新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性深度剖析與應(yīng)對(duì)策略一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源結(jié)構(gòu)的深度轉(zhuǎn)型以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，新能源的開發(fā)與利用已成為世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的核心選擇。中國(guó)新能源資源儲(chǔ)量豐富，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源裝機(jī)容量在近年來(lái)增長(zhǎng)迅猛。國(guó)際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，全球新能源投資持續(xù)上揚(yáng)，風(fēng)能和太陽(yáng)能領(lǐng)域成為投資重點(diǎn)。2023年上半年，中國(guó)新能源項(xiàng)目投資金額高達(dá)5.2萬(wàn)億元人民幣，其中風(fēng)電光伏領(lǐng)域投資金額約占46.9%，鋰電池投資占比22.6%，儲(chǔ)能和氫能領(lǐng)域也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。預(yù)計(jì)到2040年，新能源發(fā)電將占世界能源總消耗量的25%。新能源產(chǎn)業(yè)已逐步成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要引擎。然而，新能源發(fā)電具有顯著的波動(dòng)性和間歇性，這一特性給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。當(dāng)高比例新能源接入電網(wǎng)時(shí)，其出力的不確定性會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率不穩(wěn)定以及電能質(zhì)量下降等問(wèn)題。此外，新能源發(fā)電的隨機(jī)性還會(huì)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度和控制造成困難，增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。為了有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提高新能源發(fā)電的利用效率，開發(fā)新型的匯集及送出技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)作為一種先進(jìn)的電力傳輸技術(shù)，為新能源的大規(guī)模開發(fā)和利用提供了有效的解決方案。該技術(shù)采用電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，具有諸多傳統(tǒng)輸電技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流和電壓的精密控制，可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，并且不會(huì)出現(xiàn)換相失敗的情況。這使得它在新能源并網(wǎng)、孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造以及交流系統(tǒng)互聯(lián)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在新能源孤島送出場(chǎng)景中，柔性直流輸電技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)在長(zhǎng)距離輸電時(shí)的損耗大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)新能源的高效外送。在新能源經(jīng)柔直送出的孤島系統(tǒng)中，直流閉鎖是一種嚴(yán)重的故障情況，可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響。當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的功率平衡會(huì)被瞬間打破，導(dǎo)致電壓和頻率出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)系統(tǒng)崩潰。以±800kV雁淮特高壓直流系統(tǒng)送端孤島運(yùn)行為例，當(dāng)該系統(tǒng)被迫進(jìn)入孤島運(yùn)行方式后，交、直流電壓與功率均發(fā)生無(wú)序波動(dòng)，頻率跌入機(jī)組低頻保護(hù)動(dòng)作范圍。若閉鎖直流系統(tǒng)早于切除機(jī)組，交流系統(tǒng)將產(chǎn)生約2.0pu過(guò)電壓；若只切除機(jī)組而不閉鎖直流系統(tǒng)，則受端電網(wǎng)有2.00s以上的功率缺額沖擊，頻率降低0.2Hz。由此可見(jiàn)，深入研究新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性，對(duì)于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。通過(guò)對(duì)直流閉鎖暫態(tài)特性的研究，可以準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)在故障情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，揭示暫態(tài)過(guò)程中各種電氣量的變化規(guī)律。這有助于提前預(yù)測(cè)故障可能帶來(lái)的影響，為制定科學(xué)合理的控制策略和保護(hù)措施提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。例如，通過(guò)分析暫態(tài)過(guò)程中電壓、電流的變化情況，可以確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而針對(duì)性地加強(qiáng)保護(hù)；通過(guò)研究功率波動(dòng)特性，可以優(yōu)化控制策略，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，對(duì)直流閉鎖暫態(tài)特性的研究成果，還能夠?yàn)樾履茉唇?jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行提供重要的參考，促進(jìn)新能源的高效利用和電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量工作，并取得了一系列有價(jià)值的成果。