程雪婷，徐宏銳，李業(yè)功

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院， 山西 太原 030001； 2.國網(wǎng)山西省電力公司， 山西 太原 030001）

0 引言

近年來，我國新能源并網(wǎng)容量快速增加，2020年已完成風(fēng)電裝機(jī)容量2 億kW[1]，同時(shí)也形成了交直流混聯(lián)電網(wǎng)的新格局[2]。 復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與大容量的新能源并網(wǎng)，使電網(wǎng)運(yùn)行工況日趨復(fù)雜。特高壓直流輸電線路中直流換相失敗時(shí)， 產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓可能導(dǎo)致近區(qū)風(fēng)電機(jī)組因不具備高電壓穿越能力而脫網(wǎng)，對電網(wǎng)造成沖擊。

風(fēng)電的高電壓穿越是指電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時(shí)風(fēng)電機(jī)組仍然能夠不間斷地運(yùn)行的能力[3]。 風(fēng)電機(jī)高電壓穿越的根本原因就是本地的無功功率過多，使風(fēng)電場電壓過高。當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí)需要強(qiáng)制將風(fēng)電機(jī)從電網(wǎng)退出，單個(gè)風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)將會導(dǎo)致其周邊無功功率不平衡，進(jìn)而可能引起大量風(fēng)電脫網(wǎng)，造成大量功率損失[4-6]。 當(dāng)前對風(fēng)電的高電壓穿越已經(jīng)有了一定的研究。文獻(xiàn)[7]考慮了孤立風(fēng)險(xiǎn)、電源孤立風(fēng)險(xiǎn)和電網(wǎng)解列風(fēng)險(xiǎn)，對保護(hù)拒動(dòng)故障的電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，但并沒有考慮高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[8]建立了風(fēng)電出力模型和線路故障概率模型，使用TLS 分布描述風(fēng)電機(jī)的預(yù)測誤差分布，并結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，引入風(fēng)險(xiǎn)閾值確定風(fēng)電送出能力。文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于潮流計(jì)算的在線風(fēng)電場互聯(lián)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電場并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓水平和聯(lián)絡(luò)線潮流的趨勢預(yù)測和安全評估，但該方法僅考慮了脫網(wǎng)容量和電壓，缺少對其他風(fēng)電場的影響評估。文獻(xiàn)[10]采用不確定性理論和并行計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫扣風(fēng)險(xiǎn)在線分析系統(tǒng)，但是算法復(fù)雜，難以投入應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]建立了風(fēng)電脫網(wǎng)預(yù)警模型，該軟件可根據(jù)脫網(wǎng)容量給出相應(yīng)的預(yù)警信息，但并沒有考慮風(fēng)機(jī)高電壓穿越脫網(wǎng)的整體風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前對風(fēng)機(jī)高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估大多只考慮負(fù)荷、靜態(tài)穩(wěn)定等影響因素，缺少一種能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組高電壓穿越脫網(wǎng)整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估的方法，且多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評估方法比較復(fù)雜，難以投入實(shí)際應(yīng)用。

基于此，本文提出了一種考慮脫網(wǎng)時(shí)序的風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型，給電網(wǎng)調(diào)度的高電壓穿越出力方案提供有效信息參考，盡可能避免或減少風(fēng)機(jī)因高電壓穿越脫網(wǎng)帶來的損失。

1 直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)過電壓問題

1.1 直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)機(jī)理分析

a） 換流站無功過剩。在交直流系統(tǒng)中，直流換流過程需要消耗有功輸送水平約40%～60%的無功，因此換流站安裝有大量交流濾波器組，就地集中對換流器進(jìn)行固定補(bǔ)償。 同時(shí)，風(fēng)電集群還會對換流站的無功進(jìn)行補(bǔ)償。交流系統(tǒng)中發(fā)生短路故障會導(dǎo)致?lián)Q流站上的交流電壓發(fā)生相角畸變、電壓幅值下降，從而使關(guān)斷角減小，最終導(dǎo)致直流輸電線路的換流站換相失敗。此時(shí)換流站有功功率傳輸瞬時(shí)中斷，無功損耗大幅變化，導(dǎo)致局部無功大量過剩，迅速抬升換流站近區(qū)交流電壓。 換流站近區(qū)風(fēng)電集群并網(wǎng)電壓大幅上升，使風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

b） 電網(wǎng)向風(fēng)電場補(bǔ)充無功功率。 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路后，電網(wǎng)電壓驟降，系統(tǒng)隨即向風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)充無功功率以維持電壓；當(dāng)短路故障被清除后，風(fēng)電機(jī)從較低電壓運(yùn)行轉(zhuǎn)至正常電壓運(yùn)行，有功輸出恢復(fù)正常，而系統(tǒng)在電壓驟降時(shí)大量補(bǔ)償?shù)臒o功將會導(dǎo)致該處電壓上升。

