林 圣，蘭菲燕，劉 健，李小鵬

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

為解決中國能源與負(fù)荷呈逆向分布的問題，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)均大力發(fā)展高壓直流輸電技術(shù)。隨著“碳達(dá)峰—碳中和”正式成為國家戰(zhàn)略，跨區(qū)輸送新能源的力度將進(jìn)一步加大，高壓直流輸電已成為實(shí)現(xiàn)新能源外送消納的必由之路[1-3]。當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗、閉鎖或送端近區(qū)交流短路故障后，整流站盈余的無功饋入交流系統(tǒng)，將引起送端交流電網(wǎng)暫態(tài)過電壓問題[4-5]。例如，2013年7月，復(fù)奉特高壓直流雙極發(fā)生換相失敗，整流站換流母線電壓急劇升高并發(fā)生畸變，導(dǎo)致過電壓保護(hù)動(dòng)作閉鎖了復(fù)龍站2個(gè)低端換流器[6]。同時(shí)，對(duì)于風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，送端交流電網(wǎng)的暫態(tài)壓升還有可能傳遞到近區(qū)新能源場(chǎng)站，引起近區(qū)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端電壓上升，誘發(fā)新能源機(jī)組脫網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，極大威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-8]。例如， 2011年4月，張北換流站近區(qū)發(fā)生BC相間短路故障，引起送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓最高達(dá)1.19 p.u.，造成了17臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)[9]。

目前，已有大量文獻(xiàn)圍繞高壓直流輸電送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理[6,10-14]及抑制策略[15-20]開展了廣泛研究。在產(chǎn)生機(jī)理方面，主要是對(duì)故障后直流系統(tǒng)和近區(qū)新能源機(jī)組響應(yīng)特性進(jìn)行了分析與梳理。在抑制策略方面，現(xiàn)有研究主要分為2類，一是在直流側(cè)加裝無功補(bǔ)償設(shè)備、優(yōu)化直流控制策略等；二是優(yōu)化交流側(cè)新能源機(jī)組故障穿越特性。然而，不同故障引起的送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理、呈現(xiàn)特征有何區(qū)別，暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理、影響因素的差異性是否會(huì)影響抑制策略的效果或適用性，現(xiàn)有暫態(tài)過電壓抑制策略應(yīng)該如何細(xì)分以及各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，這些問題目前尚未進(jìn)行很好地梳理歸納。因而，有必要梳理明確不同故障下暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理并對(duì)比分析其異同；同時(shí)，系統(tǒng)歸納現(xiàn)有抑制策略并剖析其優(yōu)缺點(diǎn)，為提出新的抑制策略提供參考。

鑒于此，本文系統(tǒng)梳理不同故障下高壓直流輸電送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理的異同，明確暫態(tài)過電壓的影響因素；歸納總結(jié)暫態(tài)過電壓的抑制措施及其優(yōu)缺點(diǎn)。最后，針對(duì)現(xiàn)有研究尚存的不足，提出亟須解決的關(guān)鍵問題，并為今后的研究工作提出相應(yīng)的研究思路。高壓直流輸電送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓場(chǎng)景Figure 1 Schematic diagram of transient overvoltage scene diagram of high voltage direct current transmission sending power grid

1 直流送端暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理

高壓直流輸電換流過程消耗的無功功率值為傳輸?shù)挠泄β手档?0%～60%，故換流站安裝有大量交流濾波器組進(jìn)行無功的就地補(bǔ)償[21-22]。高壓直流輸電系統(tǒng)整流站無功交換如圖2所示，Qdr為整流站消耗的無功，Qac為送端電網(wǎng)輸出的無功，Qcr為整流站交流濾波器發(fā)出的無功。

圖2 高壓直流輸電系統(tǒng)整流站無功交換Figure 2 Schematic diagram of reactive power exchange in rectifier station of HVDC transmission system

當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，送端交流系統(tǒng)與整流站保持無功平衡[23]，滿足：

Qdr=Qac+Qcr

(1)

其中，整流站消耗的無功[17]可表示為

(2)

式中Pd為直流輸電系統(tǒng)輸送的有功功率；a、μ分別為整流站的觸發(fā)角、換相重疊角。

濾波器發(fā)出的無功[16]可表示為

(3)

式中ULr為整流側(cè)交流母線電壓；QcrN為交流濾波器單相無功補(bǔ)償容量。

正常運(yùn)行時(shí)整流站消耗的無功功率主要由交流濾波器提供，送端交流系統(tǒng)與直流的無功交換量Qac可近似為0[17,24]。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生換相失敗、直流閉鎖或近區(qū)交流短路故障時(shí)，受制于不同故障條件下高壓直流輸電系統(tǒng)控制響應(yīng)特性、電氣量演變規(guī)律的差異，不同故障工況下高壓直流輸電送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理、形態(tài)特征不盡相同。為明確不同故障導(dǎo)致的暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理，給抑制措施提出奠定基礎(chǔ)，本文從暫態(tài)過電壓的致因因素出發(fā)，將暫態(tài)過電壓問題分成3類。

1.1 換相失敗引起暫態(tài)過電壓機(jī)理

為了厘清換相失敗引起暫態(tài)過電壓的機(jī)理，現(xiàn)有研究均是將暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生過程分階段進(jìn)行分析，目前典型的劃分方式為直流側(cè)短路、直流電流降低以及直流電流逐漸恢復(fù)這3個(gè)階段，具體如下[25-26]。

