吳林林，李蘊(yùn)紅，于思奇，孫雅旻，王 瀟，楊艷晨，鄧曉洋，蘇田宇，孫大衛(wèi)

（國(guó)網(wǎng)冀北電力科學(xué)研究院國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100045）

0 引言

風(fēng)電匯集地區(qū)一般地處偏遠(yuǎn)，近區(qū)同步機(jī)組數(shù)量有限［1?2］，局部地區(qū)已呈現(xiàn)風(fēng)電并入弱交流電網(wǎng)特征［3］。2012 年5 月，張家口沽源地區(qū)風(fēng)電匯集系統(tǒng)在無(wú)任何系統(tǒng)故障的情況下，電壓發(fā)生大幅波動(dòng)，造成風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)強(qiáng)度較弱是導(dǎo)致這次電壓波動(dòng)的原因之一［4］。2011年2—4月，西北地區(qū)發(fā)生了幾次由局部交流短路故障導(dǎo)致的風(fēng)電連鎖脫網(wǎng)事故，“系統(tǒng)強(qiáng)度較弱導(dǎo)致無(wú)功-電壓靈敏度較高”是導(dǎo)致脫網(wǎng)事故擴(kuò)大的主要原因［5］。2015年7月，新疆哈密山北地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)次同步振蕩問(wèn)題，相關(guān)文獻(xiàn)指出發(fā)生振蕩的原因之一是風(fēng)電場(chǎng)所接入的系統(tǒng)強(qiáng)度較弱［6］?？梢?jiàn)，風(fēng)電接入弱電網(wǎng)所導(dǎo)致的靜態(tài)電壓失穩(wěn)、暫態(tài)過(guò)電壓和次／超同步振蕩問(wèn)題［7］，已成為限制風(fēng)電送出通道輸電極限、制約風(fēng)電消納能力的關(guān)鍵因素［8］。

短路比SCR（Short Circuit Ratio）是度量電力電子設(shè)備（如直流設(shè)備和新能源發(fā)電設(shè)備等）并網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)強(qiáng)度以及分析系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的重要指標(biāo)之一［9］。傳統(tǒng)的SCR 概念僅使用交流電網(wǎng)參數(shù)和設(shè)備容量，使用較為簡(jiǎn)單［10］。SCR 自1992 年由CIGRE 工作組提出后［11］，一直被廣泛應(yīng)用于評(píng)估直流饋入系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定水平［12］。近年來(lái)，借鑒SCR 對(duì)于直流饋入系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外逐漸將SCR 相關(guān)指標(biāo)推廣到風(fēng)電匯集系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中。最新頒布的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》明確要求新能源場(chǎng)站SCR 應(yīng)達(dá)到合理水平［13?14］。澳大利亞電網(wǎng)要求新能源發(fā)電設(shè)備需在接入點(diǎn)SCR 為1.5 的系統(tǒng)條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行［15］。

從靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)過(guò)電壓和次／超同步振蕩三方面，梳理應(yīng)用SCR 指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性的已有研究如下。在靜態(tài)電壓穩(wěn)定方面，文獻(xiàn)［16］針對(duì)單直流饋入系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)在低SCR 水平運(yùn)行時(shí)的失穩(wěn)機(jī)理，明確了SCR 與靜態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)的關(guān)系，估算了靜態(tài)電壓臨界穩(wěn)定時(shí)的臨界短路比CSCR（Critical Short Circuit Ratio）。文獻(xiàn)［17］針對(duì)多直流饋入系統(tǒng)，提出了多饋入短路比MISCR（Multi-Infeed Short Circuit Ratio）指標(biāo)，從數(shù)學(xué)上證明了MISCR 判斷多饋入直流系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的有效性。文獻(xiàn)［4，18］借鑒SCR 在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用思路，提出了適用于分析新能源并網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的SCR 指標(biāo)。在暫態(tài)過(guò)電壓方面，文獻(xiàn)［19］指出風(fēng)電匯集地區(qū)的輸電線路發(fā)生短路故障后，風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入低電壓穿越，向電網(wǎng)輸出無(wú)功電流。故障清除時(shí)，電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)，風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功電流回撤不及時(shí)進(jìn)而產(chǎn)生無(wú)功盈余，將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)端出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓。文獻(xiàn)［18?19］指出系統(tǒng)的SCR 指標(biāo)越小，上述暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}越嚴(yán)重。文獻(xiàn)［18］的仿真結(jié)果表明，并網(wǎng)點(diǎn)SCR指標(biāo)小于1.15的新能源機(jī)組，在短路故障清除后機(jī)端過(guò)電壓達(dá)到1.564 p.u.，而同一區(qū)域內(nèi)SCR大于1.8的機(jī)組，機(jī)端過(guò)電壓在相同故障條件下僅為1.2 p.u.。在次／超同步振蕩方面，文獻(xiàn)［20?21］給出小干擾穩(wěn)定意義下廣義SCR 的定義，針對(duì)異構(gòu)多電力電子裝置饋入系統(tǒng)（多個(gè)控制特性不同的電力電子裝置），從數(shù)學(xué)上證明了應(yīng)用廣義SCR 判斷次／超同步振蕩失穩(wěn)的有效性。基于現(xiàn)有研究可知SCR的設(shè)計(jì)目的為在不考慮設(shè)備具體控制的前提下，提供一種描述“系統(tǒng)強(qiáng)弱”的方法，用以評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性。該方法的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單易行，但是風(fēng)電匯集系統(tǒng)的穩(wěn)定性除了與“系統(tǒng)強(qiáng)弱”有關(guān)，還與風(fēng)電機(jī)組自身特性密切相關(guān)［22］，若希望使SCR 指標(biāo)對(duì)評(píng)估實(shí)際工程穩(wěn)定性具有顯著的借鑒意義，需在不同的風(fēng)電機(jī)組特性接入條件下，分析SCR 指標(biāo)用于評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定水平的準(zhǔn)確性，明確SCR 指標(biāo)的適用范圍與條件。

綜上，本文分析了風(fēng)電機(jī)組無(wú)功特性對(duì)采用SCR 評(píng)估靜態(tài)電壓穩(wěn)定準(zhǔn)確性的影響。對(duì)于采用SCR 評(píng)估暫態(tài)過(guò)電壓和次／超同步振蕩問(wèn)題，基于主流風(fēng)電機(jī)組廠家控制器實(shí)物展開(kāi)研究，考慮工程中應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組特性，分析了SCR 評(píng)估過(guò)電壓和振蕩問(wèn)題的準(zhǔn)確性，從而為電網(wǎng)運(yùn)行部門(mén)使用SCR 指標(biāo)評(píng)估實(shí)際風(fēng)電匯集系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 SCR評(píng)估風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)某點(diǎn)的短路容量等于該點(diǎn)三相短路電流與額定電壓的乘積，是系統(tǒng)強(qiáng)度的標(biāo)志［9］。系統(tǒng)短路容量與電氣設(shè)備（含電力電子設(shè)備）容量的比值即為SCR 的傳統(tǒng)定義。文獻(xiàn)［11，16］針對(duì)單直流饋入系統(tǒng)提出了SCR 和運(yùn)行短路比OSCR（Operating Short Circuit Ratio）的計(jì)算方法分別如下：

式中：VSCR為SCR 的數(shù)值；VOSCR為OSCR 的數(shù)值；Sac為換流母線的短路容量（認(rèn)為直流不貢獻(xiàn)短路容量）；PdN為額定直流功率；Pd為直流運(yùn)行功率；Z和ZB分別為直流接入的交流系統(tǒng)的等值阻抗和對(duì)應(yīng)的阻抗基值；Zpu為ZB的標(biāo)幺值；UN為換流母線的額定電壓。

