【精彩论文】风电直流送出系统送端交流故障下风机过电压研究

风电直流送出系统送端交流故障下风机过电压研究

梁伟¹, 吴林林², 赖启平¹, 李东晟¹, 徐曼², 沈沉¹

（1. 清华四川能源互联网研究院, 四川 成都 610213; 2. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院(风光储并网运行与实证技术国家电网公司实验室), 北京 100045）

摘要：当受端交流系统短路比较小时，送端交流系统故障扰动可能会引起逆变器换相失败并在直流送端交流母线处产生过电压现象。针对直流送端交流故障引起送端风电场并网点处过电压的机理和影响因素进行研究。首先，建立风电经特高压直流外送系统的电磁暂态模型；然后，分析不同送端故障下风电场和直流动态特性对风电场并网点处暂态电压影响的机理；最后，对影响风电场并网点暂态电压变化的因素进行分析和仿真验证。研究结果表明，风电场并网点处暂态电压的变化主要受直流整流站交流母线电压以及风电场功率恢复响应特性的影响；风电场容量、风速等因素在单一变化和不同组合下对风电场并网点电压的影响特性存在差异。

引文信息

梁伟, 吴林林, 赖启平, 等. 风电直流送出系统送端交流故障下风机过电压研究[J]. 中国电力, 2023, 56(4): 28-37.

LIANG Wei, WU Linlin, LAI Qiping, et al. Study on overvoltage of wind farm under ac fault at sending end of hvdc transmission system[J]. Electric Power, 2023, 56(4): 28-37.

引言在能源安全和环境问题约束下，以风力发电为代表的可再生能源得到快速发展^[1]。中国风能资源分布极为不均匀^[2]，特高压直流输电技术是实现风电大容量远距离传输的有效途径。换相失败是电网换相变流器高压直流（line-commutated converter based high-voltage direct-current，LCC-HVDC）系统运行中最常见的故障。由换相失败引起的LCC-HVDC送端过电压将对送端交流系统中风电场的安全稳定运行构成严重威胁。因此，需要针对LCC-HVDC换相失败引起的风电场并网点过电压的机理及其影响因素进行深入研究。随着新能源占比不断增大，受端交流系统发生短路故障引起直流送端过电压现象及其机理分析逐渐受到关注。文献[3]围绕风机控制特性对交流线路故障下风电场并网点过电压的影响进行了分析。文献[4]分析了受端交流故障引起直流送端过电压的机理。在此基础上，文献[5]结合准稳态计算公式分析了直流送端交流母线电压变化对双馈风机的影响。文献[6-9]则从风机控制特性对风机机端暂态电压影响的角度出发，通过机电暂态仿真分析了风机控制参数对故障期间机端暂态电压的影响，仿真结果表明：故障导致风机低穿期间有功出力越小以及无功出力越大，暂态过电压越严重。文献[10]从电磁暂态模型的角度推导了风机控制特性与风电场并网点电压之间的关系，相较于以往基于准稳态方程进行分析的方法，分析结果能更好地体现风机各控制参数和风电场并网点过电压幅值之间的关系。文献[11]基于文献[10]的研究进一步分析了风机控制参数对风机暂态无功特性的影响。文献[12-16]对LCC-HVDC送端交流故障引起的逆变器换相失败问题进行了研究，并深入分析了送端故障引起逆变器换相失败的机理，但并未关注换相失败后直流送端交流系统的暂态电压波动。文献[17]针对送端故障清除后直流送端过电压现象的机理进行了分析，但并未考虑送端交流系统中含有风电时风电场并网点电压的变化情况及其影响因素。现有研究大多以机电暂态模型为研究对象，通过仿真或推导准稳态公式分析风电场并网点或风机机端过电压的机理。但由于机电暂态中风机和LCC-HVDC模型与实际工况下设备的响应特性存在较大差异，因此难以准确揭示换相失败情况下风电场并网点暂态电压变化机理及其影响因素。基于电磁暂态模型进行分析的研究往往主要关注风机自身的动态特性，缺乏综合考虑风机和直流共同作用下对风电场并网点暂态电压变化机理的研究，且没有考虑不同参数组合对过电压的影响。