1)直流側(cè)短路階段。換相失敗導(dǎo)致逆變側(cè)形成旁通，直流側(cè)短路，直流電流迅速增加，導(dǎo)致整流器無功消耗迅速增大，將從送端交流系統(tǒng)吸收大量無功，從而造成送端交流電網(wǎng)電壓降低。

2)直流電流降低階段。在低壓限流控制環(huán)節(jié)(voltage dependent current order limiter，VDCOL)的作用下，整流側(cè)觸發(fā)角迅速增大，直流電流迅速減小，甚至下降到零。此時(shí)，整流器消耗的無功將迅速減小，但整流站交流濾波器仍在運(yùn)行，導(dǎo)致整流站無功過剩，向送端交流系統(tǒng)饋入大量無功，送端交流電網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓。

3)直流電流逐漸恢復(fù)階段。在直流控制系統(tǒng)作用下，整流側(cè)觸發(fā)角逐漸減小，直流功率逐漸恢復(fù)至故障前功率，整流器消耗的無功也逐漸增長至故障前的水平，整流站與送端交流系統(tǒng)無功交換逐漸平衡。

近年來，隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，對(duì)于風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生還與送端交流側(cè)風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)行為密切相關(guān)。具體來說可以分為以下兩類。

①風(fēng)機(jī)具備低電壓穿越能力。在直流側(cè)短路階段，送端電網(wǎng)電壓降低使得風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓低于低穿閾值時(shí)(典型值為0.9 p.u.)，風(fēng)機(jī)將進(jìn)入低電壓穿越過程。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組工作于以無功功率優(yōu)先的控制模式，并將根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落幅度，在最大允許電流范圍內(nèi)盡量向系統(tǒng)注入無功功率，以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。然而，囿于風(fēng)機(jī)低電壓穿越控制無功輸出延時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將相當(dāng)于一個(gè)無功源，向送端交流電網(wǎng)饋入無功，該部分無功將與在直流電流降低階段濾波器饋入的盈余無功疊加，導(dǎo)致送端交流電網(wǎng)暫態(tài)電壓進(jìn)一步升高[27-29]。

②風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力。不具備低電壓穿越能力的風(fēng)機(jī)在直流側(cè)短路階段，機(jī)端電壓低于閾值時(shí)將發(fā)生脫網(wǎng)；風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后外送功率將減小，但新能源場(chǎng)站內(nèi)無功補(bǔ)償裝置因不具備自投切功能而將繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行，使得送端交流電網(wǎng)出現(xiàn)無功功率盈余，此部分無功與直流電流降低階段濾波器饋入的盈余無功疊加而抬高電壓。隨著送端交流電網(wǎng)電壓不斷抬升，當(dāng)風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)電壓超過風(fēng)機(jī)保護(hù)控制的閾值，會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組高壓脫網(wǎng)；與低壓脫網(wǎng)類似，高壓脫網(wǎng)后新能源場(chǎng)站內(nèi)繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置可能會(huì)進(jìn)一步抬高送端交流電網(wǎng)暫態(tài)過電壓，從而引起大規(guī)模的脫網(wǎng)事故，威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[30]。

1.2 直流閉鎖引起的暫態(tài)過電壓機(jī)理

不同于換相失敗，直流閉鎖引起的暫態(tài)過電壓具有短時(shí)躍升的特點(diǎn)，其機(jī)理分析目前主要從換流站無功交互演變規(guī)律和交流電源暫態(tài)特性變化兩方面展開。

一方面，當(dāng)交直流系統(tǒng)發(fā)生較為嚴(yán)重的故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將向換流站發(fā)出緊急停機(jī)命令，同時(shí)發(fā)出跳換流變壓器進(jìn)線開關(guān)的指令，隨后整流站進(jìn)行快速移相，觸發(fā)角迅速增大，使整流站處于逆變狀態(tài)，以關(guān)斷直流電流[31]。根據(jù)式(2)可知，閉鎖后由于整流側(cè)觸發(fā)角的移相過程非常迅速，直流有功功率迅速減小，整流站消耗的無功功率也迅速降低。由于交流濾波器及電容器組投切策略速動(dòng)性不足，切除延時(shí)超過100 ms[17]，將造成大量盈余無功饋入送端交流系統(tǒng)，引起整流站換流母線處產(chǎn)生嚴(yán)重的暫態(tài)過電壓[32]；加之濾波器發(fā)出的無功功率與電壓的平方成正比，換流母線電壓的升高又將使得濾波器發(fā)出更多的無功功率，從而進(jìn)一步加劇暫態(tài)過電壓[33]。

另一方面，由于直流閉鎖后直流電流迅速減小至0，該過程對(duì)于送端交流電網(wǎng)而言類似于甩負(fù)荷。當(dāng)交流電網(wǎng)甩負(fù)荷時(shí)，經(jīng)過發(fā)電機(jī)等值電抗和變壓器電抗所產(chǎn)生的電壓降迅速降低，但由于發(fā)電機(jī)慣性，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁鏈不能在短時(shí)間內(nèi)突變，故發(fā)電機(jī)電勢(shì)將保持故障前狀態(tài)，使得整流母線電壓在短時(shí)間內(nèi)迅速升高至發(fā)電機(jī)電勢(shì)?？梢姡涣飨到y(tǒng)甩負(fù)荷特性引起的暫態(tài)壓升將與前述濾波器速動(dòng)性不足造成的暫態(tài)壓升相疊加，形成嚴(yán)重的暫態(tài)過電壓[17]。

