這也正是暫態(tài)過電壓問題分析亟待突破的難點。此外，暫態(tài)過電壓影響整個直流送端近區(qū)，不能僅研究送端換流母線的電壓特性。建議分析在不同故障場景、運行條件和控制策略下，不同類型電網(wǎng)設(shè)備在不同時間尺度下的無功動態(tài)行為，基于多樣化設(shè)備在故障穿越全過程中的無功-電壓響應(yīng)特性，分析多樣化設(shè)備的無功行為對系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點電壓的影響規(guī)律，挖掘各關(guān)鍵節(jié)點電壓的峰值特征和主導(dǎo)影響因素，從而揭示各關(guān)鍵節(jié)點電壓在不同故障階段的演化機理。

3 暫態(tài)過電壓抑制策略設(shè)計

明確暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生根源和影響因素后，可以有針對性地設(shè)計暫態(tài)過電壓抑制策略。在系統(tǒng)規(guī)劃層面，可通過增大短路比［40］、優(yōu)化系統(tǒng)暫態(tài)無功特性［46］等方式，改善系統(tǒng)暫態(tài)過電壓水平。此外，柔性直流輸電系統(tǒng)具備有功和無功功率解耦控制、不存在換相失敗、可接入無源網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點，采用柔性直流輸電方式實現(xiàn)風(fēng)電等可再生能源外送也已被業(yè)界關(guān)注與認(rèn)同。

在控制策略層面，可通過系統(tǒng)級保護(hù)控制優(yōu)化［5，14］、直流控制優(yōu)化［47-50］、風(fēng)電集群控制優(yōu)化［51-54］以及無功補償控制優(yōu)化［55-59］4 種方法抑制系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓，具體如表4所示。

表4 暫態(tài)過電壓抑制方法對比Table 4 Comparison of transient overvoltage suppression methods

3.1 系統(tǒng)級保護(hù)控制優(yōu)化

文獻(xiàn)［14］根據(jù)實際案例分析結(jié)果指出，極控切濾波器和安控切機動作時序配合不當(dāng)可能引起暫態(tài)電壓2 次升高，為此提出了一種優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方法；文獻(xiàn)［5］對觸發(fā)直流閉鎖的緊急停機策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過減緩直流閉鎖的觸發(fā)過程，改變保護(hù)措施的觸發(fā)順序，與安控系統(tǒng)相互配合來抑制暫態(tài)過電壓。

由于設(shè)備動作存在延時，系統(tǒng)級保護(hù)控制優(yōu)化方法主要用于應(yīng)對故障后數(shù)百毫秒到數(shù)秒間的過電壓問題，以防止過電壓問題加劇導(dǎo)致故障擴(kuò)散，從而造成風(fēng)機連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生。在優(yōu)化系統(tǒng)級保護(hù)控制策略時，需要綜合考慮各設(shè)備間的協(xié)同配合以及發(fā)生故障后系統(tǒng)整體的功角、頻率和電壓穩(wěn)定特性。

3.2 直流控制優(yōu)化

故障期間直流線路的有功傳輸受阻，無功消耗大幅降低是導(dǎo)致送端出現(xiàn)無功過剩的直接原因，因此直流控制策略的優(yōu)化方法主要圍繞改善故障期間直流系統(tǒng)的無功特性進(jìn)行。文獻(xiàn)［42］研究了整流側(cè)電流控制器和低壓限流控制器參數(shù)影響暫態(tài)過電壓的機理；文獻(xiàn)［47］通過優(yōu)化直流低壓限流環(huán)節(jié)、換相失敗預(yù)測、電流控制器等重要控制參數(shù)來減小換相失敗過程中直流與送受端系統(tǒng)交換的最大無功功率，進(jìn)而抑制暫態(tài)過電壓；文獻(xiàn)［48］以暫態(tài)過程中無功平衡作為控制條件，通過改變整流站的電流指令值來實現(xiàn)換相失敗過程中無功功率的平衡控制，降低送端系統(tǒng)交流電壓波動；文獻(xiàn)［49］通過增加逆變側(cè)關(guān)斷角，短時提升健全極消耗的無功功率，抑制送端弱交流電網(wǎng)過電壓的產(chǎn)生；文獻(xiàn)［50］提出了一種恒定無功控制策略，可以增加整流器消耗的無功功率，減少直流與系統(tǒng)之間的無功功率交換以降低送端過電壓。