针对现有研究中存在的问题，本文首先建立了风电经LCC-HVDC外送系统的模型；然后分析了直流送端交流故障清除后风电场并网点暂态电压波动的机理；最后对影响风电场交流母线暂态过电压的因素进行了敏感性分析。

1  风电经直流外送系统仿真模型介绍

对于风电直流送出系统，由于本文主要关注交流系统故障对风电场以及LCC-HVDC的影响，结合文献[18-19]中的研究方法，可采用如图1所示的两机系统进行仿真分析。图1中：理想电压源U_s表示除风电场外的送端交流系统；Z₁表示送端交流系统的等效阻抗，且Z₁=4.778+j47.4223；U_PCC表示风电场并网点电压的标幺值；Z₂=R₂+jX₂表示风电场并网点与直流送端交流母线间的线路阻抗，由于高压交流线路电阻通常远小于电抗，在计算电压时可忽略线路电阻的影响；U_R表示LCC-HVDC送端的交流母线电压；Q_f表示LCC-HVDC整流侧交流滤波器和电容器输出的无功功率，其对应的阻抗为Z₃；P_R+jQ_R表示整流器吸收的有功功率和无功功率；P₁+jQ₁和P₂+jQ₂分别为风电场输出的有功功率和无功功率、传输到整流站的风电功率。额定工况下，直流输送的有功功率为1000 MW，风机输出功率为150 MW。

图1  新能源经特高压直流外送系统

Fig.1  Renewable energy transmission system via UHVDC

1.1  风电场功率响应特性本文采用单机倍乘的方式对风电场进行建模，风机拓扑及控制方式与文献[20]中的相同。机侧变流器包括12脉动晶闸管整流器以及boost电路。为避免电网故障导致风机直流母线出现不平衡功率，在风机的直流母线上配置crowbar电路。网侧变流器采用基于IGBT的电压源型逆变器。文献[21]析了风电机组故障期间及故障清除后的功率响应特性。由于风机需要对电网提供无功支撑，低电压穿越期间风机会通过网侧逆变器及其控制系统重新分配输出的有功功率和无功功率。其中无功电流参考值和有功电流参考值可表示为式中：k为风电场动态无功电流比例系数；I_N为网侧逆变器额定电流幅值；i_gqref和i_gdref分别为网侧逆变器无功电流和有功电流参考值；i_max为网侧逆变器电流最大值；i_{gdref_nom}为有功电流正常参考值。由式（1）可知，在故障恢复期间，风机的有功功率响应特性主要分为故障清除后的瞬时恢复和倾斜恢复。当故障期间电网电压跌落程度较深时，在风机无功优先控制下，故障清除后由于网侧逆变器通流能力的限制，风机输出的有功功率呈现出斜坡恢复特性。而当故障期间并网点电压跌落程度较浅时，故障清除后风机输出的有功功率经过振荡后能够迅速恢复至稳态值，有功电流环的限幅值对风机输出的有功功率影响较小。因此，在不同工况和故障下，风机的功率响应特性存在一定差异。1.2  LCC-HVDC系统的控制

对于LCC-HVDC系统，本文采用CIGRE benchmark HVDC模型进行仿真^[22]。该模型控制结构如图2所示。整流器包括定电流控制和最小触发角控制。逆变器包括定电流控制、定熄弧角控制和低压限流环节（voltage dependent current order limiter，VDCOL）。在正常运行状态下，LCC-HVDC整流器处于定电流控制模式，逆变器处于定熄弧角控制模式。

图2  LCC-HVDC控制结构

Fig.2  LCC-HVDC control structure

在该控制中，整流器触发角 α_R 可表示为式中：k_pR和k_iR分别为整流器定电流控制的比例系数和积分系数；I_dRref和I_dR分别为整流侧直流电流参考值和实际值；n为初值。由式（2）可知，α_R的变化取决于I_dRref和I_dR的变化。2  稳态工况和送端故障状态下风电场并网点电压变化机理