1.3 送端近區(qū)交流故障引起的暫態(tài)過電壓機(jī)理

送端近區(qū)交流故障是指在整流站近區(qū)發(fā)生的短路故障。與換相失敗類似，近區(qū)交流故障引起的暫態(tài)電壓同樣呈現(xiàn)“先低后高”的特點(diǎn)。主要區(qū)別在于，當(dāng)送端近區(qū)發(fā)生交流故障，特別是三相短路故障時(shí)，因故障點(diǎn)與整流站換流母線的電氣距離較近，故障點(diǎn)電壓的迅速降低將使整流站換流母線電壓顯著低于換相失敗引起的整流站換流母線電壓跌落。

對(duì)于近區(qū)交流故障引起暫態(tài)過電壓的機(jī)理，目前主要是根據(jù)直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)[27]進(jìn)行分析：當(dāng)整流站近區(qū)發(fā)生交流短路故障后，整流站近區(qū)電壓迅速降低，直流電流迅速減小；而當(dāng)清除短路故障后，直流電流因受限于低壓限流環(huán)節(jié)的工作特性而不能迅速恢復(fù)，此時(shí)濾波器發(fā)出的大量盈余無功功率可能會(huì)造成整流站及近區(qū)暫態(tài)過電壓[27]。

此外，對(duì)于風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，類似于換相失敗引起的暫態(tài)過電壓，近區(qū)交流故障引起的換流母線電壓跌落將使得周圍大量風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入低壓穿越狀態(tài)或脫網(wǎng)，導(dǎo)致盈余的無功饋入送端交流電網(wǎng)，從而引起整流母線暫態(tài)壓升[30]。但與換相失敗不同的是，若近區(qū)交流短路引起整流母線電壓跌落幅度過大，甚至使得風(fēng)機(jī)側(cè)母線電壓低于閾值(典型值為0.2 p.u.)，此時(shí)盡管低電壓穿越期間風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓很低，但風(fēng)機(jī)出力受限于電壓過低而無法增發(fā)，風(fēng)機(jī)無功出力反而很小，對(duì)暫態(tài)過電壓的影響輕微[27]。

1.4 暫態(tài)過電壓的影響因素

厘清各因素對(duì)暫態(tài)過電壓的影響機(jī)制，有助于為暫態(tài)過電壓抑制策略的提出提供理論依據(jù)。因此，基于前述暫態(tài)過電壓產(chǎn)生過程的分析，對(duì)現(xiàn)有研究中暫態(tài)過電壓影響因素進(jìn)行梳理，具體包括送端交流系統(tǒng)強(qiáng)度、直流運(yùn)行工況、風(fēng)電場(chǎng)類型這3個(gè)方面。

1)送端交流系統(tǒng)強(qiáng)度。

目前廣泛采用短路比SCR來衡量送端交流系統(tǒng)強(qiáng)度[33]：

(4)

式中PdN為直流系統(tǒng)額定輸送功率；Sc為整流側(cè)換流母線短路容量[34]，可表示為

(5)

式中Xs、Us分別為送端交流系統(tǒng)等值電抗、電勢(shì)。

根據(jù)交直流短路容量及穩(wěn)態(tài)傳輸功率對(duì)送端交流系統(tǒng)等值，考慮暫態(tài)過程中換流站剩余無功容量及其補(bǔ)償容量隨電壓升高的特性，可推導(dǎo)出整流母線的暫態(tài)電壓[11,34-35]：

(6)

式中ULr0為穩(wěn)態(tài)時(shí)整流母線電壓；Qbcp為整流站盈余的無功。

結(jié)合式(4)～(6)，可推導(dǎo)出整流母線電壓與短路比的關(guān)系為

(7)

以整流站雙極閉鎖時(shí)Qbcp/PdN=0.17為例[11]，取Us=1 p.u.，得到送端整流母線電壓與短路比關(guān)系如圖3所示。由式(7)和圖3可知，暫態(tài)電壓與系統(tǒng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，系統(tǒng)越強(qiáng)，暫態(tài)電壓幅值越低；同時(shí)，根據(jù)式(4)～ (7)可知，系統(tǒng)短路容量、無功剩余量、直流傳輸功率以及送端交流系統(tǒng)等值電抗、電勢(shì)等均將影響暫態(tài)過電壓的幅值水平。直流傳輸功率越大，短路比越小，故障后換流母線處無功盈余也越大，引起的暫態(tài)電壓越高。

圖3 SCR與暫態(tài)電壓關(guān)系Figure 3 Relationship between SCR and transient voltage

文獻(xiàn)[17]指出越強(qiáng)的交流系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的過電壓程度越低。文獻(xiàn)[25,35-37]則對(duì)比了不同系統(tǒng)輸送功率情況下的暫態(tài)過電壓幅值大小，指出直流傳輸功率與暫態(tài)過電壓呈正相關(guān)關(guān)系。

