0  引言

    從能源可持續發展的角度來看，煤等化石能源終將消耗殆盡，清潔可持續能源必將成為各國發展的主要目標，風能作為一種新興的環境友好、取之不盡的能源，已經成為目前新能源發電技術中最成熟、開發規模最大、商業化發展最好的發電方式之一^[1]。

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

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

    目前，國內外關于電網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故障在運行中時有發生。如甘肅風電地區于2011年2月24日脫網的598臺風電機組中，低電壓脫網風機占46%，而高電壓脫網風機比例竟高達54%^[5]。

    可見，直流系統產生的故障已經會限制高壓直流系統對風電的傳輸，因此對傳統高壓直流輸電系統的故障進行研究，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  傳統風電高壓直流輸電系統的建模

1.1  傳統高壓直流輸電構成

    傳統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中最重要的就是換流裝置，進行交直流之間的轉換，是整個過程中最重要的一次設備。但是為了系統的輸電穩定性和提高電能質量，還需要許多其他設備，如：換流變壓器、濾波器、平波電抗器、交直流開關設備、無功補償裝置、直流接地極，以及保護裝置、遠程通信等二次設備。

1.2  高壓直流輸電系統的整體模型

    PSCAD中傳統高壓直流輸電系統電路圖如圖1所示，在PSCAD仿真軟件中建立的特高壓直流輸電系統仿真參數如下：

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

    交流電網：（1）345 kV，SCR=2.5(相角為84°)；（2）230kV，無窮大電網。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

    雙饋風力發電系統主要由風機系統、雙饋發電系統組成。風機系統實現風能捕獲和功率控制，將風能轉換為機械能；雙饋發電系統將機械能轉換為電能，雙饋風力發電系統結構如圖2所示。

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

2  輸電系統中多工況仿真

2.1  正常運行

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

2.2  故障工況時產生的換相失敗

    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，或者是在應該關斷的閥關斷之后，其在加上反向電壓的作用之下并未恢復正常的阻斷能力，當系統加在該閥上的電壓再次為正時，就會立即重新導通，這樣就發生了倒換相故障，會使預計應該開通的閥再次關斷，這種現象就被稱為換流器的換相失敗^[5]。

    換相失敗一般多發生在換流閥外部電路出現故障的情況下，而且一般都會發生在逆變器的換流閥處。這主要是因為在電流關斷之后的較長時間內，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。就只有當觸發電路發生故障時，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。在傳統高壓直流輸電的運行過程中，可能會引發換相失敗的原因如下：

    （１）熄弧角γ過小；

    （２）換流母線的電壓下降過大；

    （３）直流系統電流增大；

    （４）換相電抗增大；

    （５）觸發超前角β過小；

    （６）交流系統發生不對稱故障時換相線電壓的過零點出現相位移。

    高壓直流輸電系統發生換相失敗之后，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增多，如果與直流系統所聯接的交流電力系統強度較弱（如風電發電機組），就可能引起交流側的電壓產生嚴重的波動，進一步則可能會導致直流系統發生連續的換相失敗故障，嚴重時將會造成換流器閉鎖^[7]。

    如果發生了換相失敗，相當于在直流側產生了系統短路，直流系統的電壓會下降，直流側電流會上升，交流電路的電流直接介入直流系統。

    在整個直流輸電系統正常運行時，每一個換流閥組的導通周期都是基波周期長度的1/3。當系統發生換相失敗時，換相失敗的閥組將會相應地持續導通超過正常時間，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是不對稱的，因此會有直流分量產生，直接導致換流變壓器出現直流偏磁，增加變壓器的空載損耗。

    在發生換相失敗之后，由于直流系統電流迅速增大，換流站內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，在控制系統的作用下各直流電氣量會逐漸恢復初始狀態，但是如果交流系統站內并聯的濾波器和無功補償裝置的無功補償能力高于直流控統的設置，站內無功功率將會過剩，可能會產生交流測電壓過高的現象^[7]。

    當交流側清除了引發換相失敗的故障之后，直流傳輸功率應該被快速恢復到初始狀態，可以平衡交流系統的功率。但是直流功率恢復過快就可能會造成系統的無功功率不平衡，接著會影響交流系統電壓水平，當情況嚴重時則會引發連續的換相失敗，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  逆變側三相短路

