0 引言

从能源可持续发展的角度来看，煤等化石能源终将消耗殆尽，清洁可持续能源必将成为各国发展的主要目标，风能作为一种新兴的环境友好、取之不尽的能源，已经成为目前新能源发电技术中最成熟、开发规模最大、商业化发展最好的发电方式之一^[1]。

但基于传统高压直流输电的风电场现在在运行中也存在着许多可能发生的问题，如风电场电压过低导致风电机组脱网，以及直流系统中出现故障引起系统过电压导致严重问题。在现阶段，对于风力机组的低电压穿越能力已经有了足够的研究，但是对风电机组的高电压故障穿越并没有足够的相关研究^[2]。另外在现在的大型直流输电项目中系统出现过电压而引起的问题要更为频繁。

在现场运行中，传统高压直流系统发生故障而引起交流系统过电压的问题已经日益突出，并且现在随着直流输送容量的不断增加，整个系统的规模不断扩大，交流系统过电压可能会引起风电机组脱网，进一步导致功率的缺失，可能电压情况愈发严重，造成的影响也会越来越大^[3]。例如，交流系统的过电压会对风电机组产生影响，会造成更大的输送电故障。

目前，国内外关于电网电压在骤升情况下风电机组的运行与控制方面的研究较少^[4]。事实上，风电机组的高电压脱网故障在运行中时有发生。如甘肃风电地区于2011年2月24日脱网的598台风电机组中，低电压脱网风机占46%，而高电压脱网风机比例竟高达54%^[5]。

可见，直流系统产生的故障已经会限制高压直流系统对风电的传输，因此对传统高压直流输电系统的故障进行研究，可以有助于风电机组提高高压故障穿越能力并进行改善。

1 传统风电高压直流输电系统的建模

1.1 传统高压直流输电构成

传统高压直流输电是指基于晶闸管进行换相的直流输电方式。在整个直流输电系统中最重要的就是换流装置，进行交直流之间的转换，是整个过程中最重要的一次设备。但是为了系统的输电稳定性和提高电能质量，还需要许多其他设备，如：换流变压器、滤波器、平波电抗器、交直流开关设备、无功补偿装置、直流接地极，以及保护装置、远程通信等二次设备。

1.2 高压直流输电系统的整体模型

PSCAD中传统高压直流输电系统电路图如图1所示，在PSCAD仿真软件中建立的特高压直流输电系统仿真参数如下：

特高压直流输电系统： ±500 kV，2000 MW， RR= RI= 2.5 Ω，LR= LI=0.5968 H， CL= 26 μF；

交流电网：（1）345 kV，SCR=2.5(相角为84°)；（2）230kV，无穷大电网。功率由25台2 MW风电机组与火电厂打捆送出。

1.3 双馈风机模型

双馈风力发电系统主要由风机系统、双馈发电系统组成。风机系统实现风能捕获和功率控制，将风能转换为机械能；双馈发电系统将机械能转换为电能，双馈风力发电系统结构如图2所示。

由图2可知，风机系统实现风能到机械能的转换，风机拖动双馈发电机实现机械能向电能的转换。其中，双馈发电机是通过由电力电子变流器构成的变流系统对双馈电机转子进行可控励磁调节，使得双馈电机在应用于风力发电时，可以实现变速恒频发电。由于双馈电机的调速范围较大，通常为同步速，需要转子的励磁容量约为发电机额定容量，以大大减小变流器容量，因此双馈发电系统得到较为深入的研究和广泛的应用[6]。

2 输电系统中多工况仿真

2.1 正常运行

在0.04s系统解锁后，电能的输送进入稳定状态，基本上保持在额定水平，功率正常传输。系统正常运行波形如图3~图7所示。

2.2 故障工况时产生的换相失败

在众多故障中最容易造成的换流器故障就是换相失败，换流器进行换相的两个阀由于未能正常进行换相完成，或者是在应该关断的阀关断之后，其在加上反向电压的作用之下并未恢复正常的阻断能力，当系统加在该阀上的电压再次为正时，就会立即重新导通，这样就发生了倒换相故障，会使预计应该开通的阀再次关断，这种现象就被称为换流器的换相失败^[5]。