2)直流運(yùn)行工況。

當(dāng)直流運(yùn)行于無功損耗大幅增加的非典型工況(金屬—大地模式互相轉(zhuǎn)換、直流降壓運(yùn)行等)時(shí)，投入的交流濾波器組明顯增加。在此種工況下，直流如果發(fā)生故障，則交流濾波器組投切速動(dòng)性不足將會(huì)引起高于常規(guī)工況的送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓問題。2014年1月，某直流在進(jìn)行單極金屬回線轉(zhuǎn)大地回線過程中，因直流內(nèi)部故障保護(hù)動(dòng)作閉鎖，送端換流母線暫態(tài)過電壓最高升至1.26 p.u.[38]。

3)風(fēng)電場(chǎng)類型。

對(duì)于風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組的類型、故障穿越能力、匯集方式等均會(huì)對(duì)送端交流電網(wǎng)暫態(tài)過電壓，特別是機(jī)端電壓和風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線電壓產(chǎn)生一定的影響。

①風(fēng)電機(jī)組類型。與雙饋風(fēng)電機(jī)組相比，永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)過電壓問題更為嚴(yán)重。原因在于雙饋風(fēng)機(jī)部分通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)與電網(wǎng)相連，而直驅(qū)風(fēng)機(jī)為全電力電子元件并網(wǎng)，能夠更加直接、快速地感受系統(tǒng)的擾動(dòng)[39]。文獻(xiàn)[40]以±500 kV雁回直流為對(duì)象，通過仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同一直流傳輸功率下直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)壓升比雙饋型機(jī)端暫態(tài)壓升高0.05～0.10 p.u.。

②風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力。具有低電壓穿越功能的機(jī)組，其低電壓穿越區(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的無功輸出越大，恢復(fù)區(qū)有功恢復(fù)速率越慢，送端交流電網(wǎng)暫態(tài)壓升越高[28]。對(duì)于具有高電壓穿越功能的風(fēng)電機(jī)組，在高電壓穿越期間能夠吸收無功，風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)過電壓幅值相比于不具備高電壓穿越功能的風(fēng)機(jī)顯著降低[25]。

③風(fēng)電匯集方式。新能源集中匯集時(shí)的并網(wǎng)點(diǎn)和整流側(cè)換流母線處暫態(tài)過電壓高于分散匯集時(shí)的暫態(tài)過電壓[13]。文獻(xiàn)[41]通過搭建仿真模型，對(duì)比分析了新能源集中匯集與分散匯集時(shí)暫態(tài)過電壓的情況，結(jié)果表明，集中匯集比分散匯集時(shí)的暫態(tài)過電壓約高0.05 p.u.。

1.5 小結(jié)

對(duì)比分析了換相失敗、直流閉鎖及近區(qū)交流故障3種典型工況下送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理，并梳理了暫態(tài)過電壓影響因素。不同于直流閉鎖故障引起的暫態(tài)過電壓短時(shí)躍升，換相失敗與近區(qū)交流故障所引起的暫態(tài)過電壓均具有“先低后高”的特點(diǎn)，因此，在風(fēng)電直流送出系統(tǒng)中，暫態(tài)電壓幅值還與風(fēng)機(jī)低電壓穿越策略或低電壓穿越脫網(wǎng)密切相關(guān)。暫態(tài)過電壓的影響因素眾多，可分為送端交流系統(tǒng)強(qiáng)度、直流運(yùn)行工況以及風(fēng)電場(chǎng)類型3類，但目前對(duì)于暫態(tài)過電壓影響因素的研究較為零散，有待厘清各個(gè)影響因素之間的耦合規(guī)律。同時(shí)，對(duì)于風(fēng)電直流送出系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)對(duì)暫態(tài)過電壓幅值影響的研究還較為定性，多為將風(fēng)電場(chǎng)簡化為單個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究，缺乏對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的具體分析。對(duì)以上暫態(tài)過電壓機(jī)理及影響因素分析總結(jié)如圖4所示。

圖4 暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理分析Figure 4 Analyzing schematic of transient overvoltage generation mechanism

2 暫態(tài)過電壓的抑制措施

暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理與影響因素為抑制策略的提出提供了理論依據(jù)，從而可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)暫態(tài)過電壓抑制策略。為了梳理現(xiàn)有暫態(tài)過電壓抑制策略及其優(yōu)缺點(diǎn)，本文將暫態(tài)過電壓的抑制策略分為以下4類。

2.1 優(yōu)化直流控制

在暫態(tài)過電壓產(chǎn)生過程中，直流控制直接影響了換流站的無功損耗，因此，根據(jù)換流站的無功消耗需求對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，可有效抑制暫態(tài)過電壓。基于優(yōu)化直流控制的暫態(tài)過電壓抑制措施如圖5所示。

圖5 基于優(yōu)化直流控制的暫態(tài)過電壓抑制措施Figure 5 Transient overvoltage suppression strategies based on optimized DC control

1)優(yōu)化VDCOL環(huán)節(jié)。

①優(yōu)化VDCOL的工作特性。通過對(duì)VDCOL環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如：減小電壓上限Udhigh、減小電壓下限Udlow、增大最小限流電流Iomin、增大測(cè)量時(shí)間常數(shù)Tud，以及左移工作特性曲線等，如圖6所示，其本質(zhì)都是加快直流電流的恢復(fù)速度，使換流站消耗更多的無功，減小饋入交流系統(tǒng)的無功盈余，從而達(dá)到抑制過電壓的目的[16,26,42-43]。

圖6 優(yōu)化VDCOL工作特性曲線Figure 6 Optimization the VDCOL working characteristic curve