根據(jù)式（1）定義的傳統(tǒng)SCR指標(biāo)，對(duì)任意單電源饋入系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定判斷都具有參考意義［18］。以單風(fēng)電場(chǎng)饋入系統(tǒng)為例，其示意圖如圖1 所示。圖中：Uwind∠δwind為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端電壓；Pwind和Qwind分別為風(fēng)電場(chǎng)輸出有功和無(wú)功功率；Esys∠0°為無(wú)窮大電網(wǎng)電壓；Xline為線路連接電抗。

圖1 單風(fēng)電場(chǎng)饋入系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of single wind farm fed to system

若忽略送出線路電阻，則系統(tǒng)功率傳輸關(guān)系為：

消去中間變量δwind，且令Esys為額定電壓，得：

式（4）決定了風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率與機(jī)端電壓、線路電抗、無(wú)功功率之間的關(guān)系，附錄A 圖A1 給出了Xline=0.2 p.u.和Xline=0.5 p.u.條件下的系統(tǒng)PV 曲線，圖中Uwind和Pwind均為標(biāo)幺值。由圖可知，若Xline越?。⊿CR 越大），風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率越大，則有功傳輸極限越大。由式（4）和圖A1 可推斷，提升風(fēng)電匯集系統(tǒng)的SCR，可有助于提升靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束下的系統(tǒng)送出極限。

根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求，新能源場(chǎng)站SCR應(yīng)達(dá)到合理水平。在實(shí)際運(yùn)行中以CSCR 作為判斷系統(tǒng)穩(wěn)定裕度依據(jù)，為計(jì)算系統(tǒng)送出極限提供參考。即針對(duì)某一特定的風(fēng)電匯集系統(tǒng)，希望得到某個(gè)CSCR 數(shù)值，保障在該CSCR數(shù)值之上時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)［11?21］等多篇文獻(xiàn)針對(duì)不同的系統(tǒng)參數(shù)得到了不同的CSCR 數(shù)值，一般在1.5～2.5 范圍內(nèi)。本文以圖1 所示的單風(fēng)電場(chǎng)饋入系統(tǒng)為研究對(duì)象，單饋入系統(tǒng)是多饋入系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，且多風(fēng)電機(jī)組饋入系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組特性一致的前提下，可通過(guò)節(jié)點(diǎn)削減方法等值為單饋入系統(tǒng)［21］。以VOSCR=VCSCR=2.5為條件確定系統(tǒng)送出極限，分析該送出極限下系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)電壓失穩(wěn)問(wèn)題。根據(jù)式（2）與式（4），設(shè)Qwind=0 且Esys為額定電壓，則VOSCR=2.5 時(shí)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)送出極限為0.4/Xline（Xline為標(biāo)幺值），由式（4）可知，當(dāng)Pwind=0.4/Xline時(shí)，總有dPwind/dUwind<0，說(shuō)明系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定，進(jìn)而一定程度上說(shuō)明“應(yīng)用CSCR為確定送出極限提供參考”是有效的。

為說(shuō)明“應(yīng)用CSCR 評(píng)估穩(wěn)定性”是否有效，以圖1 所示的系統(tǒng)為研究對(duì)象，以VOSCRVCSCR=2.5 為條件確定系統(tǒng)運(yùn)行方式②，若方式①下系統(tǒng)靜態(tài)電壓失穩(wěn)且方式②下系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定，可一定程度上說(shuō)明“應(yīng)用CSCR 評(píng)估穩(wěn)定性”是有效的。由“應(yīng)用CSCR為確定送出極限提供參考”是否有效的分析過(guò)程可知，方式②下，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定。下面分析方式①下的情況。根據(jù)式（2）與式（4），設(shè)Qwind∈［0，0.3］p.u.且Esys為額定電壓，則VOSCR=1.5 時(shí)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)送出極限PSCR如附錄A圖A2中黃色曲面所示，由式（4）表征靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束（dPwind/dUwind=0）下的送出極限Plimit如圖A2 中藍(lán)色曲面所示，圖中各變量均為標(biāo)幺值。

