李帛洋，晁璞璞，徐式蘊(yùn)，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(dòng)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(jí)的特高壓直流線路，未來還將有數(shù)回特高壓直流投運(yùn)［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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(jī)變流器耐壓限值將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)甚至連鎖脫網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整個(gè)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(yùn)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(shí)際系統(tǒng)動(dòng)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(jī)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(jì)。本文將從上述3 個(gè)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(píng)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備等組成部分的建模方法進(jìn)行梳理與評(píng)述，對比分析各類建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jì)。從系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制、直流系統(tǒng)控制、風(fēng)電集群控制、無功補(bǔ)償控制等方面，對目前各種過電壓抑制策略進(jìn)行評(píng)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(jī)組、直流系統(tǒng)、無功補(bǔ)償設(shè)備等多個(gè)組成部分，有時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)方面，分析總結(jié)了各模型的優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)精度較高。但由于模型復(fù)雜、計(jì)算量大，在分析大規(guī)模系統(tǒng)時(shí)效率不高。文獻(xiàn)［3，13-14］采用簡化的機(jī)電暫態(tài)模型，將換流器作為一個(gè)整體用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程描述其輸入輸出特性，計(jì)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(yùn)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(huì)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(shí)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(jì)、測試與分析。而目前我國特高壓直流線路的電壓等級(jí)已達(dá)到±800 kV 和±1 100 kV，標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)已明顯落后，與實(shí)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(jí)，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(shí)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(shí)際直流輸電工程建立仿真模型，采用了真實(shí)參數(shù)，針對性強(qiáng)，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(yàn)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(shí)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(shí)際控制器的控制策略。文獻(xiàn)［3，22］基于ABB 實(shí)際控制系統(tǒng)搭建了直流控制器，文獻(xiàn)［23］采用了基于實(shí)際工程的直流系統(tǒng)控制器，文獻(xiàn)［24］在數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)中接入了與實(shí)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(shí)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(shí)際系統(tǒng)的指導(dǎo)作用較有限。在對實(shí)際直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，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(yùn)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(tái)風(fēng)電機(jī)組，如果對每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都進(jìn)行詳細(xì)建模，會(huì)大幅增加模型復(fù)雜度和計(jì)算時(shí)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(tái)數(shù)和降階數(shù)2 種途徑實(shí)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(tái)數(shù)即將風(fēng)電集群／風(fēng)電場用1 臺(tái)或多臺(tái)等值機(jī)表征，被稱為單機(jī)等值方法［25-27］或多機(jī)等值方法［28-29］。單機(jī)等值方法無需對機(jī)組進(jìn)行分群，將整座場站等值為1 臺(tái)機(jī)組。文獻(xiàn)［25］采用電流倍乘法，風(fēng)電場采用單機(jī)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(shí)際風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組運(yùn)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(tái)等值機(jī)；文獻(xiàn)［27］在風(fēng)機(jī)參數(shù)等值基礎(chǔ)上還對風(fēng)速進(jìn)行了等值計(jì)算。但上述研究均無法表征場站內(nèi)各機(jī)組動(dòng)態(tài)行為的差異，當(dāng)機(jī)組間的運(yùn)行工況差異較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的等值誤差。

多機(jī)等值方法基于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)“同調(diào)”思想，通常以能夠表征機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的特征量為分群指標(biāo)，將具有相似或相同運(yùn)行點(diǎn)的機(jī)組聚合為1 臺(tái)等值機(jī)。文獻(xiàn)［28］采用K中心點(diǎn)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(tái)機(jī)組；文獻(xiàn)［29］采用同調(diào)機(jī)群識(shí)別聚類方法確定風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組的同調(diào)風(fēng)電機(jī)群，將每個(gè)同調(diào)風(fēng)電機(jī)群等值為1 臺(tái)機(jī)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(jī)間的分?jǐn)偟葟?fù)雜環(huán)節(jié)，實(shí)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(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)等值機(jī)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(shí)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(jì)算量大，仿真效率低。文獻(xiàn)［30-31］分別基于電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）、數(shù)字仿真和電網(wǎng)計(jì)算程序DIgSILENT（DIgital SImuLation and Electrical NeTwork）平臺(tái)搭建了風(fēng)電集群的機(jī)電暫態(tài)模型，忽略了換流器的開關(guān)過程，計(jì)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(dòng)過程中的詳細(xì)動(dòng)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(tái)中的風(fēng)電機(jī)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(tái)數(shù)途徑，單機(jī)等值方法的精度較低，多機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)際需求，只是簡單地移植了現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)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(shí)間尺度在毫秒級(jí)別，因此，在對風(fēng)電集群建模時(shí)，采用電磁暫態(tài)模型更為合適。同時(shí)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(jì)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(jī)組、送端交流電網(wǎng)、動(dòng)態(tài)無功設(shè)備等部分。