對直流控制策略進(jìn)行優(yōu)化可以從源頭上減少注入系統(tǒng)的無功功率進(jìn)而降低暫態(tài)過電壓幅度，但進(jìn)行優(yōu)化時要以不改變直流運行和調(diào)節(jié)性能為前提，同時保持其與系統(tǒng)其他控制環(huán)節(jié)相匹配。

3.3 風(fēng)電集群控制優(yōu)化

風(fēng)電集群具備一定的無功調(diào)節(jié)能力，可以在保證故障期間并網(wǎng)運行的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化暫態(tài)期間的控制策略，使風(fēng)電集群從系統(tǒng)吸收動態(tài)無功以緩解送端無功過剩。文獻(xiàn)［51-52］分析了由換相失敗引發(fā)的電壓擾動下雙饋風(fēng)機的故障穿越響應(yīng)特性，結(jié)果表明相比于單一低電壓、高電壓擾動場景，雙饋風(fēng)機在連續(xù)電壓擾動場景下的脫網(wǎng)風(fēng)險顯著提高；文獻(xiàn)［32］根據(jù)雙饋風(fēng)機的功率可控運行區(qū)域，結(jié)合健全極的短時過載能力，在故障期間通過控制風(fēng)電場吸收部分無功實現(xiàn)對過電壓的抑制；文獻(xiàn)［11］討論了電網(wǎng)電壓驟升時雙饋風(fēng)機的功率約束原則和可控區(qū)，提出了風(fēng)電機組參與暫態(tài)無功調(diào)節(jié)的優(yōu)化控制策略；文獻(xiàn)［53］提出了一種基于P-Q協(xié)調(diào)的風(fēng)機控制策略，通過與快速有功功率控制相配合，提升了暫態(tài)過程中的無功功率容量，從而抑制過電壓；文獻(xiàn)［54］認(rèn)為風(fēng)機控制器中電網(wǎng)電壓檢測環(huán)節(jié)的延時是暫態(tài)過電壓的重要影響因素，提出了一種延時補償策略來抑制暫態(tài)過電壓。

對風(fēng)電集群控制策略進(jìn)行優(yōu)化的前提是暫態(tài)期間風(fēng)電機組仍運行在可控區(qū)域內(nèi)，這就要求風(fēng)電機組具備一定的高電壓穿越能力。暫態(tài)期間風(fēng)電機組受過電壓程度、機組運行工況等因素的影響，能夠向系統(tǒng)提供的動態(tài)無功容量較為有限，因此通常作為一種輔助優(yōu)化手段與其他措施共同作用。

3.4 動態(tài)無功補償控制優(yōu)化

動態(tài)無功補償裝置通過快速響應(yīng)系統(tǒng)的無功變化為系統(tǒng)提供無功支撐，是抑制暫態(tài)過電壓問題的有效措施［55］。文獻(xiàn)［56-57］分析結(jié)果表明，通過靜止同步補償器STATCOM（STATic synchronous COMpensator）調(diào)節(jié)無功輸出可以提高暫態(tài)期間交流系統(tǒng)的強度，抑制故障過程中送端暫態(tài)過電壓，加快系統(tǒng)的故障恢復(fù)速度；文獻(xiàn)［35］研究了調(diào)相機的次暫態(tài)特性、暫態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性對直流送受端電網(wǎng)的影響，表明大容量同步調(diào)相機能夠增加系統(tǒng)的短路比，改善暫態(tài)過程特性；文獻(xiàn)［34］對比了同步調(diào)相機、SVC和SVG在交直流系統(tǒng)中的動態(tài)無功支撐能力與暫態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力，指出相同容量下同步調(diào)相機對送端電壓的支撐效果最好；文獻(xiàn)［58］通過一種暫態(tài)過電壓評估指標(biāo)量化分析了不同類型無功補償設(shè)備對暫態(tài)過電壓的抑制能力，也得出了同步調(diào)相機調(diào)節(jié)能力最優(yōu)的結(jié)論；文獻(xiàn)［59］基于暫態(tài)過電壓的短路比增量指標(biāo)，定量評估了同步調(diào)相機對暫態(tài)過電壓的作用效果；文獻(xiàn)［16］提出了一種根據(jù)暫態(tài)過電壓的大小確定調(diào)相機加裝容量的選取原則。

