0  引言

    從能源可持續(xù)發(fā)展的角度來看，煤等化石能源終將消耗殆盡，清潔可持續(xù)能源必將成為各國發(fā)展的主要目標，風能作為一種新興的環(huán)境友好、取之不盡的能源，已經(jīng)成為目前新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、開發(fā)規(guī)模最大、商業(yè)化發(fā)展最好的發(fā)電方式之一^[1]。

    但基于傳統(tǒng)高壓直流輸電的風電場現(xiàn)在在運行中也存在著許多可能發(fā)生的問題，如風電場電壓過低導致風電機組脫網(wǎng)，以及直流系統(tǒng)中出現(xiàn)故障引起系統(tǒng)過電壓導致嚴重問題。在現(xiàn)階段，對于風力機組的低電壓穿越能力已經(jīng)有了足夠的研究，但是對風電機組的高電壓故障穿越并沒有足夠的相關(guān)研究^[2]。另外在現(xiàn)在的大型直流輸電項目中系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓而引起的問題要更為頻繁。

    在現(xiàn)場運行中，傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)發(fā)生故障而引起交流系統(tǒng)過電壓的問題已經(jīng)日益突出，并且現(xiàn)在隨著直流輸送容量的不斷增加，整個系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，交流系統(tǒng)過電壓可能會引起風電機組脫網(wǎng)，進一步導致功率的缺失，可能電壓情況愈發(fā)嚴重，造成的影響也會越來越大^[3]。例如，交流系統(tǒng)的過電壓會對風電機組產(chǎn)生影響，會造成更大的輸送電故障。

    目前，國內(nèi)外關(guān)于電網(wǎng)電壓在驟升情況下風電機組的運行與控制方面的研究較少^[4]。事實上，風電機組的高電壓脫網(wǎng)故障在運行中時有發(fā)生。如甘肅風電地區(qū)于2011年2月24日脫網(wǎng)的598臺風電機組中，低電壓脫網(wǎng)風機占46%，而高電壓脫網(wǎng)風機比例竟高達54%^[5]。

    可見，直流系統(tǒng)產(chǎn)生的故障已經(jīng)會限制高壓直流系統(tǒng)對風電的傳輸，因此對傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)的故障進行研究，可以有助于風電機組提高高壓故障穿越能力并進行改善。

1  傳統(tǒng)風電高壓直流輸電系統(tǒng)的建模

1.1  傳統(tǒng)高壓直流輸電構(gòu)成

    傳統(tǒng)高壓直流輸電是指基于晶閘管進行換相的直流輸電方式。在整個直流輸電系統(tǒng)中最重要的就是換流裝置，進行交直流之間的轉(zhuǎn)換，是整個過程中最重要的一次設(shè)備。但是為了系統(tǒng)的輸電穩(wěn)定性和提高電能質(zhì)量，還需要許多其他設(shè)備，如：換流變壓器、濾波器、平波電抗器、交直流開關(guān)設(shè)備、無功補償裝置、直流接地極，以及保護裝置、遠程通信等二次設(shè)備。

1.2  高壓直流輸電系統(tǒng)的整體模型

    PSCAD中傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)電路圖如圖1所示，在PSCAD仿真軟件中建立的特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：

    特高壓直流輸電系統(tǒng)： ±500 kV，2000 MW， RR= RI= 2.5 Ω，LR= LI=0.5968 H， CL= 26 μF；

    交流電網(wǎng)：（1）345 kV，SCR=2.5(相角為84°)；（2）230kV，無窮大電網(wǎng)。功率由25臺2 MW風電機組與火電廠打捆送出。