1.2 風(fēng)電場高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

近年來， 各國已注重風(fēng)電機(jī)組的高/低電壓穿越能力的研究并制定了相關(guān)規(guī)則。澳大利亞提出風(fēng)電機(jī)組電壓突然升至1.3 標(biāo)幺值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能保持0.6 s 不脫網(wǎng)。美國WECC 則要求：并網(wǎng)點(diǎn)電壓在1.1～1.15 標(biāo)幺值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可以不間斷運(yùn)行至少3 s，在1.15～1.175 標(biāo)幺值時(shí)，保持并網(wǎng)2 s 以上；電壓在1.175～1.2 標(biāo)幺值時(shí)， 保持并網(wǎng)最少1 s；電壓超過1.2 標(biāo)幺值時(shí)則允許脫網(wǎng)。 德國EON 電力公司要求風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于1.2 標(biāo)幺值時(shí)至少不間斷運(yùn)行0.1 s。我國風(fēng)電機(jī)的高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)為電壓在1.1～1.15 標(biāo)幺值之間風(fēng)電機(jī)可工作10 s 再脫網(wǎng)， 電壓達(dá)到1.2 標(biāo)幺值時(shí)需運(yùn)行2 s，達(dá)到1.25 標(biāo)幺值時(shí)需運(yùn)行1 s， 達(dá)到1.3 標(biāo)幺值時(shí)需運(yùn)行0.1 s，超過1.3 標(biāo)幺值立刻脫網(wǎng)。

2 風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型

2.1 風(fēng)險(xiǎn)理論

風(fēng)險(xiǎn)定量評估的意義在于建立表征系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，是概率和后果的綜合。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)取決于事故發(fā)生的概率及其對電力系統(tǒng)安全的影響。 本文將風(fēng)險(xiǎn)定義為風(fēng)電損失期望， 其計(jì)算方法為各狀態(tài)下風(fēng)電場有功失穩(wěn)與應(yīng)急概率的乘積之和。 一般風(fēng)險(xiǎn)的表達(dá)式為

其中，R 為風(fēng)險(xiǎn)；P 為事故概率；I 為事故的后果。本文在這里將P 表示為脫網(wǎng)概率，I 表示電網(wǎng)中風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的損失和后果。

2.2 風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)

風(fēng)機(jī)的狀態(tài) L（i）服從[0，1]二項(xiàng)分布，具體可表示為

其中，當(dāng)風(fēng)電機(jī)的電壓U在正常工作區(qū)間時(shí)，L（i）為0，表示“正常工作”狀態(tài)；當(dāng)電壓在不脫網(wǎng)范圍內(nèi)時(shí)，L（i）為1，表示此時(shí)風(fēng)機(jī)處于“脫網(wǎng)”狀態(tài)。

2.3 線路故障位置概率模型

設(shè)置N 次線路故障事件，每次故障事件都是隨機(jī)在線路的某位置上發(fā)生。 對于第i 條線路，該線路某位置發(fā)生故障的概率為

其中，N 為仿真次數(shù)。

2.4 后果嚴(yán)重度模型

后果嚴(yán)重度模型用于形容風(fēng)機(jī)在發(fā)生高電壓穿越脫網(wǎng)以后，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對電網(wǎng)的影響。 風(fēng)電場嚴(yán)重度模型評估指標(biāo)的基本信息如下。

a） 脫網(wǎng)時(shí)間。脫網(wǎng)時(shí)間指的是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)故障到風(fēng)機(jī)脫落的時(shí)間，均集中在0 s~4 s 之間，對于脫網(wǎng)時(shí)間進(jìn)行加權(quán)得到脫網(wǎng)時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)為

其中，W（t）為脫網(wǎng)時(shí)間系數(shù)；t 為脫網(wǎng)時(shí)間，t=0為故障發(fā)生時(shí)間。

b） 脫網(wǎng)容量風(fēng)險(xiǎn)。 脫網(wǎng)容量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為

