近年來，由于電力需求的增大和環(huán)保意識的增強，大力發(fā)展以風(fēng)電為代表的可再生能源成為保障我國能源電力可持續(xù)發(fā)展的重要選擇之一。然而，我國風(fēng)能資源多分布在東北、西北、華北北部地區(qū)（以下簡稱“三北”地區(qū)），這些地區(qū)的風(fēng)電就地消納能力十分有限，而我國的負(fù)荷中心又主要位于人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達(dá)的東、中部地區(qū)。

為解決風(fēng)能資源與負(fù)荷需求區(qū)域逆向性分布的矛盾，需采取遠(yuǎn)距離輸電和擴大風(fēng)電消納范圍等措施。相比于交流輸電系統(tǒng)，高壓直流輸電系統(tǒng)在大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸電上有著顯著的優(yōu)勢。目前，我國“三北”地區(qū)已建成哈密—鄭州、錫盟—泰州、扎魯特—青州、上海廟—臨沂等多個特高壓直流輸電系統(tǒng)。

然而，高壓直流輸電系統(tǒng)在擁有眾多優(yōu)點的同時也帶來了一系列安全問題，如直流線路故障、換流站故障及交流系統(tǒng)故障等均可能導(dǎo)致直流單極閉鎖甚至雙極閉鎖。當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障，換流站所需無功功率驟減，造成交流側(cè)無功功率過剩，會引起交流電網(wǎng)電壓驟升。

此外，由于大規(guī)模開發(fā)風(fēng)能資源的地區(qū)一般都處于電網(wǎng)末端，此處網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱，當(dāng)換流站交流側(cè)電壓抬升時，將引發(fā)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓進一步惡化，對于電壓突變耐受能力弱的風(fēng)力發(fā)電基地而言，容易引發(fā)連鎖脫網(wǎng)事故。因此，進一步研究直流單極閉鎖故障下，送端交流系統(tǒng)設(shè)備間的協(xié)調(diào)故障穿越控制策略具有重要的現(xiàn)實意義。

針對直流閉鎖故障引起的暫態(tài)過電壓問題及雙饋風(fēng)電機組（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）的高電壓穿越控制策略，國內(nèi)外學(xué)者已進行了一些研究。

• 有學(xué)者結(jié)合實際系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖的故障過程錄波，分析了無功補償裝置的切除時間對送端電網(wǎng)暫態(tài)電壓的影響。
• 有學(xué)者通過直流輸電系統(tǒng)的短路比分析了直流系統(tǒng)功率大擾動下?lián)Q流站交流側(cè)的過電壓水平。
• 有學(xué)者采用系統(tǒng)等效的方法，推導(dǎo)出換流站母線暫態(tài)電壓的解析表達(dá)式，進而分析得到系統(tǒng)強度、閉鎖容量等因素對送端交流暫態(tài)過電壓的影響。
• 對于雙饋風(fēng)電機組的高電壓穿越控制策略，有學(xué)者提出“虛擬阻抗”、“動態(tài)無功支撐”、“比例-諧振控制”等方法，這些方法主要通過改變控制器結(jié)構(gòu)來提高雙饋風(fēng)電機組的高電壓穿越能力。
• 有學(xué)者主要通過增加如靜止無功補償裝置（Static Var Compensator, SVC）、靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）等無功功率調(diào)節(jié)設(shè)備來提高機組的故障穿越能力，但該方案需要增加系統(tǒng)的硬件成本及維護成本。

上述文獻(xiàn)所提控制策略主要是從風(fēng)機本身的角度出發(fā)，對直流單極閉鎖故障下考慮送端系統(tǒng)多樣化設(shè)備間相互協(xié)調(diào)控制的故障穿越問題則研究較少。

• 有學(xué)者以云廣直流孤島系統(tǒng)作為工程背景，研究了單極閉鎖故障下同步機調(diào)速器與直流換流站的協(xié)調(diào)控制策略，對故障后系統(tǒng)頻率動態(tài)過程進行了優(yōu)化。但是該文獻(xiàn)僅對單極閉鎖故障下，送端系統(tǒng)頻率問題進行了研究，對故障后送端系統(tǒng)的過電壓問題研究較少。
• 有學(xué)者則基于新疆電網(wǎng)2014年底的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，研究了高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖故障后綜合考慮新疆網(wǎng)內(nèi)火電、哈密地區(qū)風(fēng)電及直流配套電源，協(xié)調(diào)優(yōu)化切機不平衡量的穩(wěn)定控制方案，但其主要對系統(tǒng)故障后風(fēng)電機組和同步機的切機策略進行研究，對于故障下不切除風(fēng)電機組的送端多樣化設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制策略則研究較少。
• 有學(xué)者提出了在直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖故障時風(fēng)電場內(nèi)動態(tài)無功補償裝置（SVC）與換流站無功補償裝置切除時序相結(jié)合的高電壓穿越控制策略，但未考慮充分利用換流站的無功控制能力。
• 有學(xué)者通過改進觸發(fā)直流閉鎖的緊急停機策略，減緩直流閉鎖的觸發(fā)過程，改變保護措施的觸發(fā)順序，并與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)配合以抑制送端并網(wǎng)母線的暫態(tài)過電壓，然而其尚未考慮非故障極在故障過程中的配合控制。

為進一步增強直流單極閉鎖故障下送端系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定運行能力，本文首先分析了高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障后送端電網(wǎng)的潮流分布以及過電壓的產(chǎn)生機理，根據(jù)雙饋風(fēng)電機組的控制方法和運行特性，推導(dǎo)了風(fēng)電場的功率可控范圍；然后結(jié)合換流站交流側(cè)濾波器的投切時序及換流站非故障極的短時過載能力，提出了一種直流單極閉鎖故障下計及雙饋風(fēng)電場與換流站的系統(tǒng)協(xié)調(diào)故障穿越控制策略；最后仿真結(jié)果證明了所提策略的有效性。

圖6 送端系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制流程

圖7 送端系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略框圖

結(jié)論

本文對大規(guī)模風(fēng)電直流外送下系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障時送端交流系統(tǒng)多樣化裝備間的協(xié)調(diào)故障穿越控制問題進行了深入研究，結(jié)論如下：當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障時，送端系統(tǒng)無功功率過剩，為了平衡換流站消耗的無功功率及無功補償裝置提供的無功功率，結(jié)合換流站及無功補償裝置的無功功率特性，采用切除部分無功補償裝置的方案可以使系統(tǒng)電壓恢復(fù)到故障前水平。

針對直流單極閉鎖下采用切除無功補償裝置方案后，由于無功補償裝置的響應(yīng)時間導(dǎo)致的送端交流系統(tǒng)短時無功功率過剩問題，適當(dāng)增加故障期間非故障極輸出的有功功率，可以增大換流站消耗的無功功率，進而可減小送端系統(tǒng)過剩的無功功率。結(jié)合風(fēng)電場的功率可控運行區(qū)域，在故障期間風(fēng)電場吸收部分無功能夠有效抑制其機端過電壓。

本文所提的協(xié)調(diào)控制策略綜合考慮了雙饋風(fēng)電場的快速無功調(diào)節(jié)能力及換流站的短時過負(fù)荷能力，進一步提高了單極閉鎖故障下送端系統(tǒng)的故障穿越能力，為大規(guī)模新能源發(fā)電基地直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)安全穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。