风电场并网点电压的变化与故障期间风机和直流的动态特性、故障发生前风机的初始工况有关。因此，本章首先分析稳态工况下影响风电场并网点电压的因素，为分析暂态电压的变化提供基础工况。在此基础上针对送端故障场景下风电场并网点电压的变化机理进行分析。

2.1  稳态工况下风电场并网点电压与整流站交流母线电压间的关系及影响因素

由第1章建立的风电场经LCC-HVDC外送系统模型可知，风电场并网点电压U_PCC和直流送端交流母线电压U_R间的数学关系可表示为

根据传输线路功率损耗可得由式（4）可知将式（5）代入式（3）可得由式（6）可知，风电场并网点电压U_PCC的变化主要受直流送端交流母线电压U_R，风电场输出功率P₁、Q₁，以及线路电抗X₂的影响。在系统拓扑结构给定的情况下，U_R、P₁、Q₁的变化对U_PCC起到主导作用。在稳态下，风电场运行在定功率因数控制状态，风电场输出的有功功率P₁可表示为式中：S₁为风电场的视在功率；λ为风电场的功率因数。P₁和Q₁间的关系可表示为当功率因数给定时，式（8）可表示为将式（9）代入式（6）并整理得假设交流电压基准值U_acN=345 kV，功率基准值S_N=1000 MW。在稳态工况下U_R=1 p.u.，当λ=0.99时，由式（9）可知此时m=0.1425。若风电场和LCC-HVDC整流站间交流线路长度为100 km时，线路电抗X₂=30.3 Ω=0.2546 p.u.。将m、U_R以及X₂等参数代入式（10）可得

在不考虑风电场无功补偿装置作用情况下，当风电场功率因数λ分别为0.990、0.993、0.996、0.999、1.000时，U_PCC随P₁变化的情况如图3所示。

图3  风电场并网点电压与有功功率间的关系

Fig.3  The relationship between voltage at the point of common connection (PCC) of wind farm and active power

由图3可知，在定功率因数控制下，随着风电场有功出力的增大，风电场并网点电压先升后降。在λ=0.990的工况下，当新能源出力为0.560 p.u.时，风电场并网点电压最大为1.01 p.u.；在λ=0.993的工况下，当新能源出力为0.467 p.u.时，风电场并网点电压最大为1.007 p.u.；在λ=0.996的工况下，当新能源出力为0.352 p.u.时，风电场并网点电压最大为1.004 p.u.；在λ=0.999的工况下，当新能源出力为0.176 p.u.时，风电场并网点电压最大为1.001 p.u.。由上述分析可知，在稳态运行状态下，风电场功率因数会在一定程度上影响风电场出力和并网点电压的大小之间的关系，但风电场出力对并网点电压的影响较小。因此，后续不再考虑稳态下风电场功率因数对初始工况的影响。

除此之外，在稳态工况下风电场并网点电压的变化也会受到风电场风机台数N、风电场风速v_wind以及风电场和直流送端交流母线间电抗对应的电感L的影响。选取λ=0.999且风电场动态无功电流比例系数k=1.5时作为研究对象，对N、v_wind以及L取不同参数下风电场并网点电压的变化情况进行仿真分析，仿真结果如图4所示。由图4可知，随着风电场容量的增大，风速的升高，风电场并网点稳态电压的幅值也逐渐增大。同时，风电场和直流送端交流母线间电感L增大意味着风电场和直流整流站间的联系减弱，随着L的增大，风电场并网点稳态电压也逐渐降低。

图4  稳态工况下各参数组合对风电场并网点电压的影响

Fig.4  Influence of different parameters on the voltage at PCC of wind farm under steady-state condition

2.2  不同送端故障下直流和风电场的响应特性为了全面分析风电场并网点过电压的机理，在LCC-HVDC送端交流母线处设置不同接地短路故障，对风电场和直流的响应特性进行分析。