由圖A2 可知，當(dāng)PSCR所對(duì)應(yīng)曲面高于Plimit所對(duì)應(yīng)曲面時(shí)，說(shuō)明按照VOSCR=1.5給出的送出極限運(yùn)行，系統(tǒng)靜態(tài)電壓失穩(wěn)，進(jìn)而可推斷此時(shí)“應(yīng)用CSCR 評(píng)估穩(wěn)定性”是有效的，原因是方式①下系統(tǒng)失穩(wěn)且方式②下系統(tǒng)穩(wěn)定。但分析圖A2 可知，存在Plimit所對(duì)應(yīng)曲面高于PSCR所對(duì)應(yīng)曲面的工況，這些工況下，按照VOSCR=1.5 給出的送出極限運(yùn)行，系統(tǒng)可以保持靜態(tài)電壓穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)CSCR 的評(píng)估結(jié)果是偏保守的，即根據(jù)CSCR 判斷系統(tǒng)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的工況下，實(shí)際系統(tǒng)可能是穩(wěn)定的。附錄A圖A3給出了CSCR評(píng)估結(jié)果偏保守的工況范圍，其為圖A2的俯視圖。

由圖A3 可知，當(dāng)Xline和Qwind同時(shí)較大時(shí)，CSCR評(píng)估結(jié)果有誤。這說(shuō)明若不考慮風(fēng)電機(jī)組無(wú)功特性，應(yīng)用CSCR難以準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功特性會(huì)影響CSCR 的使用效果，風(fēng)電匯集系統(tǒng)中不同風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功特性可能存在差異，因此難以用僅表征電網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌腟CR指標(biāo)判斷多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組饋入后的系統(tǒng)穩(wěn)定性。為避免上述問(wèn)題，提供一種實(shí)際工程中進(jìn)行電網(wǎng)安全計(jì)算的思路如下：對(duì)風(fēng)電匯集地區(qū)中不同的風(fēng)電機(jī)組機(jī)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)機(jī)組特性選擇其中一種對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定最不利的機(jī)型替代其他機(jī)型，將風(fēng)電匯集地區(qū)風(fēng)電機(jī)組機(jī)型統(tǒng)一，并利用戴維南等值原則將風(fēng)電匯集地區(qū)等效為單風(fēng)電機(jī)組饋入系統(tǒng)，再應(yīng)用SCR指標(biāo)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 SCR評(píng)估暫態(tài)過(guò)電壓水平

風(fēng)電匯集地區(qū)發(fā)生短路故障后，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越并發(fā)出無(wú)功電流。故障清除時(shí)電網(wǎng)電壓恢復(fù)，若風(fēng)電機(jī)組輸出無(wú)功電流回撤不及時(shí)，則可能造成無(wú)功盈余，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)端出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓。文獻(xiàn)［18］指出SCR指標(biāo)與上述暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}有明顯關(guān)聯(lián)。但未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道如何應(yīng)用SCR指標(biāo)評(píng)估風(fēng)電匯集地區(qū)的暫態(tài)過(guò)電壓水平。針對(duì)上述問(wèn)題，本文選擇2020 年市場(chǎng)占有率靠前的風(fēng)電機(jī)組廠家，每個(gè)廠家選擇一種典型機(jī)型開(kāi)展電磁暫態(tài)仿真，研究SCR與暫態(tài)過(guò)電壓間的關(guān)系。以單風(fēng)電機(jī)組饋入系統(tǒng)為研究對(duì)象，算例系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 研究SCR與暫態(tài)過(guò)電壓間關(guān)系的算例系統(tǒng)Fig.2 Example system for studying relationship between SCR and transient overvoltage