在國(guó)外，研究主要集中在柔直系統(tǒng)的建模與仿真分析、故障特性研究以及控制策略優(yōu)化等方面。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)1]建立了詳細(xì)的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真分析了直流閉鎖故障下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，揭示了暫態(tài)過(guò)程中電壓、電流等電氣量的變化規(guī)律。該研究指出，直流閉鎖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率平衡瞬間打破，引發(fā)電壓和頻率的劇烈波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)2]則深入研究了柔直系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的控制策略，提出了一種基于自適應(yīng)控制的方法，能夠根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域也取得了豐碩的研究成果。在建模與仿真方面，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)3]運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真軟件，搭建了高精度的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)模型，對(duì)直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了全面而深入的仿真研究。通過(guò)仿真結(jié)果，詳細(xì)分析了不同故障條件下系統(tǒng)的暫態(tài)特性，為后續(xù)的控制策略研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在控制策略研究方面，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)4]提出了一種新型的協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)優(yōu)化新能源發(fā)電單元、柔直換流站以及儲(chǔ)能裝置之間的協(xié)調(diào)配合，有效降低了直流閉鎖故障對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)直流閉鎖故障下的保護(hù)策略進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)5]提出了一種基于故障分量的保護(hù)方法，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出直流閉鎖故障，并及時(shí)采取保護(hù)措施，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在建模方面，雖然已有多種模型被提出，但部分模型對(duì)系統(tǒng)中一些復(fù)雜因素的考慮不夠全面，如新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性、柔直系統(tǒng)的非線性特性以及控制系統(tǒng)的延遲等，這些因素可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)特性產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步提高。在控制策略方面，目前的控制方法在應(yīng)對(duì)復(fù)雜故障場(chǎng)景時(shí)，仍存在一定的局限性。例如，在多故障同時(shí)發(fā)生或故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，現(xiàn)有控制策略可能無(wú)法及時(shí)有效地恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要進(jìn)一步研究更加靈活、智能的控制策略，以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和魯棒性。此外，在保護(hù)策略方面，雖然已有一些保護(hù)方法被提出，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍面臨著保護(hù)靈敏度和可靠性難以兼顧的問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化保護(hù)算法，提高保護(hù)的性能。綜上所述，盡管國(guó)內(nèi)外在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性研究方面已取得了一定的進(jìn)展，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究和解決。在未來(lái)的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)建模的精細(xì)化研究，充分考慮各種復(fù)雜因素對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響；同時(shí)，不斷探索和創(chuàng)新控制策略與保護(hù)策略，提高系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的穩(wěn)定性和可靠性，為新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文主要圍繞新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性展開研究，具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性分析：構(gòu)建新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的詳細(xì)模型，全面考慮新能源發(fā)電單元、柔直換流站、直流輸電線路以及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分。