当LCC-HVDC送端交流系统发生故障或直流发生换相失败，直流送端交流母线电压U_R的变化量ΔU_R^[23]可表示为

式中： S_ac 为直流送端支流母线处的短路容量；Q_ch为交流系统与整流站之间的无功交换量，其中Q_ch＞0 表示暂态过程中整流站向交流系统输出无功功率，Q_ch＜0表示整流站从交流系统吸收无功功率。而Q_ch的变化取决于整流站无功补偿设备提供的无功功率Q_f以及整流器吸收的无功功率Q_R，且Q_ch= Q_f–Q_R。整流站无功补偿设备输出的无功功率可表示为式中：X₃为整流侧交流滤波器和电容器的等效电抗。对于整流器的无功特性，文献[17]对送端故障引起LCC-HVDC送端过电压的机理进行了分析。式中：U_dR0 为整流器理想空载直流电压； P_dR 为整流器输出有功功率； α_R 为整流器触发角； I_dR 为直流电流； X_R 为整流器换相电抗。当α_R＜90°时，整流器吸收的无功功率与α_R呈正相关。发生故障前，风电场运行在单位功率因数控制，且风电场额定功率150 MW。2.2.1  直流送端低阻抗接地短路故障

0 s时，在送端设置0.02 H三相接地短路故障，故障持续时间100 ms。α_R、I_dR、P_R和Q_R、U_R的变化情况如图5所示。

图5  LCC-HVDC相关电气量的响应特性（低阻抗接地）

Fig.5  Response characteristics of LCC-HVDC related electrical quantities (low impedance grounding)

故障持续期间，整流器迅速进入最小触发角控制。由于故障支路的存在，直流送端交流母线电压迅速降低，直流外送功率减少，直流电流迅速减小。随着送端故障的清除，直流电流迅速回升，整流器触发角也迅速增大。由式（14）可知，整流器消耗的无功功率迅速增加。在系统恢复过程中，直流电流逐渐稳定在稳态值附近，整流器触发角也逐渐减小，整流器消耗的无功功率逐渐减少。由于在此期间逆变器发生了换相失败，逆变器直流侧短路使得直流线路出现冲击电流，整流器触发角也随之迅速升高，引起整流器吸收的无功功率增多。随着直流电流的回落，整流器吸收的无功功率迅速降低，与高阻抗接地故障下的响应类似，此时整流侧无功补偿装置输出的无功功率过多使得整流器交流母线上无功出现冗余，导致直流送端交流母线电压升高。

对于风电场，在故障持续期间风电场迅速进入低电压穿越控制模式，输出的有功功率迅速跌至0附近，并同时向交流系统输出无功功率以支撑电压恢复（见图6）。故障清除后风电场输出功率恢复瞬间有功功率仍然在稳态值以下。由于此时d轴电流上限值I_dmax小于故障前网侧逆变器d轴电流I_d0，限制了风电机组恢复过程中d轴电流的变化速率，使得风电机组输出的有功功率存在斜坡恢复过程。直流送端交流母线电压升高的过程中，风电场输出的有功功率仍在爬坡阶段，输出的无功功率此时已恢复至0左右。由图6可知，当风电场并网点电压超过1.1 p.u.时，风机仍向外输出无功功率。因此，此时风电场的功率响应特性以及LCC-HVDC整流站的无功冗余都会对风电场并网点出现暂态过电压造成影响。

图6  风电场响应特性（低阻抗接地）

Fig.6  Wind farm response characteristics (low impedance grounding)

2.2.2  直流送端高阻抗接地短路故障

0 s时，在送端设置0.2 H三相接地短路故障，故障持续时间100 ms。α_R、I_dR、P_R和Q_R、U_R的变化情况如图7所示。

图7  LCC-HVDC相关电气量的响应特性（高阻抗接地）

Fig.7  Response characteristics of LCC-HVDC related electrical quantities (high impedance grounding)

由图7可知，送端故障清除后逆变器发生换相失败。逆变器晶闸管上下导通将会使得直流线路中出现冲击电流。在整流器定电流控制的作用下，由式（2）可知，直流电流迅速增大将会使得整流器触发角骤增。由于整流器吸收无功功率的变化与触发角的变化呈正相关，直流电流和触发角的增大将会使得整流器消耗的无功功率迅速增大。整流站将会从送端交流系统中吸收无功功率，由式（12）可知，U_R将会减小。随着换相失败现象的消失，直流电流在整流器和逆变器控制的调节下迅速减小。在式（2）中，I_dR的跌落使得I_dRref和I_dR间的差值增大，使得α_R迅速降低。由式（14）可知，I_dR和α_R的迅速减小有助于整流器消耗的无功功率降低。由于此时直流整流侧U_R处于额定值附近，而Q_f又与成正比，Q_f的值较大。故整流器消耗的无功功率降低将会使得整流站向送端交流系统输出无功功率，U_R迅速升高，导致LCC-HVDC送端交流母线处发生过电压现象。