其中，Pg為風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)容量；Ps 為風(fēng)電場輸出容量。

c） 電壓越限嚴(yán)重指標(biāo)。 電壓越限嚴(yán)重指標(biāo)為

其中，駐U 為風(fēng)電場并網(wǎng)電壓偏移值；U 為風(fēng)電場并網(wǎng)處基準(zhǔn)電壓。

d） 頻率越限嚴(yán)重指標(biāo)。 頻率越限嚴(yán)重指標(biāo)為

其中，駐f 為風(fēng)電場并網(wǎng)處頻率改變量，f＝50 Hz。

2.5 綜合風(fēng)險(xiǎn)模型

通過統(tǒng)計(jì)脫網(wǎng)信息，計(jì)算出2.4 節(jié)中風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)后，將權(quán)重因子代入，得到風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越脫網(wǎng)綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為

其中，R 表示風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；wS、wf、wU為權(quán)重因子，與對系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)研究的側(cè)重點(diǎn)有關(guān)。

綜合風(fēng)險(xiǎn)反映了風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對整個(gè)電力系統(tǒng)的影響，本文定義綜合風(fēng)險(xiǎn)為脫網(wǎng)容量風(fēng)險(xiǎn)、電壓越限風(fēng)險(xiǎn)和頻率越限風(fēng)險(xiǎn)的加權(quán)和，采用層次分析法以確定其權(quán)重。

2.6 權(quán)重確定方法

層次分析法 AHP（analytic hierarchy process）是對一些較為復(fù)雜、較為模糊的問題做出決策的簡易方法，特別適用于難以完全定量分析的問題。 本文采用層次分析法對含多個(gè)影響因素的風(fēng)險(xiǎn)評估模型的權(quán)重進(jìn)行確定。

a） 構(gòu)建層次關(guān)系：以脫網(wǎng)容量嚴(yán)重程度、電壓越限嚴(yán)重程度和頻率越限嚴(yán)重程度構(gòu)建準(zhǔn)則層，以風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)層。

b） 構(gòu)建判斷矩陣。 構(gòu)建的判斷矩陣如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)判斷矩陣

其中，層次分析法中判斷矩陣標(biāo)度含義為

c） 歸一化處理：對于矩陣進(jìn)行歸一化處理，所得到的向量數(shù)值即為特定影響因素的權(quán)重。經(jīng)歸一化處理，本文中脫網(wǎng)容量嚴(yán)重程度、電壓越限嚴(yán)重程度和頻率越限嚴(yán)重程度的權(quán)重分別為0.54、0.30和0.16。

綜合以上步驟可構(gòu)建風(fēng)電場集群并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)R 越大說明脫網(wǎng)所帶來的影響越大；當(dāng)R 較小時(shí)，說明脫網(wǎng)時(shí)間偏后，造成的影響較小。

3 模型實(shí)現(xiàn)

3.1 蒙特卡洛方法

風(fēng)電機(jī)高電壓穿越中，風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況、電網(wǎng)無功配置情況等處于高度不確定的情況。蒙特卡洛模擬可用于對由于隨機(jī)變量的干預(yù)而無法輕易預(yù)測事件進(jìn)行建模，是一種用于了解預(yù)測模型中的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性影響的技術(shù)，蒙特卡羅模擬法的特性使其在電網(wǎng)規(guī)劃方案的風(fēng)險(xiǎn)評估中得到很好的運(yùn)用。根據(jù)大數(shù)定律，當(dāng)采樣足夠大時(shí)，采樣的事件頻率將幾乎接近于其發(fā)生的概率，即頻率的穩(wěn)定性。 電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估過程中，需要根據(jù)元件的停運(yùn)模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣，確定系統(tǒng)的狀態(tài)。 通過蒙特卡羅法模擬元件的停運(yùn)可以很好地模擬真實(shí)狀況下元件的停運(yùn)狀態(tài)，從而更好地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

本文采用蒙特卡洛方法代替對于概率模型和風(fēng)電出力模型的計(jì)算。 本研究設(shè)置的隨機(jī)變量包括：隨機(jī)線路故障（交流電網(wǎng)中任意線路中選擇）、隨機(jī)線路地點(diǎn)故障（在Digsilent 中隨機(jī)設(shè)置線路故障的地點(diǎn)）、隨機(jī)故障類型（分為三相/兩相/單相接地/雙相接地短路 4 種）和持續(xù)時(shí)間（在 0.1～0.3 s 之間）， 最后利用數(shù)據(jù)總結(jié)出風(fēng)機(jī)的高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

根據(jù)蒙特卡洛性質(zhì)，使用蒙特卡洛方法的實(shí)驗(yàn)次數(shù)需要滿足式（11）的要求。

其中，ε 為所需精度；tα為置信區(qū)間；σ2為方差。

本風(fēng)險(xiǎn)評估模型中，需要先對電網(wǎng)模型進(jìn)行較少次數(shù)的仿真，得到真正需要的仿真次數(shù)N。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評估流程