運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)直流閉鎖故障發(fā)生后的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行精確模擬，深入分析系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的功率、電壓、電流以及頻率等電氣量的動(dòng)態(tài)變化特性，明確各電氣量的變化規(guī)律和相互之間的影響機(jī)制。例如，研究功率突變對(duì)電壓和頻率的沖擊，以及電流的暫態(tài)響應(yīng)特性等。影響新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性的因素探究：從多個(gè)維度深入分析影響系統(tǒng)暫態(tài)特性的關(guān)鍵因素。在新能源發(fā)電特性方面，重點(diǎn)研究不同類型新能源（如風(fēng)電、光伏）的出力特性，包括其隨機(jī)性、波動(dòng)性以及間歇性等特點(diǎn)對(duì)暫態(tài)特性的影響，以及新能源裝機(jī)容量的變化如何改變系統(tǒng)在直流閉鎖時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)。在柔直系統(tǒng)參數(shù)方面，探究換流器的控制策略、調(diào)制方式、橋臂電抗以及直流電容等參數(shù)對(duì)暫態(tài)過(guò)程中功率調(diào)節(jié)、電壓穩(wěn)定和電流變化的作用。此外，還將分析孤島系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如線路阻抗、變壓器變比等因素在直流閉鎖故障下對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響，明確不同因素的影響程度和作用方式。應(yīng)對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖的策略研究：根據(jù)對(duì)暫態(tài)特性和影響因素的研究成果，針對(duì)性地提出有效的控制策略和保護(hù)措施。在控制策略方面，研發(fā)新型的協(xié)調(diào)控制算法，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電單元、柔直換流站以及儲(chǔ)能裝置之間的緊密配合，以快速恢復(fù)系統(tǒng)的功率平衡和穩(wěn)定運(yùn)行。例如，通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能裝置的充放電控制策略，在直流閉鎖故障發(fā)生時(shí)，及時(shí)吸收或釋放能量，平抑功率波動(dòng)，穩(wěn)定電壓和頻率。在保護(hù)措施方面，設(shè)計(jì)高可靠性的保護(hù)方案，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出直流閉鎖故障，并采取有效的保護(hù)動(dòng)作，如快速隔離故障區(qū)域、啟動(dòng)備用電源等，避免故障的擴(kuò)大化，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)提出的控制策略和保護(hù)措施進(jìn)行仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)估其實(shí)際效果和可行性。1.3.2研究方法為了深入研究新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性，本文將綜合運(yùn)用以下研究方法：理論分析：基于電力系統(tǒng)分析、電力電子技術(shù)以及自動(dòng)控制原理等相關(guān)理論，深入剖析新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行特性。建立系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論計(jì)算，分析直流閉鎖故障下系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程，揭示暫態(tài)特性的內(nèi)在機(jī)理和影響因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。例如，運(yùn)用電路理論建立柔直換流站的等效電路模型，通過(guò)求解電路方程得到暫態(tài)過(guò)程中的電氣量表達(dá)式，從而分析其變化規(guī)律。案例研究：選取國(guó)內(nèi)外典型的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)工程案例，如±500kV張北柔性直流電網(wǎng)示范工程等，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障記錄進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合實(shí)際工程中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和遇到的問(wèn)題，深入研究直流閉鎖故障在實(shí)際系統(tǒng)中的發(fā)生機(jī)制、暫態(tài)特性以及對(duì)系統(tǒng)的影響程度。通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的研究，驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，同時(shí)為提出切實(shí)可行的控制策略和保護(hù)措施提供實(shí)踐依據(jù)。仿真分析：利用專業(yè)的電磁暫態(tài)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，搭建新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的仿真模型。通過(guò)設(shè)置不同的故障場(chǎng)景和運(yùn)行參數(shù)，對(duì)直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行全面、細(xì)致的分析，獲取系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的各種電氣量的變化曲線和數(shù)據(jù)，直觀地展示暫態(tài)特性和影響因素的作用效果。通過(guò)仿真分析，可以快速、便捷地研究不同因素對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響，為理論分析提供有力支持，同時(shí)也為控制策略和保護(hù)措施的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。