1.3  雙饋風機模型

    雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風機系統(tǒng)、雙饋發(fā)電系統(tǒng)組成。風機系統(tǒng)實現(xiàn)風能捕獲和功率控制，將風能轉(zhuǎn)換為機械能；雙饋發(fā)電系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    由圖2可知，風機系統(tǒng)實現(xiàn)風能到機械能的轉(zhuǎn)換，風機拖動雙饋發(fā)電機實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。其中，雙饋發(fā)電機是通過由電力電子變流器構(gòu)成的變流系統(tǒng)對雙饋電機轉(zhuǎn)子進行可控勵磁調(diào)節(jié)，使得雙饋電機在應(yīng)用于風力發(fā)電時，可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由于雙饋電機的調(diào)速范圍較大，通常為同步速，需要轉(zhuǎn)子的勵磁容量約為發(fā)電機額定容量，以大大減小變流器容量，因此雙饋發(fā)電系統(tǒng)得到較為深入的研究和廣泛的應(yīng)用[6]。

2  輸電系統(tǒng)中多工況仿真

2.1  正常運行

    在0.04s系統(tǒng)解鎖后，電能的輸送進入穩(wěn)定狀態(tài)，基本上保持在額定水平，功率正常傳輸。系統(tǒng)正常運行波形如圖3~圖7所示。

2.2  故障工況時產(chǎn)生的換相失敗

    在眾多故障中最容易造成的換流器故障就是換相失敗，換流器進行換相的兩個閥由于未能正常進行換相完成，或者是在應(yīng)該關(guān)斷的閥關(guān)斷之后，其在加上反向電壓的作用之下并未恢復(fù)正常的阻斷能力，當系統(tǒng)加在該閥上的電壓再次為正時，就會立即重新導通，這樣就發(fā)生了倒換相故障，會使預(yù)計應(yīng)該開通的閥再次關(guān)斷，這種現(xiàn)象就被稱為換流器的換相失敗^[5]。

    換相失敗一般多發(fā)生在換流閥外部電路出現(xiàn)故障的情況下，而且一般都會發(fā)生在逆變器的換流閥處。這主要是因為在電流關(guān)斷之后的較長時間內(nèi)，整流器的閥組一直都處在反向電壓的作用下，不會再次重新導通。就只有當觸發(fā)電路發(fā)生故障時，整流器電路才可能會因為脈沖的延遲或者是丟失而引起換相失敗。在傳統(tǒng)高壓直流輸電的運行過程中，可能會引發(fā)換相失敗的原因如下：

    （１）熄弧角γ過??；

    （２）換流母線的電壓下降過大；

    （３）直流系統(tǒng)電流增大；

    （４）換相電抗增大；

    （５）觸發(fā)超前角β過小；

    （６）交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時換相線電壓的過零點出現(xiàn)相位移。

    高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗之后，直流線路的電流會迅速增加，換流站的無功功率消耗也會相應(yīng)增多，如果與直流系統(tǒng)所聯(lián)接的交流電力系統(tǒng)強度較弱（如風電發(fā)電機組），就可能引起交流側(cè)的電壓產(chǎn)生嚴重的波動，進一步則可能會導致直流系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)的換相失敗故障，嚴重時將會造成換流器閉鎖^[7]。

    如果發(fā)生了換相失敗，相當于在直流側(cè)產(chǎn)生了系統(tǒng)短路，直流系統(tǒng)的電壓會下降，直流側(cè)電流會上升，交流電路的電流直接介入直流系統(tǒng)。

    在整個直流輸電系統(tǒng)正常運行時，每一個換流閥組的導通周期都是基波周期長度的1/3。當系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時，換相失敗的閥組將會相應(yīng)地持續(xù)導通超過正常時間，并且會承受較大的電流，這會嚴重影響閥組的使用壽命。

    在發(fā)生換相失敗的情況下，逆變器的交流測線電流在正負半周期內(nèi)是不對稱的，因此會有直流分量產(chǎn)生，直接導致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)直流偏磁，增加變壓器的空載損耗。