目前，同步發(fā)電機(jī)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(jì)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(qiáng)度，又能減少建模復(fù)雜度和計(jì)算量。文獻(xiàn)［25］采用基于實(shí)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(shí)際系統(tǒng)的特性，常用于對實(shí)際工程問題的驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)無功設(shè)備主要包括靜止無功補(bǔ)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(jī)等，通常根據(jù)系統(tǒng)建模時(shí)間尺度建立其對應(yīng)的機(jī)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(jī)組數(shù)量眾多、隨機(jī)性和不確定性突出的風(fēng)電集群而言，大多采用運(yùn)行于額定工作點(diǎn)的單機(jī)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(shí)地反映對應(yīng)的電網(wǎng)設(shè)備在故障穿越全過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這也正是系統(tǒng)仿真建模的難點(diǎn)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(jī)組在不同運(yùn)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(jī)組動(dòng)態(tài)行為的一致性、差異性及其影響因素和機(jī)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(jī)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(shí)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(jì)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(tái)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(shí)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(huì)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(shí)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(dòng)作時(shí)序密切相關(guān)，一旦極控切濾波器時(shí)間與安控切機(jī)時(shí)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(dòng)后的電壓動(dòng)態(tài)過程分為2 個(gè)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(diǎn)電壓高于1.3 p.u.，風(fēng)電機(jī)組將會(huì)無延遲脫網(wǎng)，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后，近區(qū)線路的無功過剩，電壓會(huì)進(jìn)一步上升，引發(fā)更多的風(fēng)電機(jī)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(jī)組高壓脫網(wǎng)的機(jī)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(jī)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(jī)容量裕度以及調(diào)峰方式等因素也會(huì)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(dòng)受擾對象。事實(shí)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(jì)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(píng)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(yùn)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(jì)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(jì)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)償器補(bǔ)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(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)沒有實(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jī)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(jī)組受影響進(jìn)入低電壓穿越的情況，增加了風(fēng)電機(jī)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(diǎn)電壓動(dòng)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(dòng)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(jī)理尚不明確，需要采用更為精細(xì)的量化評(píng)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(dòng)等其他類型故障的演化機(jī)理解析尚不深入，也沒有充分考慮風(fēng)電集群動(dòng)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(diǎn)。此外，暫態(tài)過電壓影響整個(gè)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(yùn)行條件和控制策略下，不同類型電網(wǎng)設(shè)備在不同時(shí)間尺度下的無功動(dòng)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(diǎn)電壓的影響規(guī)律，挖掘各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(diǎn)電壓在不同故障階段的演化機(jī)理。

3 暫態(tài)過電壓抑制策略設(shè)計(jì)

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(jì)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(diǎn)，采用柔性直流輸電方式實(shí)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(jí)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(bǔ)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(jí)保護(hù)控制優(yōu)化

文獻(xiàn)［14］根據(jù)實(shí)際案例分析結(jié)果指出，極控切濾波器和安控切機(jī)動(dòng)作時(shí)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(jī)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(dòng)作存在延時(shí)，系統(tǒng)級(jí)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(jī)連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生。在優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制策略時(shí)，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(jī)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(shí)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(dòng)；文獻(xiàn)［49］通過增加逆變側(cè)關(guān)斷角，短時(shí)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(shí)要以不改變直流運(yùn)行和調(diào)節(jié)性能為前提，同時(shí)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(yùn)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(dòng)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(dòng)下雙饋風(fēng)機(jī)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(dòng)場景，雙饋風(fēng)機(jī)在連續(xù)電壓擾動(dòng)場景下的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)顯著提高；文獻(xiàn)［32］根據(jù)雙饋風(fēng)機(jī)的功率可控運(yùn)行區(qū)域，結(jié)合健全極的短時(shí)過載能力，在故障期間通過控制風(fēng)電場吸收部分無功實(shí)現(xiàn)對過電壓的抑制；文獻(xiàn)［11］討論了電網(wǎng)電壓驟升時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)的功率約束原則和可控區(qū)，提出了風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)控制器中電網(wǎng)電壓檢測環(huán)節(jié)的延時(shí)是暫態(tài)過電壓的重要影響因素，提出了一種延時(shí)補(bǔ)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(jī)組仍運(yùn)行在可控區(qū)域內(nèi)，這就要求風(fēng)電機(jī)組具備一定的高電壓穿越能力。暫態(tài)期間風(fēng)電機(jī)組受過電壓程度、機(jī)組運(yùn)行工況等因素的影響，能夠向系統(tǒng)提供的動(dòng)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制優(yōu)化

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(bǔ)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)、SVC和SVG在交直流系統(tǒng)中的動(dòng)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(jī)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(píng)估指標(biāo)量化分析了不同類型無功補(bǔ)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(jī)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(píng)估了同步調(diào)相機(jī)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(jī)加裝容量的選取原則。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(jì)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(jì)，通常停留在時(shí)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(diǎn)在于：要能夠從全局角度出發(fā)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)化、實(shí)用化的多設(shè)備協(xié)同控制策略。建議從不同時(shí)間尺度、不同控制層級(jí)解析各設(shè)備間動(dòng)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(jī)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(píng)估各設(shè)備的無功動(dòng)態(tài)支撐能力。進(jìn)一步考慮不同時(shí)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(yáng)長避短，綜合考量不同抑制策略的實(shí)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(jì)3 個(gè)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(dòng)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)，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(yáng)長避短，制定系統(tǒng)化、實(shí)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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