風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越風(fēng)險(xiǎn)評估流程見圖1。

圖1 風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越風(fēng)險(xiǎn)評估流程

4 算例分析

4.1 模型說明

本文仿真采用Digsilent/PowerFactory 仿真軟件， 應(yīng)用山西省某特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行分析， 該特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)含有9 臺風(fēng)電場，具體情況如圖2 所示。

圖2 風(fēng)電場地理接線圖

本模型中，為了適應(yīng)山西當(dāng)?shù)氐囊螅L(fēng)電機(jī)的脫網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為：電壓升高至1.1 標(biāo)幺值時(shí)要求能保持不脫網(wǎng)運(yùn)行2 s； 高于1.5 標(biāo)幺值時(shí)保持不脫網(wǎng)運(yùn)行0.2 s；高于1.2 標(biāo)幺值時(shí)則應(yīng)直接脫網(wǎng)。

4.2 結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)高電壓穿越原理為雙回直流線路因交流短路而同時(shí)換相失敗，直流線路換相失敗向電網(wǎng)輸送無功功率，風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越時(shí)接受系統(tǒng)輸送無功功率， 在短短0.3 s 之內(nèi)短路線路恢復(fù)正常后，風(fēng)電機(jī)組處的無功過剩，發(fā)生高電壓穿越事件，最終進(jìn)入直流送端近區(qū)相對平衡狀態(tài)。

根據(jù)蒙特卡洛仿真次數(shù)計(jì)算公式， 本文利用Digsilent 仿真軟件對電網(wǎng)進(jìn)行了8 756 次仿真。 實(shí)驗(yàn)中，各風(fēng)機(jī)的脫網(wǎng)相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 某地區(qū)各風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，最終9 臺風(fēng)電機(jī)的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)如表3 所示，其中DFIG 表示雙饋風(fēng)電場，PMSG 表示直驅(qū)風(fēng)電場，距離表示風(fēng)電場與變電站之間的距離。

表3 某地區(qū)各風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)本文模型計(jì)算得到的風(fēng)電脫網(wǎng)的整體風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，可以得到不同風(fēng)電場的高電壓穿越風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小的排序結(jié)果，優(yōu)先切除脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)較高的風(fēng)電場。 從以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

a） 當(dāng)前運(yùn)行方式下風(fēng)電場高電壓穿越風(fēng)險(xiǎn)較小，風(fēng)險(xiǎn)最大為0.024 4，最小僅為0.000 9。

b） 該模型中， 雙饋風(fēng)機(jī)的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)明顯高于直驅(qū)風(fēng)機(jī)。 如DFIG02 的風(fēng)險(xiǎn)為0.024 4，而直驅(qū)風(fēng)機(jī)中風(fēng)險(xiǎn)最大的風(fēng)電場PMSG02 僅有0.013 2。

c） 通過比較同類型的風(fēng)電場位置， 可以得到距離特高壓直流線路電氣距離越近的風(fēng)電場，其脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)越高。 應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注距離較近的風(fēng)電場，并在直流近區(qū)風(fēng)電設(shè)置SVC、STATCOM 等電壓波動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備。

5 結(jié)束語

本文研究了特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的近區(qū)風(fēng)電中因高電壓穿越導(dǎo)致的脫網(wǎng)過程和原理，建立了基于實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)的電網(wǎng)模型。考慮到線路短路的不確定性和高電壓穿越的復(fù)雜性，利用蒙特卡洛方法對于特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)中短路和之后風(fēng)機(jī)的過電壓情況進(jìn)行仿真并獲取相應(yīng)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)。結(jié)合脫網(wǎng)容量、電壓越限、頻率越限風(fēng)險(xiǎn)，建立高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的評估指標(biāo)，使用層次分析法確定不同風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重。 結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)時(shí)間，建立了可以對風(fēng)電高電壓穿越風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行整體評估的評估模型。

采用暫態(tài)仿真方法給出準(zhǔn)確的評估結(jié)果，以山西某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)模型為例，基于Digsilent 仿真軟件，進(jìn)行了高電壓穿越的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估，比較了不同容量和地點(diǎn)的風(fēng)電脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，探究了風(fēng)電高電壓穿越脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素。該模型可對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行高電壓穿越的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估， 操作簡單易行，能為調(diào)度人員決策提供參考信息，減少脫網(wǎng)事件帶來的損失。