    在發(fā)生換相失敗之后，由于直流系統(tǒng)電流迅速增大，換流站內(nèi)消耗的無功功率便會增多，從而引起傳輸母線交流電壓的下降；在故障消除之后，在控制系統(tǒng)的作用下各直流電氣量會逐漸恢復(fù)初始狀態(tài)，但是如果交流系統(tǒng)站內(nèi)并聯(lián)的濾波器和無功補償裝置的無功補償能力高于直流控統(tǒng)的設(shè)置，站內(nèi)無功功率將會過剩，可能會產(chǎn)生交流測電壓過高的現(xiàn)象^[7]。

    當交流側(cè)清除了引發(fā)換相失敗的故障之后，直流傳輸功率應(yīng)該被快速恢復(fù)到初始狀態(tài)，可以平衡交流系統(tǒng)的功率。但是直流功率恢復(fù)過快就可能會造成系統(tǒng)的無功功率不平衡，接著會影響交流系統(tǒng)電壓水平，當情況嚴重時則會引發(fā)連續(xù)的換相失敗，造成更大的故障，甚至會使換流器閉鎖。

2.3  典型換相失敗分析

2.3.1  逆變側(cè)三相短路

    如圖8，整流器的交流測電壓波形在故障瞬間產(chǎn)生了超過1.2倍的過電壓，在5 s~5.5 s時維持在1.14 p.u. 左右。在故障消除時恢復(fù)到正常額定電壓。直流母線的電壓在故障產(chǎn)生時急劇下降。

    交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路時，不會發(fā)生相位角的偏移，只會出現(xiàn)母線電壓的下降進而引起換相失敗，其值如下：

    可以觀察到在故障未消除的時間里，逆變側(cè)電壓由于短路降為零，無法完成換相過程，引起連續(xù)的換相失敗，熄滅角降至0，系統(tǒng)停止有功功率的傳輸。長時間的換相失敗會引起輸電系統(tǒng)的換流器閉鎖，導致整個系統(tǒng)的停止運行，引起更大的故障。

    有功功率在5 s故障發(fā)生時迅速下降，在系統(tǒng)采取一定措施后開始恢復(fù)正常。整流側(cè)的無功功率通過系統(tǒng)進行補償，用于換流站發(fā)生故障時吸收的大量無功。無功功率的量會對系統(tǒng)的電壓水平產(chǎn)生極大的影響。

    換流站無功功率交換如圖9所示，換流站與交流系統(tǒng)無之間的功功率平衡關(guān)系式：

式中，Qdc是直流系統(tǒng)的換流器處所消耗的無功功率（Mvar ) ; Qac是交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)進行交換的無功功率，規(guī)定功率由交流系統(tǒng)輸送至直流系統(tǒng)的方向為正方向( Mvar ) ;  Qc是換流站內(nèi)進行無功補償?shù)难b置所發(fā)出的無功功率( Mvar )。

    直流系統(tǒng)在發(fā)生換相失敗的恢復(fù)過程中，因為換流站內(nèi)會有剩余的無功功率向交流側(cè)系統(tǒng)不斷涌入，極易造成交流側(cè)電壓過高。當風電場在并網(wǎng)母線處的電壓值高于保護系統(tǒng)的設(shè)定值時，勢必會造成風機組的大規(guī)模脫網(wǎng)，導致功率的進一步缺失，引發(fā)更大的輸電問題。但另一方面，由于在換相失敗過程中直流輸電系的統(tǒng)輸送功率會減少，交流電網(wǎng)將會有大量潮流轉(zhuǎn)入，交流系統(tǒng)如果在短時接納大量的有功功率，將會對系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生一定的影響。

2.3.2  逆變側(cè)雙調(diào)諧濾波器投切

    系統(tǒng)在實際運行中產(chǎn)生大量的無功功率需求，兩側(cè)換流站的無功功率需求與換流站和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β食杀龋摕o功功率需求在額定情況下為所傳輸有功功率的。但是這些消耗量巨大的無功功率并不能依賴換流站連接的交流電網(wǎng)來提供，這是因為如果大量的無功功率由交流電網(wǎng)提供，則交流輸電吸納電路的線損將大幅度增加，線路電壓損失加大，換流站交流母線電壓會大幅降低，換流器及其他電氣設(shè)備將無法正常運行，危及HVDC系統(tǒng)和交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