换相失败一般多发生在换流阀外部电路出现故障的情况下，而且一般都会发生在逆变器的换流阀处。这主要是因为在电流关断之后的较长时间内，整流器的阀组一直都处在反向电压的作用下，不会再次重新导通。就只有当触发电路发生故障时，整流器电路才可能会因为脉冲的延迟或者是丢失而引起换相失败。在传统高压直流输电的运行过程中，可能会引发换相失败的原因如下：

（１）熄弧角γ过小；

（２）换流母线的电压下降过大；

（３）直流系统电流增大；

（４）换相电抗增大；

（５）触发超前角β过小；

（６）交流系统发生不对称故障时换相线电压的过零点出现相位移。

高压直流输电系统发生换相失败之后，直流线路的电流会迅速增加，换流站的无功功率消耗也会相应增多，如果与直流系统所联接的交流电力系统强度较弱（如风电发电机组），就可能引起交流侧的电压产生严重的波动，进一步则可能会导致直流系统发生连续的换相失败故障，严重时将会造成换流器闭锁^[7]。

如果发生了换相失败，相当于在直流侧产生了系统短路，直流系统的电压会下降，直流侧电流会上升，交流电路的电流直接介入直流系统。

在整个直流输电系统正常运行时，每一个换流阀组的导通周期都是基波周期长度的1/3。当系统发生换相失败时，换相失败的阀组将会相应地持续导通超过正常时间，并且会承受较大的电流，这会严重影响阀组的使用寿命。

在发生换相失败的情况下，逆变器的交流测线电流在正负半周期内是不对称的，因此会有直流分量产生，直接导致换流变压器出现直流偏磁，增加变压器的空载损耗。

在发生换相失败之后，由于直流系统电流迅速增大，换流站内消耗的无功功率便会增多，从而引起传输母线交流电压的下降；在故障消除之后，在控制系统的作用下各直流电气量会逐渐恢复初始状态，但是如果交流系统站内并联的滤波器和无功补偿装置的无功补偿能力高于直流控统的设置，站内无功功率将会过剩，可能会产生交流测电压过高的现象^[7]。

当交流侧清除了引发换相失败的故障之后，直流传输功率应该被快速恢复到初始状态，可以平衡交流系统的功率。但是直流功率恢复过快就可能会造成系统的无功功率不平衡，接着会影响交流系统电压水平，当情况严重时则会引发连续的换相失败，造成更大的故障，甚至会使换流器闭锁。

2.3 典型换相失败分析

2.3.1 逆变侧三相短路

如图8，整流器的交流测电压波形在故障瞬间产生了超过1.2倍的过电压，在5 s~5.5 s时维持在1.14 p.u. 左右。在故障消除时恢复到正常额定电压。直流母线的电压在故障产生时急剧下降。

交流系统发生三相接地短路时，不会发生相位角的偏移，只会出现母线电压的下降进而引起换相失败，其值如下：

可以观察到在故障未消除的时间里，逆变侧电压由于短路降为零，无法完成换相过程，引起连续的换相失败，熄灭角降至0，系统停止有功功率的传输。长时间的换相失败会引起输电系统的换流器闭锁，导致整个系统的停止运行，引起更大的故障。

有功功率在5 s故障发生时迅速下降，在系统采取一定措施后开始恢复正常。整流侧的无功功率通过系统进行补偿，用于换流站发生故障时吸收的大量无功。无功功率的量会对系统的电压水平产生极大的影响。

换流站无功功率交换如图9所示，换流站与交流系统无之间的功功率平衡关系式：

式中，Qdc是直流系统的换流器处所消耗的无功功率（Mvar ) ; Qac是交流系统和直流系统进行交换的无功功率，规定功率由交流系统输送至直流系统的方向为正方向( Mvar ) ; Qc是换流站内进行无功补偿的装置所发出的无功功率( Mvar )。

直流系统在发生换相失败的恢复过程中，因为换流站内会有剩余的无功功率向交流侧系统不断涌入，极易造成交流侧电压过高。当风电场在并网母线处的电压值高于保护系统的设定值时，势必会造成风机组的大规模脱网，导致功率的进一步缺失，引发更大的输电问题。但另一方面，由于在换相失败过程中直流输电系的统输送功率会减少，交流电网将会有大量潮流转入，交流系统如果在短时接纳大量的有功功率，将会对系统的电压产生一定的影响。