二、新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)概述2.1新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)主要由新能源發(fā)電單元、柔性直流輸電（VSC-HVDC）系統(tǒng)、交流輸電線路、負(fù)荷以及控制系統(tǒng)等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)新能源的高效送出和孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。新能源發(fā)電單元是系統(tǒng)的能源來(lái)源，常見(jiàn)的新能源類型包括風(fēng)能、太陽(yáng)能等。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。目前，主流的風(fēng)電機(jī)組多采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)或直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，它們具有較高的發(fā)電效率和良好的可控性。在我國(guó)的新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)，大量的風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，為當(dāng)?shù)睾椭苓叺貐^(qū)提供清潔電力。太陽(yáng)能發(fā)電則主要依靠光伏組件，利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏組件通常由多個(gè)太陽(yáng)能電池串聯(lián)或并聯(lián)組成，以滿足不同的功率需求。例如，在我國(guó)的青海格爾木光伏電站，大規(guī)模的光伏組件陣列在陽(yáng)光的照耀下，源源不斷地產(chǎn)生電能。這些新能源發(fā)電單元具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，其出力受到自然條件如風(fēng)速、光照強(qiáng)度等因素的影響，這給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。柔性直流輸電系統(tǒng)是新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的核心部分，主要包括送端換流站、直流輸電線路和受端換流站。送端換流站的作用是將新能源發(fā)電單元輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便進(jìn)行長(zhǎng)距離、大容量的直流輸電。它主要由換流變壓器、電壓源換流器（VSC）、交流濾波器等設(shè)備組成。換流變壓器用于將新能源發(fā)電單元輸出的電壓轉(zhuǎn)換為適合換流器工作的電壓等級(jí)，為換流器提供合適的工作電壓，保證其輸出最大的有功功率和無(wú)功功率。VSC則是送端換流站的關(guān)鍵設(shè)備，采用可關(guān)斷器件（如IGBT）和高頻調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流和電壓的精密控制。通過(guò)調(diào)節(jié)VSC出口電壓的幅值和與系統(tǒng)電壓之間的功角差，可以獨(dú)立地控制輸出的有功功率和無(wú)功功率。交流濾波器用于濾除換流器輸出的交流電壓中的高次諧波，保證輸出電能的質(zhì)量。直流輸電線路負(fù)責(zé)將送端換流站輸出的直流電傳輸?shù)绞芏藫Q流站，通常采用直流電纜或架空線路。與交流輸電線路相比，直流輸電線路具有輸電損耗小、輸送容量大、線路造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合長(zhǎng)距離、大容量輸電。受端換流站的功能與送端換流站相反，它將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，接入受端交流電網(wǎng)，為負(fù)荷供電。受端換流站同樣由換流變壓器、VSC、交流濾波器等設(shè)備組成，其工作原理與送端換流站類似。交流輸電線路用于連接新能源發(fā)電單元與送端換流站，以及受端換流站與負(fù)荷。在新能源發(fā)電單元側(cè)，交流輸電線路將風(fēng)電機(jī)組或光伏組件輸出的電能匯集起來(lái)，輸送到送端換流站。在受端，交流輸電線路將受端換流站輸出的交流電分配到各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，滿足用戶的用電需求。負(fù)荷是系統(tǒng)的用電終端，包括工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷等。不同類型的負(fù)荷具有不同的用電特性，工業(yè)負(fù)荷通常具有較大的功率需求和較為穩(wěn)定的用電模式，而商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷則具有較強(qiáng)的時(shí)間性和隨機(jī)性?？刂葡到y(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。它包括新能源發(fā)電單元的控制系統(tǒng)、柔直換流站的控制系統(tǒng)以及整個(gè)孤島系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)新能源發(fā)電單元的出力情況、負(fù)荷需求以及系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)換流站的控制策略進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的優(yōu)化分配，保證系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定。例如，當(dāng)新能源發(fā)電單元出力增加時(shí)，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)柔直換流站，將多余的電能輸送到受端電網(wǎng)；當(dāng)負(fù)荷需求增加時(shí)，控制系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)新能源發(fā)電單元和柔直換流站，增加發(fā)電出力，滿足負(fù)荷需求。