動態(tài)無功補償設(shè)備抑制暫態(tài)過電壓的作用明顯，還兼具調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)無功、改善電能質(zhì)量等功能。但對于大容量送出系統(tǒng)而言，加裝成本高昂，且需要注意避免控制不當(dāng)出現(xiàn)“反調(diào)”現(xiàn)象［34］。

3.5 暫態(tài)過電壓抑制策略設(shè)計研究展望

現(xiàn)有關(guān)于暫態(tài)過電壓抑制策略方面的研究大多基于單一設(shè)備和目標(biāo)進(jìn)行策略設(shè)計，通常停留在時域仿真和定性分析層面。暫態(tài)過電壓抑制策略制定的難點在于：要能夠從全局角度出發(fā)，設(shè)計系統(tǒng)化、實用化的多設(shè)備協(xié)同控制策略。建議從不同時間尺度、不同控制層級解析各設(shè)備間動態(tài)無功的交互作用，研究多樣化設(shè)備無功支撐行為對暫態(tài)過電壓的影響途徑和機理，分別梳理對系統(tǒng)穩(wěn)定有益以及有反作用的控制策略，提煉關(guān)鍵可控環(huán)節(jié)和參數(shù)，研究其多樣化約束，量化評估各設(shè)備的無功動態(tài)支撐能力。進(jìn)一步考慮不同時間尺度的協(xié)調(diào)、不同設(shè)備間的協(xié)調(diào)以及無功支撐能力的協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌兼顧系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的控制優(yōu)勢和特性，揚長避短，綜合考量不同抑制策略的實現(xiàn)成本與優(yōu)化效果，制定風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓多維協(xié)同抑制策略。

4 結(jié)論

針對大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓問題，本文從系統(tǒng)仿真建模、暫態(tài)過電壓根源解析、抑制策略設(shè)計3 個方面進(jìn)行了綜述與分析，得到現(xiàn)存的挑戰(zhàn)及可行的解決方案如下：

1）在系統(tǒng)建模方面，現(xiàn)有建模方法尤其是風(fēng)電集群的等值建模方法過于理想化，建議根據(jù)不同類型電網(wǎng)設(shè)備在故障穿越全過程中的動態(tài)響應(yīng)特性，結(jié)合過電壓問題分析對模型的精細(xì)化程度需求，建立能夠兼顧精度和計算量的系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型；

2）在暫態(tài)過電壓根源解析方面，對不同故障場景的分析尚不夠全面，也缺乏對風(fēng)電集群高／低電壓穿越特性的考慮，建議分析時應(yīng)充分考慮不同類型故障場景下系統(tǒng)各環(huán)節(jié)尤其是風(fēng)電集群的無功-電壓響應(yīng)特性的時序過程及其對暫態(tài)過電壓的影響；

3）在暫態(tài)過電壓抑制策略方面，現(xiàn)有策略僅針對單一設(shè)備或目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，建議統(tǒng)籌兼顧系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的控制優(yōu)勢和特性，研究其多樣化約束和多維協(xié)同關(guān)系，揚長避短，制定系統(tǒng)化、實用化的風(fēng)電經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓多維協(xié)同抑制策略。

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