圖2中，35、220、500 kV變壓器分別采用FZB-40.5／0.69-3800、SFZ11-200000／220、ODF10-167000／500這3 種變壓器型號(hào)的典型參數(shù)，35、220、500 kV 線路分別采用LGJ-150、2XLGJQ-300、4XLGJ-400／50 這3種線路型號(hào)的典型參數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)封裝DLL（Dynamic Link Library）方法建模?；贒LL 的仿真模型可包含實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的完整控制算法與參數(shù)、實(shí)際保護(hù)策略與參數(shù)，以保證數(shù)字模型控制環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性［23］。為驗(yàn)證基于DLL 的風(fēng)電機(jī)組仿真模型的準(zhǔn)確性，在電磁暫態(tài)仿真中構(gòu)建單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組接入無(wú)窮大系統(tǒng)的仿真模型，參照文獻(xiàn)［24］對(duì)于型式試驗(yàn)工況與檢測(cè)方法的要求，對(duì)比三相電壓跌落至0.2 p.u.持續(xù)625 ms 過(guò)程中，仿真與型式試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，圖中機(jī)端電壓幅值Uwind、有功功率P、無(wú)功功率Q均為標(biāo)幺值。

圖3 仿真與型式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison between simulative results and type test results

由圖3 可知，該機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組DLL 模型的仿真結(jié)果與型式試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了基于DLL的風(fēng)電機(jī)組模型的有效性，需要說(shuō)明的是，風(fēng)電機(jī)組電壓穿越特性為設(shè)計(jì)廠家機(jī)密，本文隱去所建模和試驗(yàn)的風(fēng)電機(jī)組廠家與型號(hào)，用機(jī)型代碼以示區(qū)分。本文研究涉及的8 個(gè)廠家的風(fēng)電機(jī)組DLL 模型均與對(duì)應(yīng)機(jī)型型式試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，仿真模型與型式試驗(yàn)結(jié)果的誤差滿足NB／T 31066—2015《風(fēng)電機(jī)組電氣仿真模型建模導(dǎo)則》的誤差要求［25］，限于篇幅，僅給出1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組DLL模型的驗(yàn)證結(jié)果。

基于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的風(fēng)電機(jī)組仿真模型，根據(jù)圖2所示的仿真結(jié)構(gòu)，在500 kV 線路設(shè)置單相瞬時(shí)性或三相接地故障，通過(guò)仿真得到風(fēng)電機(jī)組在不同SCR下和不同故障條件下的機(jī)端電壓基波正序分量（標(biāo)幺值）與瞬時(shí)值uwin（d標(biāo)幺值），如圖4、5所示。不同SCR 的實(shí)現(xiàn)方法為：基于華北某風(fēng)電匯集地區(qū)不同風(fēng)電場(chǎng)的送電線路長(zhǎng)度，通過(guò)設(shè)置圖2中35、220、500 kV 線路長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端SCR 為1.4 和2.6的2種工況（此處的SCR采用傳統(tǒng)定義）。

圖4 單相瞬時(shí)性故障下的機(jī)端電壓正序分量與瞬時(shí)值Fig.4 Positive-sequence component of generator voltage and instantaneous generator voltage under single-phase transient fault

圖5 三相故障下的機(jī)端電壓正序分量與瞬時(shí)值Fig.5 Positive-sequence component of generator voltage and instantaneous generator voltage under three-phase fault

表2 機(jī)端電壓瞬時(shí)值峰值Table 2 Peak value of instantaneous generator voltage

基于已驗(yàn)證的8 種風(fēng)電機(jī)組DLL 模型，重復(fù)進(jìn)行上述仿真，總結(jié)8 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在單相瞬時(shí)性和三相故障條件下的機(jī)端電壓正序分量峰值和瞬時(shí)值峰值結(jié)果，分別如表1、2 所示。同時(shí)選擇機(jī)端電壓正序分量峰值和瞬時(shí)值峰值表征風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)過(guò)電壓水平的原因在于：風(fēng)電機(jī)組配電回路上的電源、繼電器等器件的安全性受工頻過(guò)電壓水平限制，風(fēng)電機(jī)組的IGBT對(duì)瞬時(shí)電壓峰值較為敏感。表1、2中的“脫網(wǎng)”狀態(tài)說(shuō)明，風(fēng)電機(jī)組在對(duì)應(yīng)故障和SCR條件下會(huì)保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)（基于DLL 的風(fēng)電機(jī)組模型包含實(shí)際保護(hù)策略），表中“脫網(wǎng)”狀態(tài)括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)前的過(guò)電壓峰值，且表中數(shù)值均為標(biāo)幺值。