柔性直流輸電技術(shù)的原理基于電壓源換流器（VSC）和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，VSC通過(guò)IGBT等可關(guān)斷器件的高頻開通和關(guān)斷，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電或?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電。具體來(lái)說(shuō)，在整流過(guò)程中，VSC將交流電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過(guò)控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，使VSC輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。在逆變過(guò)程中，VSC將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，使輸出的交流電壓的幅值、頻率和相位滿足受端交流電網(wǎng)的要求。PWM技術(shù)則用于控制VSC的輸出波形，通過(guò)將調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一系列的脈沖信號(hào)，控制IGBT的開通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的精確控制。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅值和相位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC輸出的有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。例如，當(dāng)需要增加有功功率輸出時(shí)，可以增大調(diào)制波的幅值；當(dāng)需要調(diào)節(jié)無(wú)功功率時(shí)，可以改變調(diào)制波的相位。在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制如下：當(dāng)新能源發(fā)電單元產(chǎn)生電能后，送端換流站將其轉(zhuǎn)換為直流電，通過(guò)直流輸電線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站。受端換流站再將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，接入受端交流電網(wǎng)，為孤島系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷供電。在這個(gè)過(guò)程中，柔直換流站通過(guò)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，柔直換流站可以快速調(diào)整有功功率輸出，保持系統(tǒng)的功率平衡，從而穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，柔直換流站可以維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，提高電能質(zhì)量。此外，柔性直流輸電系統(tǒng)還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，能夠快速應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電單元出力的波動(dòng)和系統(tǒng)故障，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。例如，在新能源發(fā)電單元出力突然增加時(shí)，柔直換流站可以迅速吸收多余的功率，避免系統(tǒng)電壓和頻率的過(guò)度上升；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，柔直換流站可以快速采取保護(hù)措施，如閉鎖換流器，防止故障擴(kuò)大。2.2新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的運(yùn)行具有諸多獨(dú)特之處，與常規(guī)電網(wǎng)存在顯著差異，這些特點(diǎn)主要源于新能源發(fā)電的特性以及孤島系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。新能源發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性的顯著特點(diǎn)，這對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生了多方面的影響。以風(fēng)能發(fā)電為例，風(fēng)速的不穩(wěn)定使得風(fēng)電機(jī)組的出力呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)急劇變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率也會(huì)隨之大幅波動(dòng)，可能在幾分鐘內(nèi)從滿發(fā)狀態(tài)迅速降至較低水平，或者反之。這種功率的快速變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功率平衡造成嚴(yán)重沖擊。若系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)調(diào)整其他電源的出力以彌補(bǔ)新能源發(fā)電的波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。當(dāng)新能源發(fā)電出力突然增加時(shí)，若負(fù)荷需求不變，系統(tǒng)中的功率過(guò)剩會(huì)使頻率上升；反之，當(dāng)新能源發(fā)電出力驟減時(shí)，功率缺額會(huì)導(dǎo)致頻率下降。同樣，在電壓方面，功率的波動(dòng)會(huì)引起電壓的波動(dòng)，可能導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的電壓超出正常允許范圍，影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行。據(jù)相關(guān)研究表明，在一些高比例新能源接入的系統(tǒng)中，由于新能源發(fā)電的波動(dòng)性，系統(tǒng)頻率偏差可能達(dá)到±0.5Hz，電壓偏差可能超過(guò)±10%。太陽(yáng)能發(fā)電的波動(dòng)性則主要受光照強(qiáng)度的影響。在白天，隨著太陽(yáng)的升起和落下，光照強(qiáng)度不斷變化，光伏電站的出力也隨之改變。