②優(yōu)化電流指令值。由于電流的變化將影響整流站消耗的無功，從而影響交流母線的電壓水平。因此，有文獻(xiàn)以無功平衡為目標(biāo)條件，求解電流指令值，以達(dá)到暫態(tài)過電壓抑制要求，如：文獻(xiàn)[32,44]以無功平衡為目標(biāo)條件，推導(dǎo)出直流輸電系統(tǒng)消耗無功與直流電流的關(guān)系，從而得到故障期間電流指令值，通過仿真表明此策略可將送端交流母線暫態(tài)過電壓抑制到1.013 p.u.以下。

2)優(yōu)化整流側(cè)定電流控制環(huán)節(jié)。

①優(yōu)化PI參數(shù)。對(duì)定電流控制的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠改變電流控制器的調(diào)節(jié)速度，從而影響暫態(tài)過電壓。文獻(xiàn)[45]通過比例積分系數(shù)的調(diào)整，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，增大積分時(shí)間常數(shù)、減小比例系數(shù)可以降低控制器的調(diào)節(jié)速度，從而抑制暫態(tài)過電壓。文獻(xiàn)[15]采用自適應(yīng)和聲搜索算法對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后能夠有效地將整流側(cè)交流母線電壓抑制到1.086 p.u.以下。優(yōu)化定電流控制環(huán)節(jié)的PI參數(shù)雖然對(duì)過電壓的抑制有一定的效果，但比例積分系數(shù)的改變?nèi)菀子绊懴到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，因此在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需進(jìn)行取舍。

②設(shè)置整流器觸發(fā)角限幅。對(duì)觸發(fā)角設(shè)置限幅能夠防止直流電流過零，從而減小整流站盈余的無功，通常與其他抑制措施配合使用。如：文獻(xiàn)[46]在整流側(cè)定電流控制中對(duì)觸發(fā)角設(shè)置限幅為80°。

3)優(yōu)化逆變側(cè)定關(guān)斷角控制環(huán)節(jié)。

在換相失敗恢復(fù)的過程中，直流電流迅速減小，通過優(yōu)化逆變側(cè)關(guān)斷角的算法可以調(diào)整逆變側(cè)的直流電壓，改變逆變側(cè)和整流側(cè)的壓差從而調(diào)節(jié)直流電流，達(dá)到無功調(diào)節(jié)的目的。如：文獻(xiàn)[47]將整流站吸收的無功對(duì)關(guān)斷角進(jìn)行求導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)隨著關(guān)斷角的增加，整流站消耗的無功隨之增加。因此，提出了一種根據(jù)控制目標(biāo)增大關(guān)斷角的算法，以增大整流站吸收的無功，抑制過電壓。

綜上，優(yōu)化直流控制本質(zhì)上是優(yōu)化直流電流恢復(fù)速度，因加快直流電流恢復(fù)可使整流站消耗更多的無功，緩解交流母線的無功盈余壓力。而直流電流與逆變器換相過程密切相關(guān)，故障后受端母線電壓相對(duì)較低，加快直流電流恢復(fù)將增加逆變器換流閥換相需求，增大換相失敗發(fā)生概率[48]。

2.2 加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備具有快速響應(yīng)系統(tǒng)無功變化的能力，由于無功不平衡是暫態(tài)過電壓的主要成因，而整流側(cè)濾波器無功補(bǔ)償緩慢，且無功補(bǔ)償設(shè)備的投入可等效提高交流系統(tǒng)短路比，因此，在送端加裝快速響應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備也是抑制暫態(tài)過電壓的一種重要方法[49-52]。目前，關(guān)于利用無功補(bǔ)償設(shè)備來抑制暫態(tài)過電壓的研究主要集中在無功補(bǔ)償設(shè)備的安裝地點(diǎn)和最優(yōu)補(bǔ)償容量上。

1)安裝地點(diǎn)的選擇。

在換流站及近區(qū)變電站高壓側(cè)，無論調(diào)相機(jī)集中還是分散接入，雖然可以抑制整流母線的暫態(tài)過電壓，但并不能有效抑制各新能源并網(wǎng)點(diǎn)過電壓，且設(shè)備成本較高。然而，在新能源匯集站低壓側(cè)分散接入小型化調(diào)相機(jī)，不僅能夠全面解決送端系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓問題還能夠進(jìn)一步節(jié)約成本[41]。文獻(xiàn)[53]對(duì)比了不同電壓等級(jí)側(cè)的調(diào)相機(jī)集中接入和分散接入的配置方案，發(fā)現(xiàn)在各新能源匯集站內(nèi)，低壓側(cè)分層分散配置同步調(diào)相機(jī)的抑制效果明顯優(yōu)于將調(diào)相機(jī)接入高壓側(cè)。

2)補(bǔ)償容量的優(yōu)化。

已有不少文獻(xiàn)以電壓水平、無功平衡及設(shè)備成本為控制目標(biāo)計(jì)算所需的無功補(bǔ)償容量，如文獻(xiàn)[15]以補(bǔ)償前后交流等值電壓源電壓保持不變?yōu)檫吔鐥l件，推導(dǎo)出的補(bǔ)償容量由補(bǔ)償前后過電壓幅值決定，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同步調(diào)相機(jī)的加入明顯抑制了暫態(tài)過電壓幅值的大小。文獻(xiàn)[53]以調(diào)相機(jī)降低直流近區(qū)新能源暫態(tài)過電壓風(fēng)險(xiǎn)及調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以調(diào)相機(jī)安裝容量為變量，采用PSO智能優(yōu)化算法得到最優(yōu)無功配置容量。