表1 機(jī)端電壓正序分量峰值Table 1 Peak value of positive-sequence component of generator voltage

CSCR 一般取1.5～2.5［11?21］，SCR 小于CSCR 時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)，反之穩(wěn)定。設(shè)計(jì)VSCR=1.4（小于一般的CSCR取值）和VSCR=2.6（大于一般的CSCR 取值）2 種工況，若VSCR=1.4 時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)且VSCR=2.6 時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，則可一定程度地佐證：CSCR指標(biāo)可用于評(píng)估風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)典型短路故障下的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)表1、2 可知，75%的機(jī)型不滿足“VSCR=1.4 時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)且VSCR=2.6 時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定”的條件，這說(shuō)明CSCR 難以定量評(píng)估短路故障過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。造成CSCR 難以定量評(píng)估故障脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的原因在于：不同風(fēng)電機(jī)組機(jī)型在短路過(guò)程中的響應(yīng)特性和保護(hù)動(dòng)作判據(jù)差別較大，采用不考慮風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)的SCR相關(guān)指標(biāo)難以定量判斷不同機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，根據(jù)表1、2可知，50%的機(jī)型不滿足“VSCR=2.6 時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定”的條件，這說(shuō)明用CSCR確定的送出極限偏樂(lè)觀，難以為計(jì)算風(fēng)電匯集系統(tǒng)受暫態(tài)過(guò)電壓約束的送出極限提供參考。

進(jìn)一步地，根據(jù)表1、2，對(duì)比VSCR=1.4 和VSCR=2.6這2 種工況的過(guò)電壓水平，可以發(fā)現(xiàn)除了機(jī)型JF 以外，其他機(jī)型在VSCR=2.6 時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓水平小于VSCR=1.4 時(shí)的情況。根據(jù)8 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組的電壓平均值，VSCR從1.4 升至2.6 后，8 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在單相瞬時(shí)性故障下，機(jī)端電壓正序分量峰值的平均值降低了0.17 p.u.，電壓瞬時(shí)值的平均值降低了0.24 p.u.，在三相故障下的機(jī)端電壓正序分量峰值的平均值降低了0.07 p.u.，電壓瞬時(shí)值的平均值降低了0.17 p.u.。可以看出，若應(yīng)用SCR 指標(biāo)規(guī)范新能源并網(wǎng)點(diǎn)的系統(tǒng)強(qiáng)度，則對(duì)抑制故障過(guò)程的暫態(tài)過(guò)電壓水平有一定參考價(jià)值。同時(shí)，對(duì)比8 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在單相瞬時(shí)性故障和三相故障下的過(guò)電壓結(jié)果可知，在VSCR=1.4 的條件下，所有機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在單相瞬時(shí)性故障下的機(jī)端電壓正序分量峰值都高于三相故障，6 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在單相瞬時(shí)性故障下的電壓瞬時(shí)值峰值高于三相故障，這表明所測(cè)試的大部分機(jī)型，在低SCR 條件下發(fā)生單相瞬時(shí)性故障導(dǎo)致的暫態(tài)過(guò)電壓比三相故障更嚴(yán)重。