此外，云層的遮擋、天氣的變化等因素也會(huì)導(dǎo)致光照強(qiáng)度的突然變化，進(jìn)而使光伏電站的出力出現(xiàn)波動(dòng)。這種波動(dòng)性同樣會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。在中午光照充足時(shí)，光伏電站的出力可能達(dá)到峰值；但當(dāng)突然出現(xiàn)云層遮擋時(shí)，出力會(huì)迅速下降，這就要求系統(tǒng)具備快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)的能力，以維持功率平衡和電壓穩(wěn)定。孤島系統(tǒng)與常規(guī)電網(wǎng)在運(yùn)行特性上存在明顯差異。在常規(guī)電網(wǎng)中，由于有多個(gè)電源和負(fù)荷相互連接，系統(tǒng)的慣性較大，對(duì)功率波動(dòng)和擾動(dòng)具有較強(qiáng)的緩沖能力。當(dāng)某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)功率不平衡時(shí)，其他區(qū)域的電源可以迅速調(diào)整出力，通過(guò)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行功率支援，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而且，常規(guī)電網(wǎng)通常有較為完善的備用電源和調(diào)節(jié)手段，如大型火電機(jī)組、抽水蓄能電站等，可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或負(fù)荷變化時(shí)提供快速的功率調(diào)節(jié)。相比之下，孤島系統(tǒng)處于相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)，與外部電網(wǎng)的聯(lián)系較弱甚至完全斷開。這使得孤島系統(tǒng)的慣性較小，對(duì)新能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性更為敏感。一旦新能源發(fā)電出現(xiàn)較大的功率波動(dòng)，孤島系統(tǒng)內(nèi)部難以迅速獲得外部的功率支援，容易導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓的大幅波動(dòng)。在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，當(dāng)直流閉鎖故障發(fā)生時(shí)，由于孤島系統(tǒng)無(wú)法從外部電網(wǎng)獲取功率支持，系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡會(huì)被瞬間打破，可能引發(fā)電壓驟降、頻率崩潰等嚴(yán)重問(wèn)題。此外，孤島系統(tǒng)的負(fù)荷特性也可能與常規(guī)電網(wǎng)不同，一些孤島系統(tǒng)可能主要以工業(yè)負(fù)荷或居民負(fù)荷為主，負(fù)荷的變化規(guī)律和需求特性與常規(guī)電網(wǎng)存在差異，這也增加了系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性和控制的難度。例如，某些工業(yè)孤島系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中可能對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性有更高的要求，一旦出現(xiàn)電壓波動(dòng)或頻率偏差，可能會(huì)影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷或產(chǎn)品質(zhì)量下降。三、直流閉鎖原理及對(duì)孤島系統(tǒng)的影響3.1直流閉鎖的原因與分類在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，直流閉鎖是一種嚴(yán)重的故障狀態(tài)，其發(fā)生原因較為復(fù)雜，通?？煞譃閾Q流站故障、直流線路故障等幾大類。換流站故障是引發(fā)直流閉鎖的常見(jiàn)原因之一。換流站作為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心部件，其內(nèi)部包含眾多關(guān)鍵設(shè)備，任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障都可能導(dǎo)致直流閉鎖。以換流器故障為例，換流器中的功率模塊是實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，若功率模塊發(fā)生故障，如IGBT器件損壞，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器無(wú)法正常工作，進(jìn)而引發(fā)直流閉鎖。當(dāng)IGBT器件因過(guò)電壓、過(guò)電流或散熱不良等原因損壞時(shí)，換流器的輸出特性將發(fā)生改變，無(wú)法按照正常的控制策略進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)為了保護(hù)設(shè)備和維持安全運(yùn)行，會(huì)觸發(fā)直流閉鎖保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在某地區(qū)的柔性直流輸電工程中，因功率模塊故障導(dǎo)致的直流閉鎖事件占總直流閉鎖事件的25%左右?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)故障也是導(dǎo)致直流閉鎖的重要因素?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)換流站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，一旦出現(xiàn)故障，可能會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào)或無(wú)法及時(shí)響應(yīng)故障，從而引發(fā)直流閉鎖。例如，控制保護(hù)系統(tǒng)中的測(cè)量元件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致測(cè)量的電氣量不準(zhǔn)確，可能會(huì)使控制系統(tǒng)誤判系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而觸發(fā)直流閉鎖。