2.3 優(yōu)化風(fēng)電控制

對(duì)于風(fēng)電直流送出系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)站控制對(duì)暫態(tài)電壓的影響不容忽視。新能源電站無功補(bǔ)償設(shè)備容量一般按照電站裝機(jī)容量的20%～30%配置，同時(shí)，國標(biāo)要求風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)在超前0.95至滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)[54]。因而，可充分發(fā)揮新能源機(jī)組自身的無功輸出能力，以抑制暫態(tài)電壓?；趦?yōu)化風(fēng)電控制的暫態(tài)過電壓抑制措施如圖7所示。

圖7 基于優(yōu)化風(fēng)電控制的暫態(tài)過電壓抑制措施Figure 7 Transient overvoltage suppression measures based on optimized wind power control

1)風(fēng)電/直流協(xié)調(diào)控制。

風(fēng)電機(jī)組具備一定的無功調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)期間的控制策略，能夠使風(fēng)電機(jī)組從直流系統(tǒng)吸收無功從而緩解送端交流電網(wǎng)暫態(tài)過電壓。然而，故障期間風(fēng)電機(jī)組受過電壓程度、機(jī)組運(yùn)行工況等因素的影響，能夠向系統(tǒng)提供的動(dòng)態(tài)無功容量將有限。因此，通過與直流控制系統(tǒng)、已有無功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化，能夠彌補(bǔ)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量有限的不足，同時(shí)充分發(fā)揮直流控制系統(tǒng)對(duì)整流站無功消耗的控制能力，以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)暫態(tài)過電壓的抑制。文獻(xiàn)[31]結(jié)合典型風(fēng)電機(jī)組功率可控運(yùn)行區(qū)域及直流換流站短時(shí)過載能力，在故障期間控制風(fēng)電場(chǎng)以吸收部分無功，有效抑制了過電壓。文獻(xiàn)[55]以直流送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓峰值最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法協(xié)調(diào)優(yōu)化直流和風(fēng)電控制參數(shù)，將暫態(tài)過電壓峰值降低到1.1 p.u.以下。文獻(xiàn)[56-58]提出了無功補(bǔ)償裝置自適應(yīng)投切策略與風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器優(yōu)化相協(xié)調(diào)的抑制策略，可將風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓抑制到1.1 p.u.以下。

2)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制。

在優(yōu)化風(fēng)機(jī)低電壓穿越控制方面，通常以減小低電壓穿越后風(fēng)電系統(tǒng)向交流母線輸送的無功為目標(biāo)。由于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制輸出的無功有一定的延時(shí)，這部分無功將與換流站盈余的無功疊加，從而引起交流母線暫態(tài)電壓進(jìn)一步升高。對(duì)此，文獻(xiàn)[59]提出了一種二階差分控制策略來補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的功率指令延遲，能夠減小過電壓幅值0.33 p.u.。

此外，在風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制期間，有功恢復(fù)的速率在一定程度上影響了系統(tǒng)的無功缺額，進(jìn)而影響暫態(tài)電壓水平，有功恢復(fù)越慢，電壓越高。文獻(xiàn)[28,39]針對(duì)風(fēng)機(jī)低電壓穿越過程中有功大幅下降導(dǎo)致無功盈余的問題，提出在低電壓穿越暫態(tài)過程中盡量保持最大的有功功率，低電壓穿越后加快風(fēng)機(jī)的有功恢復(fù)速率，以緩解暫態(tài)過電壓。

在優(yōu)化風(fēng)機(jī)高電壓穿越控制方面，提高風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力，能夠減小風(fēng)電機(jī)組高壓脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，避免風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后新能源場(chǎng)站內(nèi)繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行的無功補(bǔ)償裝置進(jìn)一步抬升送端電網(wǎng)電壓。高電壓穿越能力的優(yōu)化以充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組自身的無功支撐能力、故障期間為系統(tǒng)提供必要的無功支撐為目的，主要通過優(yōu)化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)及網(wǎng)側(cè)換流器控制來實(shí)現(xiàn)。如：文獻(xiàn)[60]提出在雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)分別附加轉(zhuǎn)子電流抑制和外環(huán)電網(wǎng)電壓控制措施，充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組自身的動(dòng)態(tài)無功支撐能力，有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高電壓穿越能力，保障風(fēng)機(jī)在故障下不脫網(wǎng)運(yùn)行；文獻(xiàn)[61]基于現(xiàn)有高電壓穿越控制策略多研究電壓階躍上升，而對(duì)于電壓“先降后升”連續(xù)變化的場(chǎng)景鮮有研究的情況，提出一種改進(jìn)的連續(xù)故障穿越控制策略，適用于故障期間電網(wǎng)電壓連續(xù)變化的場(chǎng)景。