    交流測濾波器如圖10所示。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，無功控制系統(tǒng)負責完成對交流濾波器的控制，目前采用的是定無功控制方式，控制目標是直流系統(tǒng)（含交流濾波器）與交流系統(tǒng)之間的無功平衡，該平衡由換流器消耗的無功功率及交流濾波器產(chǎn)生的無功功率共同確定。定無功控制方式是在滿足換流器的諧波濾波要求的前提下，通過投切無功元件和調(diào)整換流變抽頭來盡可能地將直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的無功交換控制在預(yù)定的范圍內(nèi)。

    當濾波器投切造成諧波不穩(wěn)定時，由于交流母線電壓的嚴重畸變，換相電壓過零點發(fā)生漂移，假定換相電壓過零點漂移所產(chǎn)生的相移角為，則此時逆變器的關(guān)斷角為:

式中，k為換流變壓器變比；I_d為直流電流；β為觸發(fā)超前角；X_C為換相電抗;U_L為交流換流母線電壓。由式（3）可知，換相電壓過零點發(fā)生漂移時，如果為正值，就會造成逆變側(cè)的關(guān)斷角γ減小，減小的量即為漂移的相。隨著γ的減小，換相裕度也會減小，系統(tǒng)面臨換相失敗的危險。當γ進一步減小且小于minγ時，逆變側(cè)發(fā)生換相失敗。

    濾波器高壓直流輸電系統(tǒng)正常工作時，整流側(cè)逆變側(cè)每極各有3組濾波器，分別是雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器和純電容。在濾波器進行投切時會引起系統(tǒng)的電壓波動，甚至可能造成換相失敗。

    本文進行了多組結(jié)合的濾波器投切實驗，其中純電容以及高通濾波器的投切并未引起系統(tǒng)的較大擾動。在雙調(diào)諧濾波器動作時會產(chǎn)生較大的擾動，結(jié)果如圖11所示。

    根據(jù)直流母線電壓的下降以及a相電壓的畸變，可以得出在投入雙調(diào)諧濾波器時，產(chǎn)生了一次換相失敗。

    在投切交流濾波器時，時而發(fā)生換相失敗的情況，這是因為SC型并聯(lián)電容器并不帶有串聯(lián)電抗器，這使得其沒有限制電流的能力。由于換流站交流濾波器容量很大，因此在投入時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，導致500 kV交流系統(tǒng)電壓波形瞬時凹陷，從而使換流閥的關(guān)斷電壓降低，此時若正好有閥處于換相過程中，由于交流電壓波形凹陷、反向關(guān)斷電壓不足以將導通閥關(guān)斷，其會繼續(xù)導通，而另一橋臂上的閥扔正常換相，這樣的過程就會造成同一相的上下2個閥同時導通，形成旁通對，導致?lián)Q相失敗。

    改變?yōu)V波器的投切時間，使濾波器投切時處于不同的相位角，觀察輸電系統(tǒng)的電氣量變化。

    （1）進行小組交流濾波器投入操作時，將會導致交流母線電壓發(fā)生畸變，延遲交流母線電壓過零點90°合閘時電壓畸變最為嚴重，同時將會引起直流系統(tǒng)瞬時換相失敗。引發(fā)換相失敗的原因是逆變站交流母線電壓發(fā)生畸變，該畸變持續(xù)時間很短，通常不超過一個周波，不會引起直流系統(tǒng)多次換相失敗，也不會引起直流閉鎖。