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

    交流系統發生三相接地短路時，不會發生相位角的偏移，只會出現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，逆變側電壓由于短路降為零，無法完成換相過程，引起連續的換相失敗，熄滅角降至0，系統停止有功功率的傳輸。長時間的換相失敗會引起輸電系統的換流器閉鎖，導致整個系統的停止運行，引起更大的故障。

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

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

式中，Qdc是直流系統的換流器處所消耗的無功功率（Mvar ) ; Qac是交流系統和直流系統進行交換的無功功率，規定功率由交流系統輸送至直流系統的方向為正方向( Mvar ) ;  Qc是換流站內進行無功補償的裝置所發出的無功功率( Mvar )。

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

2.3.2  逆變側雙調諧濾波器投切

    系統在實際運行中產生大量的無功功率需求，兩側換流站的無功功率需求與換流站和交流電網之間傳輸的有功功率成比，該無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來提供，這是因為如果大量的無功功率由交流電網提供，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備將無法正常運行，危及HVDC系統和交流電網的安全穩定運行。

    交流測濾波器如圖10所示。在高壓直流輸電系統中，無功控制系統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（含交流濾波器）與交流系統之間的無功平衡，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整換流變抽頭來盡可能地將直流系統與交流系統之間的無功交換控制在預定的范圍內。

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

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，換相電壓過零點發生漂移時，如果為正值，就會造成逆變側的關斷角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，系統面臨換相失敗的危險。當γ進一步減小且小于minγ時，逆變側發生換相失敗。

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

    本文進行了多組結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的較大擾動。在雙調諧濾波器動作時會產生較大的擾動，結果如圖11所示。

    根據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諧濾波器時，產生了一次換相失敗。

    在投切交流濾波器時，時而發生換相失敗的情況，這是因為SC型并聯電容器并不帶有串聯電抗器，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，因此在投入時會產生很大的沖擊電流，導致500 kV交流系統電壓波形瞬時凹陷，從而使換流閥的關斷電壓降低，此時若正好有閥處于換相過程中，由于交流電壓波形凹陷、反向關斷電壓不足以將導通閥關斷，其會繼續導通，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，導致換相失敗。

    改變濾波器的投切時間，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瞬時換相失敗。引發換相失敗的原因是逆變站交流母線電壓發生畸變，該畸變持續時間很短，通常不超過一個周波，不會引起直流系統多次換相失敗，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果，發現含風場的系統更加不穩定，電壓波動較大，更易產生換相失敗。同時風場處產生的過電壓可能會導致風電場的大規模脫網，從而引起更大的功率缺失。因此，為了達到現有的高電壓穿越的技術要求，需要采取一定的措施降低風機側電壓與定轉子側電流，以保證風機的連續運行。

3.1  輸電系統措施

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相連時）進行無功補償采用動態補償裝置，增大系統的有效短路比，從而降低逆變站換流母線電壓對暫態故障的靈敏度，在一定程度上維持直流系統換相電壓穩定，減小交流系統母線電壓大幅度下降時逆變器換相失敗的發生幾率^[8-9]。

3.1.2  采用較大平波電抗器

    交流系統故障時，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，一般整流側平波電抗器的電感量比逆變側稍小^[10]。

3.1.3  采取改進控制方式

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

3.1.4  發生連續換相失敗時的控制

    逆變器2次連續換相失敗時，直流電壓極性將會發生倒轉，致使工頻交流介入直流回路中，此時應將電流從故障閥轉移到旁通對，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故障時換流變壓器造成的直流偏磁^[12]。逆變器多次連續換相失敗難以自行恢復時，換流閥閉鎖和旁通，待交流電壓恢復后，直流系統重新啟動運行^[13]。

3.2  風機采取措施

3.2.1  改進風機控制策略

    當輸電系統產生故障時，雙饋風機可以從電網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，緩解對風機產生的沖擊。當風機系統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與雙饋風機之間串聯一個阻值適當的電阻，通過增加阻抗值來減小電流。

    轉子側由于電壓的驟升也會感應出一個較大的驟升電壓，也會有較大的沖擊電流，在產生過電壓時也可以在轉子側串入適當的電阻來減小電流的沖擊。

3.2.3  在直流母線側加上Chopper電路

    為轉子側過剩的能量提供一個泄放的途徑，從而保護轉子側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成。為了使直流側兩端能量實現匹配，通過控制電力電子功率器件導通與關斷達到控制卸荷電阻投入和切出，最終達到直流側電容、電壓穩定的目的^[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）