3)優(yōu)化設(shè)備投切時(shí)序。

在暫態(tài)過電壓持續(xù)過程中，存在交流濾波器、電容器及風(fēng)電機(jī)組等設(shè)備的投切各控制模塊的動(dòng)作，但由于各設(shè)備、模塊時(shí)間尺度不同，不同的控制時(shí)序?qū)簯B(tài)過電壓的影響效果迥異。因而有不少文獻(xiàn)通過優(yōu)化各個(gè)環(huán)節(jié)的控制時(shí)序以緩解暫態(tài)過電壓，如：文獻(xiàn)[23]從雙饋風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器約束條件出發(fā)，根據(jù)不同模塊及設(shè)備動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化風(fēng)機(jī)定子側(cè)功率與直流母線電壓控制動(dòng)作、公共點(diǎn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備投入及換流站內(nèi)濾波器切除的先后順序，仿真結(jié)果表明，所提抑制策略能夠?qū)⑺投私涣髂妇€暫態(tài)過電壓抑制到1.05 p.u.以下。文獻(xiàn)[62]比較了故障過程中緊急切除火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電與火電協(xié)調(diào)切除和風(fēng)電、火電、電容器協(xié)調(diào)切機(jī)策略下系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的效果，結(jié)果表明，風(fēng)電、火電與電容器協(xié)調(diào)切除策略可在切機(jī)量最低的情況下保證暫態(tài)過電壓的抑制效果；文獻(xiàn)[63]通過協(xié)調(diào)動(dòng)作時(shí)序?qū)崿F(xiàn)極控先切濾波器，安控后切機(jī)，以避免安控早于極控切除而引起“二次壓升”現(xiàn)象。

2.4 其他方法

由于暫態(tài)過電壓的幅值與系統(tǒng)強(qiáng)度、直流傳輸功率、無功剩余量以及風(fēng)電匯集方式等有關(guān)，因此，加強(qiáng)系統(tǒng)強(qiáng)度、合理規(guī)劃直流傳輸功率等改善系統(tǒng)參數(shù)的方式也可在一定程度上抑制暫態(tài)過電壓。文獻(xiàn)[13]提出在建設(shè)新能源場(chǎng)站時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃風(fēng)電接入方式，盡量避免風(fēng)電匯集線直接接入換流站，并在風(fēng)電匯集地區(qū)配置一定容量的常規(guī)機(jī)組或動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，提高風(fēng)電匯集地區(qū)電壓鉗制能力。文獻(xiàn)[64]認(rèn)為在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)增發(fā)發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)無功出力容量，提升內(nèi)電勢(shì)運(yùn)行水平，利用機(jī)組無功輸出維持和增幅輸出能力，從而增強(qiáng)電網(wǎng)暫態(tài)無功輸出能力，提高交流電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平。

2.5 小結(jié)

將現(xiàn)有研究中所提的暫態(tài)過電壓抑制措施分為優(yōu)化直流控制、加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備、優(yōu)化風(fēng)電控制及其他方法4類，對(duì)其進(jìn)行了梳理。其中，優(yōu)化直流控制因其主要針對(duì)直流電流的控制進(jìn)行改進(jìn)，而直流閉鎖時(shí)直流電流已降為0，故通常不適用于直流閉鎖，且控制不當(dāng)容易產(chǎn)生連續(xù)換相失敗；加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置從無功的角度對(duì)暫態(tài)電壓進(jìn)行緩解，適用故障廣泛，但加裝設(shè)備必然導(dǎo)致成本抬升；優(yōu)化風(fēng)電控制利用新能源場(chǎng)站自身的無功特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行支撐，但由于新能源故障穿越能力改造成本較高，且新能源場(chǎng)站無功支撐能力有限，具有一定的局限性；其他方法從系統(tǒng)層面進(jìn)行改進(jìn)，不需要額外增加設(shè)備，但無功支撐能力有限。對(duì)上述4類抑制措施進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。

表1 暫態(tài)過電壓抑制措施對(duì)比Table 1 Comparison of transient overvoltage suppression measures

3 亟待解決的問題與研究重點(diǎn)

隨著新能源并網(wǎng)容量的不斷增加，暫態(tài)過電壓問題越來越突出，不僅限制了直流輸送能力，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成系統(tǒng)崩潰。為此，很多學(xué)者就高壓直流送出系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題開展研究，但還不夠完善，存在以下問題。

1)基于新能源經(jīng)直流送出簡化場(chǎng)景的暫態(tài)過電壓機(jī)理分析存在主觀性。一方面，中國新能源送出場(chǎng)景多樣，不同場(chǎng)站新能源類型、組合方式、滲透比例等各不相同，從而具有不同的輸出特性。現(xiàn)有對(duì)于新能源經(jīng)高壓直流送出送端暫態(tài)過電壓問題的研究多集中于風(fēng)電，對(duì)于實(shí)際工程中已有的光伏、水電、風(fēng)光、風(fēng)光水以及風(fēng)光火等送出情況研究極少。另一方面，新能源場(chǎng)站內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以風(fēng)電場(chǎng)為例，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)通常有上百臺(tái)風(fēng)機(jī)，而大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)多為分期建成，不同期投建的風(fēng)機(jī)機(jī)型不同，輸出特性、故障穿越能力也不盡相同。然而，現(xiàn)有研究通常將風(fēng)電場(chǎng)簡化為一個(gè)整體，在匯集處采用一個(gè)大容量風(fēng)機(jī)進(jìn)行等值，忽略了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部復(fù)雜性，不能真實(shí)地反映故障過程中風(fēng)電機(jī)組的輸出特性對(duì)暫態(tài)過電壓的影響。