2.3.2 逆变侧双调谐滤波器投切

系统在实际运行中产生大量的无功功率需求，两侧换流站的无功功率需求与换流站和交流电网之间传输的有功功率成比，该无功功率需求在额定情况下为所传输有功功率的。但是这些消耗量巨大的无功功率并不能依赖换流站连接的交流电网来提供，这是因为如果大量的无功功率由交流电网提供，则交流输电吸纳电路的线损将大幅度增加，线路电压损失加大，换流站交流母线电压会大幅降低，换流器及其他电气设备将无法正常运行，危及HVDC系统和交流电网的安全稳定运行。

交流测滤波器如图10所示。在高压直流输电系统中，无功控制系统负责完成对交流滤波器的控制，目前采用的是定无功控制方式，控制目标是直流系统（含交流滤波器）与交流系统之间的无功平衡，该平衡由换流器消耗的无功功率及交流滤波器产生的无功功率共同确定。定无功控制方式是在满足换流器的谐波滤波要求的前提下，通过投切无功元件和调整换流变抽头来尽可能地将直流系统与交流系统之间的无功交换控制在预定的范围内。

当滤波器投切造成谐波不稳定时，由于交流母线电压的严重畸变，换相电压过零点发生漂移，假定换相电压过零点漂移所产生的相移角为，则此时逆变器的关断角为:

式中，k为换流变压器变比；I_d为直流电流；β为触发超前角；X_C为换相电抗;U_L为交流换流母线电压。由式（3）可知，换相电压过零点发生漂移时，如果为正值，就会造成逆变侧的关断角γ减小，减小的量即为漂移的相。随着γ的减小，换相裕度也会减小，系统面临换相失败的危险。当γ进一步减小且小于minγ时，逆变侧发生换相失败。

滤波器高压直流输电系统正常工作时，整流侧逆变侧每极各有3组滤波器，分别是双调谐滤波器、高通滤波器和纯电容。在滤波器进行投切时会引起系统的电压波动，甚至可能造成换相失败。

本文进行了多组结合的滤波器投切实验，其中纯电容以及高通滤波器的投切并未引起系统的较大扰动。在双调谐滤波器动作时会产生较大的扰动，结果如图11所示。

根据直流母线电压的下降以及a相电压的畸变，可以得出在投入双调谐滤波器时，产生了一次换相失败。

在投切交流滤波器时，时而发生换相失败的情况，这是因为SC型并联电容器并不带有串联电抗器，这使得其没有限制电流的能力。由于换流站交流滤波器容量很大，因此在投入时会产生很大的冲击电流，导致500 kV交流系统电压波形瞬时凹陷，从而使换流阀的关断电压降低，此时若正好有阀处于换相过程中，由于交流电压波形凹陷、反向关断电压不足以将导通阀关断，其会继续导通，而另一桥臂上的阀扔正常换相，这样的过程就会造成同一相的上下2个阀同时导通，形成旁通对，导致换相失败。

改变滤波器的投切时间，使滤波器投切时处于不同的相位角，观察输电系统的电气量变化。

（1）进行小组交流滤波器投入操作时，将会导致交流母线电压发生畸变，延迟交流母线电压过零点90°合闸时电压畸变最为严重，同时将会引起直流系统瞬时换相失败。引发换相失败的原因是逆变站交流母线电压发生畸变，该畸变持续时间很短，通常不超过一个周波，不会引起直流系统多次换相失败，也不会引起直流闭锁。

（2）进行小组交流滤波器切除操作时，即使滤波器开关不满足在交流母线电压过零点附近分闸，也不会导致交流母线电压畸变和直流系统换相失败。

3 故障对风机组的影响

对比所得的不含风场的输电线路与含风场的仿真结果，发现含风场的系统更加不稳定，电压波动较大，更易产生换相失败。同时风场处产生的过电压可能会导致风电场的大规模脱网，从而引起更大的功率缺失。因此，为了达到现有的高电压穿越的技术要求，需要采取一定的措施降低风机侧电压与定转子侧电流，以保证风机的连续运行。

3.1 输电系统措施

3.1.1 利用无功补偿

HVDC在运行时需要消耗大量无功功率，对其（特别是与弱交流系统相连时）进行无功补偿采用动态补偿装置，增大系统的有效短路比，从而降低逆变站换流母线电压对暂态故障的灵敏度，在一定程度上维持直流系统换相电压稳定，减小交流系统母线电压大幅度下降时逆变器换相失败的发生几率^[8-9]。