对于风电场，并网点电压U_PCC、风电场输出的有功功率P₁和无功功率Q₁的变化情况如图8所示。

图8  风电场响应特性（高阻抗接地）

Fig.8  Wind farm response characteristics (high impedance grounding)

在故障持续期间，风电场输出的有功功率迅速跌落，并保持在较低水平，风电场切换到低电压穿越控制模式，并向交流系统输出无功功率以支撑系统电压。随着故障清除，并网点电压迅速升高，风电场退出低电压穿越控制模式。在U_PCC迅速恢复过程中，由于风电场自身控制存在过渡过程，使得风电场输出的有功功率和无功功率波动后恢复至稳态值。由仿真可知，当U_PCC大于1.1 p.u.后较短时间内风机仍向交流系统输出无功功率，在一定程度上助增了风电场并网点处的过电压现象。因此，由上述分析可知，风电场并网点出现过电压是LCC-HVDC换相失败过电压和风电场功率响应特性共同作用的结果。

3  各影响因素敏感性分析由式（3）~（10）的分析可知，风电场并网点电压的变化受U_R、P₂和Q₂以及风电场和直流送端交流母线间的电抗X₂的影响。由于U_R的变化是多种因素共同作用的结果，围绕影响风电场出力及线路电抗的变化因素进行分析，选取风电场出力水平、稳态下风电场风速、风电场动态无功电流比例系数以及线路电抗作为变量分析参数的变化及组合对风电场并网点暂态电压的影响。3.1  风电场出力对风电场并网点电压的影响

为了分析不同风电场出力对风电场并网点过电压的影响，在第2章建立的系统拓扑基础上，分别设置不同的风电场规模。风电场额定容量为75、112.5、150、187.5、225 MW，假设风机均运行在额定风速下，仿真结果如表1所示。由表1可知，随着风电场额定容量的增大，LCC-HVDC送端故障清除后风电场并网点过电压幅值在该工况下呈现出逐渐增大的趋势。

表1  风电场额定容量对过电压的影响

Table 1  Effect of wind farm rated capacity on overvoltage

3.2  风电场初始风速对风电场并网点电压的影响

风电场的风速具有波动性，不同时刻下风电场的风速会存在差异，使得风电场的实际出力也发生变化。因此，有必要针对不同风速下LCC-HVDC送端故障引起的风电场并网点过电压幅值的变化进行分析。考虑风机模型的切入风速为6 m/s，额定风速为12 m/s，切出风速为25 m/s，分别选取风电场风速v_wind为6、8、10、12 m/s时在LCC-HVDC送端交流母线处设置0.2 H三相接地短路故障，且故障持续时间为100 ms。风电场并网点电压幅值变化如表2所示。由表2可知，随着风电场风速的减小，故障清除后风电场并网点处过电压幅值也呈现出逐渐减小的趋势。因此，在风电场额定容量一定的情况下，分析送端交流故障引起的过电压对风电场的影响时，应围绕风速较大的工况进行。

表2  风速变化对过电压的影响

Table 2  Effect of wind speed variation on overvoltage

3.3  线路电抗对风电场并网点过电压的影响

为了分析新能源并网点到LCC-HVDC整流站间电气距离的变化对风电场并网点暂态电压幅值的影响，在2.2.1节工况下调节X₂的大小，仿真结果如表3所示。由表3可知，随着新能源外送线路电气距离增大，直流送端交流系统发生故障后，风电场并网点处暂态电压幅值先增大再减小。线路电抗的变化会影响直流送端交流系统的强度以及直流的响应特性，因此在不同线路电抗下风电场并网点电压幅值的变化呈现非线性特性。