2)基于單一/部分影響因素的暫態(tài)過電壓機(jī)理分析存在局限性。在暫態(tài)過電壓持續(xù)過程中，直流電流、送端換流母線電壓、整流站消耗的無功功率等電氣量劇烈變化。電氣量的劇烈變化引起直流輸電系統(tǒng)中相應(yīng)控制環(huán)節(jié)啟動(dòng)以維持電網(wǎng)穩(wěn)定，同時(shí)控制環(huán)節(jié)對(duì)電氣量的調(diào)節(jié)結(jié)果又反饋?zhàn)饔糜诳刂骗h(huán)節(jié)，因此，電氣量之間、電氣量與控制量之間交互作用且強(qiáng)耦合。例如：在換相失敗過程中，直流電流的激增使得整流側(cè)電流控制環(huán)節(jié)通過調(diào)整整流側(cè)觸發(fā)角，以降低整流側(cè)直流電壓來抑制電流的迅速增長，直流電流的調(diào)節(jié)結(jié)果又輸入電流控制環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)；同時(shí)，直流電流的變化直接影響了整流站消耗的無功從而影響了送端交流母線暫態(tài)過電壓幅值。在此控制過程中，直流電流、送端交流母線電壓、整流側(cè)觸發(fā)角以及電流控制環(huán)節(jié)中的各控制量均相互作用、交互影響。然而，現(xiàn)有對(duì)于暫態(tài)過電壓影響因素的研究較為零散，多停留于對(duì)單個(gè)因素的影響進(jìn)行獨(dú)立分析。

3)基于單目標(biāo)優(yōu)化的暫態(tài)過電壓抑制策略存在片面性。目前，研究多以過電壓抑制為目標(biāo)，而忽視了系統(tǒng)控制的過度優(yōu)化可能會(huì)帶來其他后果。如：通過優(yōu)化VDCOL環(huán)節(jié)等方法，加快直流電流的恢復(fù)速度來提高整流站消耗的無功功率，而忽略了直流電流變化量與關(guān)斷角大小密切相關(guān)，當(dāng)電流變化量比臨界的換相失敗電流變化量大時(shí)，即引發(fā)連續(xù)換相失敗，造成更嚴(yán)重的故障。再如：在優(yōu)化定電流控制的PI參數(shù)時(shí)，改變了電流控制器的調(diào)節(jié)速度來抑制暫態(tài)過電壓而忽略了PI參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的影響。因而，現(xiàn)有部分研究在實(shí)現(xiàn)暫態(tài)過電壓抑制時(shí)也給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了新的問題。

針對(duì)上述高壓直流輸電送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓研究中存在的問題，本文總結(jié)了以下可能的突破思路，以期為相關(guān)研究提供借鑒和參考。

①剖析不同新能源典型送出場(chǎng)景暫態(tài)過電壓機(jī)理。綜合考慮不同新能源組合類型、新能源滲透比例、站內(nèi)新能源機(jī)組構(gòu)成等因素，分析不同實(shí)際工程新能源送出場(chǎng)景特點(diǎn)，獲取典型場(chǎng)景簇，剖析與比較不同新能源典型送出場(chǎng)景暫態(tài)過電壓機(jī)理異同。

②揭示暫態(tài)過電壓多影響因素耦合機(jī)理。在不同故障類型、故障時(shí)刻、故障嚴(yán)重程度等故障條件下，分析高壓直流輸電系統(tǒng)的交流系統(tǒng)強(qiáng)度、直流傳輸功率、風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制等因素對(duì)送端暫態(tài)過電壓影響程度的量化方法。在此基礎(chǔ)上，分析故障后不同時(shí)間范圍內(nèi)的關(guān)鍵作用因素，揭示不同影響因素的耦合規(guī)律，進(jìn)而研究多暫態(tài)過電壓影響因素在強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)下的實(shí)用性解耦方法。

③構(gòu)建多時(shí)空尺度的暫態(tài)過電壓協(xié)同抑制體系。時(shí)間上關(guān)注故障發(fā)展演變時(shí)序，空間上聚焦多類設(shè)備協(xié)同抑制。以換相失敗引起的暫態(tài)過電壓為例，建立故障初期換相失敗預(yù)防、故障發(fā)展換相失敗抑制以及換相失敗后暫態(tài)過電壓抑制三階段綜合抑制體系；同時(shí)，綜合考慮新能源機(jī)組輸出特性、直流控制系統(tǒng)響應(yīng)特性、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備成本以及抑制效果等，提出多設(shè)備協(xié)調(diào)抑制的暫態(tài)過電壓策略。

4 結(jié)語

當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗、直流閉鎖或近區(qū)交流短路等故障后，送端暫態(tài)過電壓問題嚴(yán)重。本文從引起暫態(tài)過電壓的不同類型故障出發(fā)，在直流閉鎖、換相失敗和近區(qū)交流故障下，梳理了暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理及特點(diǎn)，總結(jié)了暫態(tài)過電壓的影響因素。對(duì)于暫態(tài)過電壓的抑制策略，本文將現(xiàn)有的抑制策略從優(yōu)化直流控制、加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備、優(yōu)化風(fēng)電控制及其他方法4個(gè)方面進(jìn)行了分類梳理。最后，分析了現(xiàn)有研究中尚存在的問題，并探討了高壓直流輸電送端暫態(tài)過電壓問題的后續(xù)研究重點(diǎn)。