    （2）進行小組交流濾波器切除操作時，即使濾波器開關(guān)不滿足在交流母線電壓過零點附近分閘，也不會導致交流母線電壓畸變和直流系統(tǒng)換相失敗。

3  故障對風機組的影響

    對比所得的不含風場的輸電線路與含風場的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)含風場的系統(tǒng)更加不穩(wěn)定，電壓波動較大，更易產(chǎn)生換相失敗。同時風場處產(chǎn)生的過電壓可能會導致風電場的大規(guī)模脫網(wǎng)，從而引起更大的功率缺失。因此，為了達到現(xiàn)有的高電壓穿越的技術(shù)要求，需要采取一定的措施降低風機側(cè)電壓與定轉(zhuǎn)子側(cè)電流，以保證風機的連續(xù)運行。

3.1  輸電系統(tǒng)措施

3.1.1  利用無功補償

    HVDC在運行時需要消耗大量無功功率，對其（特別是與弱交流系統(tǒng)相連時）進行無功補償采用動態(tài)補償裝置，增大系統(tǒng)的有效短路比，從而降低逆變站換流母線電壓對暫態(tài)故障的靈敏度，在一定程度上維持直流系統(tǒng)換相電壓穩(wěn)定，減小交流系統(tǒng)母線電壓大幅度下降時逆變器換相失敗的發(fā)生幾率^[8-9]。

3.1.2  采用較大平波電抗器

    交流系統(tǒng)故障時，直流電壓下降，在HVDC施加平波電抗可一定程度上抑制直流線路電容的放電電流，一般整流側(cè)平波電抗器的電感量比逆變側(cè)稍小^[10]。

3.1.3  采取改進控制方式

    等間隔觸發(fā)脈沖控制方式：逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障時，這種控制方式有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，相對于分相觸發(fā)方式而言，可在一定程度上減小換相失敗的發(fā)生幾率^[11]。

3.1.4  發(fā)生連續(xù)換相失敗時的控制

    逆變器2次連續(xù)換相失敗時，直流電壓極性將會發(fā)生倒轉(zhuǎn)，致使工頻交流介入直流回路中，此時應(yīng)將電流從故障閥轉(zhuǎn)移到旁通對，從而減少故障閥中故障電流流過的時間。旁通對可使得逆變器交流側(cè)中與之相連的交流相接入直流回路，直流回路短路、閥組閉鎖以減少交流系統(tǒng)故障時換流變壓器造成的直流偏磁^[12]。逆變器多次連續(xù)換相失敗難以自行恢復(fù)時，換流閥閉鎖和旁通，待交流電壓恢復(fù)后，直流系統(tǒng)重新啟動運行^[13]。

3.2  風機采取措施

3.2.1  改進風機控制策略

    當輸電系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，雙饋風機可以從電網(wǎng)中吸收一定的無功功率，從而可以減小機端電壓的驟升程度，緩解對風機產(chǎn)生的沖擊。當風機系統(tǒng)檢測到風機電壓驟升時，風機進入無功支撐模式。

3.2.2  增加外部硬件

    壓差的增大導致定子電流的激增，因此可以電壓驟升時在電網(wǎng)與雙饋風機之間串聯(lián)一個阻值適當?shù)碾娮?，通過增加阻抗值來減小電流。

    轉(zhuǎn)子側(cè)由于電壓的驟升也會感應(yīng)出一個較大的驟升電壓，也會有較大的沖擊電流，在產(chǎn)生過電壓時也可以在轉(zhuǎn)子側(cè)串入適當?shù)碾娮鑱頊p小電流的沖擊。

3.2.3  在直流母線側(cè)加上Chopper電路

    為轉(zhuǎn)子側(cè)過剩的能量提供一個泄放的途徑，從而保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器且維持直流母線電壓。卸荷支路一般由控制支路、卸荷電阻、電力電子功率器件構(gòu)成。為了使直流側(cè)兩端能量實現(xiàn)匹配，通過控制電力電子功率器件導通與關(guān)斷達到控制卸荷電阻投入和切出，最終達到直流側(cè)電容、電壓穩(wěn)定的目的^[14]。

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作者信息:

王瑞明1，張  利1，劉  橋2，姜蓉蓉2，劉  晉2

（1. 中國電力科學研究院新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，北京 100192；

2. 華北電力大學，北京 102206）