3 SCR評(píng)估次／超同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)

通過(guò)歸納關(guān)于采用SCR指標(biāo)評(píng)估風(fēng)電匯集系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)有研究可知［20?21］，利用SCR 判斷風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需考慮風(fēng)電機(jī)組特性。風(fēng)電匯集系統(tǒng)包含多個(gè)特性不同的風(fēng)電機(jī)組，對(duì)于不同的風(fēng)電機(jī)組，根據(jù)振蕩（小干擾失穩(wěn)）風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算得到的CSCR 可能不同，難以用某個(gè)統(tǒng)一的CSCR 數(shù)值保證不同機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組接入后均不存在振蕩失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。故而有必要針對(duì)不同機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組，開(kāi)展SCR指標(biāo)對(duì)振蕩風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律分析。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用控制硬件在環(huán)CHIL（Con?trol-Hardware-In-Loop）實(shí)時(shí)仿真方法，基于CHIL 擾動(dòng)注入阻抗測(cè)量法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組阻抗測(cè)量，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組阻抗的幅頻相頻特性與系統(tǒng)阻抗（由傳統(tǒng)SCR 定義表征），可計(jì)算相角裕度進(jìn)而判斷系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)。以表1 中的風(fēng)電機(jī)組機(jī)型HZRF 為例，基于CHIL 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得到VSCR=1.4和VSCR=2.6條件下，風(fēng)電機(jī)組阻抗Zwind與系統(tǒng)阻抗Zsys的Bode 圖如圖6 所示。由圖可知：在VSCR=1.4 時(shí)，風(fēng)電機(jī)組阻抗與電網(wǎng)阻抗幅值在36 Hz 左右相交，對(duì)應(yīng)的相角差為239°，表明系統(tǒng)在36 Hz 左右頻段存在振蕩風(fēng)險(xiǎn)；在VSCR=2.6 時(shí)，風(fēng)電機(jī)組阻抗與電網(wǎng)阻抗幅值在32 Hz左右相交，系統(tǒng)存在振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 風(fēng)電機(jī)組的阻抗特性Bode圖Fig.6 Bode diagram of impedance characteristic for wind turbine

利用上述方法給出表1 中8 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在VSCR=1.4 和VSCR=2.6 條件下的振蕩情況，得到不同SCR 下的相角裕度如表3 所示。若相角裕度小于0°則系統(tǒng)失穩(wěn)，若相角裕度大于0°則在表中給出具體數(shù)值，表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為主導(dǎo)振蕩模態(tài)頻率。

若所有機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在VSCR=1.4時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)，在VSCR=2.6時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，則可一定程度佐證：CSCR能夠定量評(píng)估風(fēng)電機(jī)組匯集系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)。但根據(jù)表3 可知，75%的機(jī)型不滿足“VSCR=1.4 時(shí)失穩(wěn)且VSCR=2.6時(shí)穩(wěn)定”的條件，這說(shuō)明CSCR難以定量評(píng)估風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)。另外，根據(jù)表3 可知，25%的機(jī)型不滿足“VSCR=2.6 時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定”的條件，這說(shuō)明用CSCR 確定的送出極限不夠保守，難以為計(jì)算風(fēng)電匯集系統(tǒng)受次／超同步振蕩約束的送出極限提供參考。

表3 不同SCR下的相角裕度Table 3 Phase margin under different values of SCR

進(jìn)一步地，根據(jù)表3 可知，對(duì)于8 種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組，均符合如下規(guī)律：若高SCR 下系統(tǒng)失穩(wěn)，則低SCR 下系統(tǒng)肯定失穩(wěn)，若低SCR 下系統(tǒng)失穩(wěn)，高SCR下系統(tǒng)不一定失穩(wěn)。這說(shuō)明若應(yīng)用SCR指標(biāo)規(guī)范風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)度，可一定程度上規(guī)避風(fēng)電機(jī)組振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