3.1.2 采用较大平波电抗器

交流系统故障时，直流电压下降，在HVDC施加平波电抗可一定程度上抑制直流线路电容的放电电流，一般整流侧平波电抗器的电感量比逆变侧稍小^[10]。

3.1.3 采取改进控制方式

等间隔触发脉冲控制方式：逆变侧交流系统不对称故障时，这种控制方式有利于系统稳定性，相对于分相触发方式而言，可在一定程度上减小换相失败的发生几率^[11]。

3.1.4 发生连续换相失败时的控制

逆变器2次连续换相失败时，直流电压极性将会发生倒转，致使工频交流介入直流回路中，此时应将电流从故障阀转移到旁通对，从而减少故障阀中故障电流流过的时间。旁通对可使得逆变器交流侧中与之相连的交流相接入直流回路，直流回路短路、阀组闭锁以减少交流系统故障时换流变压器造成的直流偏磁^[12]。逆变器多次连续换相失败难以自行恢复时，换流阀闭锁和旁通，待交流电压恢复后，直流系统重新启动运行^[13]。

3.2 风机采取措施

3.2.1 改进风机控制策略

当输电系统产生故障时，双馈风机可以从电网中吸收一定的无功功率，从而可以减小机端电压的骤升程度，缓解对风机产生的冲击。当风机系统检测到风机电压骤升时，风机进入无功支撑模式。

3.2.2 增加外部硬件

压差的增大导致定子电流的激增，因此可以电压骤升时在电网与双馈风机之间串联一个阻值适当的电阻，通过增加阻抗值来减小电流。

转子侧由于电压的骤升也会感应出一个较大的骤升电压，也会有较大的冲击电流，在产生过电压时也可以在转子侧串入适当的电阻来减小电流的冲击。

3.2.3 在直流母线侧加上Chopper电路

为转子侧过剩的能量提供一个泄放的途径，从而保护转子侧变流器且维持直流母线电压。卸荷支路一般由控制支路、卸荷电阻、电力电子功率器件构成。为了使直流侧两端能量实现匹配，通过控制电力电子功率器件导通与关断达到控制卸荷电阻投入和切出，最终达到直流侧电容、电压稳定的目的^[14]。

参考文献

[1] 孙鹏. 基于滑模控制的变速恒频双馈风力发电机控制策略研究[D]. 北京: 华北电力大学,2014.

[2] 肖文英. 并网型直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越技术的研究[D]. 长沙: 湖南大学,2011.

[3] 解慧力. 双馈风电机组三相短路脱网条件计算及其接入配网的故障恢复[D]. 重庆: 重庆大学,2015.

[4] 徐海亮, 章玮, 陈建生,等. 考虑动态无功支持的双馈风电机组高电压穿越控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(36): 112-119.

[5] 何朝荣, 李兴源, 金小明, 等. 高压直流输电系统换相失败的判断标准[J]. 电网技术, 2006(22): 19-23, 58.

[6] 刘晋. 双馈风力发电系统控制策略研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.

[7] 杨灿. 哈郑特高压直流换相失败对风电影响的仿真研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2015.

[8] 陈树勇, 李新年, 余军, 等. 基于正余弦分量检测的高压直流换相失败预防方法［J］. 中国电机工程学报，2005，25（14）：1-6.

[9] 周长春, 徐政. 联于弱交流系统的HVDC故障恢复特性仿真分析［J］. 电网技术，2003，27（11）：19-21.

[10] 黄玉东. 高压直流输电换相失败的研究［D］.北京:华北电力大学，2006.

[11] 任震, 欧开健, 荆勇, 等. 直流输电系统换相失败的研究（二）———避免换相失败的措施［J］.电力自动化设备, 2003, 23（6）：6-9.

[12] 罗隆福, 周金萍, 李勇, 等. HVDC 换相失败典型暂态响应特性及其抑制措施［J］. 电力自动化设备，2008，28（4）：5-9.

[13] 艾飞, 李兴源, 李伟, 等. HVDC换相失败判据及恢复策略的研究［J］. 四川电力技术，2008，31（4）：10-13.

[14] 宋鹏, 常静, 白恺, 等. 双馈风机的高电压穿越改进方法及仿真分析[J]. 华北电力技术, 2015(10): 40-46.

作者信息:

王瑞明1，张 利1，刘 桥2，姜蓉蓉2，刘 晋2

（1. 中国电力科学研究院新能源与储能运行控制国家重点实验室，北京 100192；

2. 华北电力大学，北京 102206）