表3  线路电抗对过电压的影响

Table 3  Effect of line reactance on overvoltage

3.4  风电场动态无功电流比例系数对风电场并网点电压的影响

针对风电场动态无功电流比例系数k变化情况下对风电场并网点过电压幅值的影响进行分析。按照国标要求，无功电流比例系数应在1.5~3.0之间，因此分别选取k=1.5、2.0、2.5、3.0进行仿真分析，结果如表4所示。由表4可知，随着风电场无功电流比例系数的增大，直流送端故障清除后风电场并网点暂态过电压幅值逐渐减小。

表4  无功电流比例系数对过电压的影响

Table 4  Effect of reactive current proportion coefficient on overvoltage

3.5  各参数组合对过电压幅值的影响

现有研究中往往只考虑了单一变量的变化对过电压的影响，但对单一因素变化的分析并不能得出因素之间的相互影响情况。因此，本节考虑各影响因子不同组合对风电场并网点过电压幅值的影响。图9~12分别对不同工况下直流送端故障引起风电场并网点过电压最大值进行了仿真。由仿真可知，风电场并网点电压的变化主要受直流送端交流母线电压的影响，当送端交流系统线路电抗或风电场容量发生变化时，将会导致直流送端系统强度发生变化，在相同送端故障下会影响直流送端交流母线暂态电压的峰值，使得直流送端交流母线电压的变化存在非线性特性。因此，风电场并网点暂态电压的变化也呈现出非线性特性。

图9  k为1.5时不同参数组合下风电场并网点电压响应

Fig.9  Voltage response at PCC of wind farm under different parameter combinations when k is 1.5

图10  k为2.0时不同参数组合下风电场并网点电压响应

Fig.10  Voltage response at PCC of wind farm under different parameter combinations when k is 2.0

图11  k为2.5时不同参数组合下风电场并网点电压响应

Fig.11  Voltage response at PCC of wind farm under different parameter combinations when k is 2.5

图12  k为3.0时不同参数组合下风电场并网点电压响应

Fig.12  Voltage response at PCC of wind farm under different parameter combinations when k is 3.0

4  结论本文针对新能源经LCC-HVDC外送系统场景下，直流送端故障可能引起的风电场并网点过电压问题进行了分析，得出以下结论。1）当故障使得风电场并网点电压跌落程度较大时，风电场进入低电压穿越过程，系统恢复期间受网侧逆变器容量限制，风电场输出的有功功率存在斜坡恢复过程，且无功功率迅速跌落至0。此时，风电场并网点电压的变化主要受直流送端交流母线电压和风电场输出的有功功率的影响。在风电场恢复过程中，由于风电场斜坡恢复期间出力较小，风电场并网点电压主要受直流送端交流母线电压的影响。因此，为了降低直流送端交流母线电压变化对风电场并网点电压的影响，应在直流送端交流母线处配置适当容量的无功补偿设备，以便有效抑制风电场并网点电压的幅值。2）当故障使得风电场并网点电压跌落程度较小时，风电场低穿结束后由于d轴电流上限值I_dmax较大，风电场输出有功无斜坡恢复过程。由于风电场在其并网点电压恢复到1.1 p.u.后仍向外输出了一段时间的无功功率，可知此时风电场的功率响应特性一定程度上助增了风电场并网点电压的升高。由于此时风电场并网点电压较大，可考虑采用优化风电场控制参数、在风电场并网点设置无功补偿设备等方式抑制过电压升高。3）在不同影响因素组合下风电场并网点电压的变化特性不是各参数变化影响的单纯叠加，而呈现出非线性特性，很难用简单数学公式对风电场并网点电压变化进行描述。因此，在后续的研究中可以采用数据相关性模型进行分析。4）本文基于控制变量法的思想未考虑无功补偿装置等设备对风电场并网点电压的影响，后续将进行深入研究。

（责任编辑　李博）

作者介绍

梁伟（1990—），男，博士研究生，从事特高压直流输电技术研究，E-mail：[e-mail];

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沈沉（1970—），男，通信作者，教授，博士生导师，从事能源电力系统数字孪生、电力系统分析与控制研究，E-mail：[e-mail].

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