在工程中應(yīng)用的SCR指標(biāo)一般僅計(jì)及電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特性信息，不考慮風(fēng)電機(jī)組控制特性。但風(fēng)電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)過(guò)電壓以及次／超同步振蕩問(wèn)題都不同程度地與風(fēng)電機(jī)組控制特性相關(guān)，使用SCR 指標(biāo)判斷穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，可能存在一定誤差。本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于主流風(fēng)電機(jī)組廠家實(shí)物控制器開(kāi)展研究，分析了應(yīng)用SCR 評(píng)估風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)過(guò)電壓和次／超同步振蕩三方面穩(wěn)定問(wèn)題的適用性，得到主要結(jié)論如下。

1）靜態(tài)電壓穩(wěn)定方面：在已知風(fēng)電機(jī)組特性的條件下，SCR 指標(biāo)與系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性在數(shù)學(xué)上有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，提升系統(tǒng)SCR 可有助于改善靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，可應(yīng)用CSCR 為確定系統(tǒng)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定性約束的送出極限提供參考。但如果不考慮風(fēng)電機(jī)組無(wú)功特性，則應(yīng)用CSCR 指標(biāo)難以準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

2）暫態(tài)過(guò)電壓方面：由于不同機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組在短路故障過(guò)程中的響應(yīng)特性和保護(hù)動(dòng)作判據(jù)差別較大，采用不考慮風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)的SCR 相關(guān)指標(biāo)難以定量判斷風(fēng)電匯集系統(tǒng)由于暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提升SCR指標(biāo)后，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)過(guò)電壓水平有所下降，這說(shuō)明應(yīng)用SCR指標(biāo)規(guī)范風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)強(qiáng)度，對(duì)抑制故障過(guò)程中的暫態(tài)過(guò)電壓水平有參考價(jià)值。

3）次／超同步振蕩方面：應(yīng)用SCR 指標(biāo)難以定量評(píng)估風(fēng)電匯集系統(tǒng)發(fā)生次／超同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，難以為計(jì)算風(fēng)電匯集系統(tǒng)受次／超同步振蕩約束的送出極限提供參考。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提升系統(tǒng)SCR 指標(biāo)，可在一定程度上規(guī)避系統(tǒng)發(fā)生振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

受實(shí)際電力系統(tǒng)復(fù)雜條件所限，目前應(yīng)用SCR指標(biāo)還較難準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電匯集系統(tǒng)的各類穩(wěn)定性。為了能讓SCR指標(biāo)在系統(tǒng)運(yùn)行階段為運(yùn)行方式設(shè)計(jì)人員和調(diào)度運(yùn)行人員提供更多幫助，在計(jì)算風(fēng)電匯集系統(tǒng)送出極限的過(guò)程中發(fā)揮更重要的作用，提出以下2個(gè)方面的建議。

1）統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)電機(jī)組特性：統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)電機(jī)組在不同SCR條件下的暫態(tài)過(guò)電壓特性／寬頻振蕩特性，梳理暫態(tài)過(guò)電壓約束或?qū)掝l振蕩約束下不同風(fēng)電機(jī)組的CSCR 數(shù)據(jù)是提出普適性SCR 計(jì)算方法和合理的CSCR的前提。

2）風(fēng)電機(jī)組特性的規(guī)范化：SCR 指標(biāo)常被應(yīng)用于評(píng)估直流饋入系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定，能夠在直流系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因在于直流換流站制造廠家較少，不同換流站的響應(yīng)特性差異性較小，而風(fēng)電機(jī)組廠家相對(duì)較多，不同風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用的控制策略差異較大，導(dǎo)致風(fēng)電匯集系統(tǒng)中常含有多種特性不同的風(fēng)電機(jī)組，使得采用某一固定的CSCR數(shù)值難以準(zhǔn)確評(píng)估不同特性風(fēng)電機(jī)組接入后的系統(tǒng)穩(wěn)定性。故而有必要根據(jù)實(shí)際風(fēng)電匯集系統(tǒng)的SCR 數(shù)值，提出有針對(duì)性的風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)要求，從而對(duì)接入該系統(tǒng)中不同廠家的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行規(guī)范化管理。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。