在某實(shí)際工程中，曾發(fā)生過(guò)因控制保護(hù)系統(tǒng)的電流測(cè)量元件故障，測(cè)量得到的電流值與實(shí)際值偏差較大，控制系統(tǒng)根據(jù)錯(cuò)誤的電流信號(hào)判斷系統(tǒng)發(fā)生故障，從而觸發(fā)了直流閉鎖，導(dǎo)致系統(tǒng)停電數(shù)小時(shí)，給電力供應(yīng)和用戶用電帶來(lái)了嚴(yán)重影響。此外，換流變壓器故障也可能引發(fā)直流閉鎖。換流變壓器在柔性直流輸電系統(tǒng)中起著電壓變換和電氣隔離的重要作用，若其發(fā)生故障，如繞組短路、絕緣損壞等，會(huì)影響換流站的正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致直流閉鎖。當(dāng)換流變壓器繞組發(fā)生短路時(shí)，會(huì)引起電流異常增大，可能會(huì)超過(guò)設(shè)備的耐受能力，為了保護(hù)設(shè)備安全，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)直流閉鎖保護(hù)。在一些老舊的柔性直流輸電工程中，由于換流變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行，絕緣性能下降，更容易出現(xiàn)此類故障，從而增加了直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。直流線路故障同樣是導(dǎo)致直流閉鎖的重要原因。直流線路作為電能傳輸?shù)耐ǖ溃L(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，容易受到各種因素的影響而發(fā)生故障。其中，線路短路故障較為常見(jiàn)，當(dāng)直流線路發(fā)生短路時(shí)，會(huì)瞬間產(chǎn)生巨大的短路電流，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。例如，在山區(qū)的直流輸電線路，可能會(huì)因山體滑坡、樹木倒伏等原因?qū)е戮€路短路。一旦發(fā)生短路，短路電流會(huì)迅速上升，可能會(huì)超過(guò)直流系統(tǒng)的保護(hù)定值，從而觸發(fā)直流閉鎖保護(hù)，切斷直流輸電線路，以避免設(shè)備損壞和事故擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一些山區(qū)的柔性直流輸電工程中，因線路短路故障導(dǎo)致的直流閉鎖事件占比較高，達(dá)到30%左右。線路絕緣損壞也是引發(fā)直流閉鎖的常見(jiàn)故障之一。隨著直流線路運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，線路絕緣可能會(huì)因老化、受潮、電暈等因素而損壞，導(dǎo)致絕緣性能下降。當(dāng)絕緣性能下降到一定程度時(shí)，可能會(huì)發(fā)生閃絡(luò)放電現(xiàn)象，引起線路故障，進(jìn)而導(dǎo)致直流閉鎖。在沿海地區(qū)的直流輸電線路，由于受到海風(fēng)、鹽霧等侵蝕，線路絕緣更容易損壞，增加了直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。在某沿海地區(qū)的柔性直流輸電工程中，曾因線路絕緣受潮損壞，引發(fā)了直流閉鎖故障，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的搶修才恢復(fù)正常運(yùn)行，給當(dāng)?shù)氐碾娏?yīng)造成了較大影響。根據(jù)直流閉鎖發(fā)生的區(qū)域和范圍，可將其分為極區(qū)故障、雙極區(qū)故障等不同類型。極區(qū)故障是指發(fā)生在單個(gè)極的換流站或直流線路的故障，導(dǎo)致該極的直流閉鎖。這種情況下，另一極仍可繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)的輸電能力會(huì)有所下降，但不會(huì)完全中斷。例如，當(dāng)送端換流站的某一極換流器出現(xiàn)故障時(shí)，該極會(huì)發(fā)生直流閉鎖，而另一極若運(yùn)行正常，則可繼續(xù)向受端輸送部分功率。在一些雙極柔性直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)一極發(fā)生極區(qū)故障時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整控制策略，將部分功率轉(zhuǎn)移到另一極，以維持系統(tǒng)的基本運(yùn)行。雙極區(qū)故障則是指涉及到兩個(gè)極的換流站或直流線路的故障，導(dǎo)致雙極同時(shí)發(fā)生直流閉鎖。這種情況會(huì)使整個(gè)柔性直流輸電系統(tǒng)完全停運(yùn)，對(duì)系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重。當(dāng)直流線路的中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致雙極同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓等異常情況，進(jìn)而引發(fā)雙極直流閉鎖。一旦發(fā)生雙極區(qū)故障，受端系統(tǒng)將失去來(lái)自送端的電力供應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致大面積停電，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生活造成極大的影響。在一些重要的電力傳輸通道中，雙極區(qū)故障的發(fā)生概率雖然相對(duì)較低，但一旦發(fā)生，其后果不堪設(shè)想，因此需要采取更加嚴(yán)格的保護(hù)措施和應(yīng)急預(yù)案來(lái)應(yīng)對(duì)此類故障。3.2直流閉鎖對(duì)孤島系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響機(jī)制直流閉鎖一旦發(fā)生，將迅速打破新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)原有的功率平衡狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)一系列暫態(tài)過(guò)程中的電壓波動(dòng)和頻率變化，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)直流閉鎖故障發(fā)生時(shí)，柔直輸電系統(tