- 頭條大規模風電直流外送系統單極閉鎖場景下，送端系統的協調控制策略2021-01-20 作者：駱悅 姚駿 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網新疆電力調度控制中心的研究人員駱悅、姚駿、張田、裴金鑫、張鋒，在2019年第19期《電工技術學報》上撰文指出，當高壓直流輸電系統送端換流站發生單極閉鎖故障時，換流站交流側無功功率將出現過剩，導致換流站交流側電壓驟升，從而進一步引起送端電網末端風電場機端電壓的驟升。 為了保證送端系統的安全穩定運行，分析高壓直流輸電系統發生單極閉鎖故障后送端系統的潮流分布和送端系統過電壓產生的原因，結合典型雙饋風電機組的功率可控運行區域及直流換流站的短時過載能力，提出計及雙饋風電場及換流站的協調故障穿越控制策略。 仿真結果表明，該方案既能夠有效抑制直流單極閉鎖故障下換流站交流側暫態過電壓，又能夠保證大規模雙饋風電機組在高壓直流輸電系統單極閉鎖下不脫網運行，有效地增強了故障下送端系統的暫態穩定運行能力。
近年來，由于電力需求的增大和環保意識的增強，大力發展以風電為代表的可再生能源成為保障我國能源電力可持續發展的重要選擇之一。然而，我國風能資源多分布在東北、西北、華北北部地區（以下簡稱“三北”地區），這些地區的風電就地消納能力十分有限，而我國的負荷中心又主要位于人口稠密、經濟發達的東、中部地區。
為解決風能資源與負荷需求區域逆向性分布的矛盾，需采取遠距離輸電和擴大風電消納范圍等措施。相比于交流輸電系統，高壓直流輸電系統在大規模遠距離輸電上有著顯著的優勢。目前，我國“三北”地區已建成哈密—鄭州、錫盟—泰州、扎魯特—青州、上海廟—臨沂等多個特高壓直流輸電系統。
然而，高壓直流輸電系統在擁有眾多優點的同時也帶來了一系列安全問題，如直流線路故障、換流站故障及交流系統故障等均可能導致直流單極閉鎖甚至雙極閉鎖。當高壓直流輸電系統發生單極閉鎖故障，換流站所需無功功率驟減，造成交流側無功功率過剩，會引起交流電網電壓驟升。
此外，由于大規模開發風能資源的地區一般都處于電網末端，此處網架結構比較薄弱，當換流站交流側電壓抬升時，將引發風電場并網點電壓進一步惡化，對于電壓突變耐受能力弱的風力發電基地而言，容易引發連鎖脫網事故。因此，進一步研究直流單極閉鎖故障下，送端交流系統設備間的協調故障穿越控制策略具有重要的現實意義。
針對直流閉鎖故障引起的暫態過電壓問題及雙饋風電機組（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）的高電壓穿越控制策略，國內外學者已進行了一些研究。
- 有學者結合實際系統發生單極閉鎖的故障過程錄波，分析了無功補償裝置的切除時間對送端電網暫態電壓的影響。
- 有學者通過直流輸電系統的短路比分析了直流系統功率大擾動下換流站交流側的過電壓水平。
- 有學者采用系統等效的方法，推導出換流站母線暫態電壓的解析表達式，進而分析得到系統強度、閉鎖容量等因素對送端交流暫態過電壓的影響。
- 對于雙饋風電機組的高電壓穿越控制策略，有學者提出“虛擬阻抗”、“動態無功支撐”、“比例-諧振控制”等方法，這些方法主要通過改變控制器結構來提高雙饋風電機組的高電壓穿越能力。
- 有學者主要通過增加如靜止無功補償裝置（Static Var Compensator, SVC）、靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）等無功功率調節設備來提高機組的故障穿越能力，但該方案需要增加系統的硬件成本及維護成本。
上述文獻所提控制策略主要是從風機本身的角度出發，對直流單極閉鎖故障下考慮送端系統多樣化設備間相互協調控制的故障穿越問題則研究較少。
- 有學者以云廣直流孤島系統作為工程背景，研究了單極閉鎖故障下同步機調速器與直流換流站的協調控制策略，對故障后系統頻率動態過程進行了優化。但是該文獻僅對單極閉鎖故障下，送端系統頻率問題進行了研究，對故障后送端系統的過電壓問題研究較少。
- 有學者則基于新疆電網2014年底的網架結構，研究了高壓直流輸電系統發生雙極閉鎖故障后綜合考慮新疆網內火電、哈密地區風電及直流配套電源，協調優化切機不平衡量的穩定控制方案，但其主要對系統故障后風電機組和同步機的切機策略進行研究，對于故障下不切除風電機組的送端多樣化設備間的協調控制策略則研究較少。
- 有學者提出了在直流系統發生閉鎖故障時風電場內動態無功補償裝置（SVC）與換流站無功補償裝置切除時序相結合的高電壓穿越控制策略，但未考慮充分利用換流站的無功控制能力。
- 有學者通過改進觸發直流閉鎖的緊急停機策略，減緩直流閉鎖的觸發過程，改變保護措施的觸發順序，并與安全穩定控制系統配合以抑制送端并網母線的暫態過電壓，然而其尚未考慮非故障極在故障過程中的配合控制。
為進一步增強直流單極閉鎖故障下送端系統的暫態穩定運行能力，本文首先分析了高壓直流輸電系統發生單極閉鎖故障后送端電網的潮流分布以及過電壓的產生機理，根據雙饋風電機組的控制方法和運行特性，推導了風電場的功率可控范圍；然后結合換流站交流側濾波器的投切時序及換流站非故障極的短時過載能力，提出了一種直流單極閉鎖故障下計及雙饋風電場與換流站的系統協調故障穿越控制策略；最后仿真結果證明了所提策略的有效性。
圖6 送端系統協調控制流程
圖7 送端系統協調控制策略框圖
結論
本文對大規模風電直流外送下系統發生單極閉鎖故障時送端交流系統多樣化裝備間的協調故障穿越控制問題進行了深入研究，結論如下：當直流系統發生單極閉鎖故障時，送端系統無功功率過剩，為了平衡換流站消耗的無功功率及無功補償裝置提供的無功功率，結合換流站及無功補償裝置的無功功率特性，采用切除部分無功補償裝置的方案可以使系統電壓恢復到故障前水平。
針對直流單極閉鎖下采用切除無功補償裝置方案后，由于無功補償裝置的響應時間導致的送端交流系統短時無功功率過剩問題，適當增加故障期間非故障極輸出的有功功率，可以增大換流站消耗的無功功率，進而可減小送端系統過剩的無功功率。結合風電場的功率可控運行區域，在故障期間風電場吸收部分無功能夠有效抑制其機端過電壓。
本文所提的協調控制策略綜合考慮了雙饋風電場的快速無功調節能力及換流站的短時過負荷能力，進一步提高了單極閉鎖故障下送端系統的故障穿越能力，為大規模新能源發電基地直流外送系統的暫態安全穩定運行奠定基礎。
