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)同步機組數(shù)量有限，在故障過程中電壓波動較大，新能源機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)實際脫網(wǎng)事故的文獻報道[10-11]，短路故障過程新能源機端電壓較低導(dǎo)致機組過流，進而引發(fā)部分機組脫網(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行了要求[13]。

基于新能源機組低電壓過程的現(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償設(shè)備在近些年已進行改造，具備低電壓過程發(fā)出容性無功電流的能力[14]，但同時帶來新能源匯集地區(qū)暫態(tài)過電壓的問題。文獻[15-16]報道西北地區(qū)發(fā)生的幾次由短路故障引發(fā)風(fēng)機連鎖脫網(wǎng)事故，無功補償設(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)機脫網(wǎng)。文獻[17-19]指出在直流換相失敗過程中，直流近區(qū)系統(tǒng)的交流電壓會大幅波動。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撤回之前所發(fā)出的無功，則會造成暫態(tài)過電壓。

在進行新能源匯集地區(qū)暫態(tài)過電壓研究時，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)度運行部門提供參考依據(jù)。

1 新能源機端電壓-電流靈敏度分析

本文研究新能源機組輸出電流對其機端電壓的影響。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撤回，則會在系統(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）進行簡化得

式中：Iwtq為機組輸出電流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)強弱的一種指標(biāo)，也是目前電力系統(tǒng)運行部門用于規(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，且非故障線正常運行，此時新能源電站應(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，計算500 kV出線三相故障。新能源輸出電流與機端電壓的關(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)時可使得機端電壓 >0.2（p.u.）。若按照 GB/T 19963征求意見稿計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)電機組動態(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，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)中除了新能源機組外還存在其他比如動態(tài)無功補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，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)故障清除時新能源輸出無功電流不變，則由于無功電流不能及時撤回導(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)計華北某新能源匯集系統(tǒng)的新能源機組暫態(tài)過電壓耐受能力，新能源機組可在0.1 s時間尺度下耐受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)點電壓恢復(fù)至標(biāo)稱電壓80%以上的時刻起，風(fēng)電場應(yīng)在40 ms內(nèi)退出動態(tài)無功電流增量。結(jié)合上述2點，可按照“短路期間機端電壓≥ 0.2（p.u.）”和“短路清除后機端電壓 ≤ 1.7（p.u.）”原則，對新能源機組輸出無功電流進行規(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，沒有合適的無功電流水平能同時滿足“短路期間機端電壓≥0.2（p.u.）”和“短路清除后機端電壓 ≯1.7（p.u.）”的條件。

以華北某新能源匯集系統(tǒng)實際參數(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，計算新能源輸出電流與機端電壓的關(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，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中無功電流可行域為紅線內(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，都無法同時滿足“短路期間機端電壓≥ 0.2 (p.u.)”和“短路清除后機端電壓 ≯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，計算短路故障清除條件下，新能源輸出電流與機端電壓的關(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.），此時增加Idwt，并保持Iqwt不變，機端電壓Uwt會隨著的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)時間較短，依靠風(fēng)機有功快速恢復(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內(nèi)，會導(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。本文重點關(guān)注故障清除時刻，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)通過仿真計算進行校核，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，新能源機組在比0.1 s更短的時間尺度內(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)新能源機組在短路故障清除后，輸出無功電流會在幾十毫秒的時間尺度迅速回撤，不會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)的推薦范圍上限進行設(shè)置后，在無功電流未回撤的情況下，新能源機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迅速降低，因此，若新能源機組比0.1 s更短的時間尺度內(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)電機組廠家，每個廠家選擇一種典型機型開展控制硬件在環(huán)(control-hardware-in-the-loop，CHIL)實時試驗研究。

8 種風(fēng)電機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個機型40 ms時已經(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組需發(fā)出無功電流支撐機端電壓的分析中，僅考慮了新能源機組發(fā)出無功電流對機端電壓的影響，未計及SVG、SVC和固定電容補償?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，因為若計及除新能源機組外的其他無功補償設(shè)備在低電壓過程中發(fā)出的無功電流，新能源機組發(fā)出無功電流在小于圖6給出的下限時，也能使得新能源機組機端電壓抬升到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償。同時，若考慮無功補償設(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的。若進一步考慮無功補償設(shè)備發(fā)出的無功，可能導(dǎo)致新能源機端電壓超過1.7（p.u.）。同時，對于短路比小于1.5的系統(tǒng)，雖然僅依靠新能源機組難以滿足安全運行要求，但通過除了新能源以外的可控?zé)o功源進行配合，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，在只考慮新能源機組輸出容性無功電流的條件下，以新能源機端電壓≥ 0.2（p.u.）為約束，給出新能源機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，在只考慮新能源機組輸出容性無功電流的條件下，以新能源機端在短路故障清除后電壓 ≯1.7（p.u.）為約束，給出新能源機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。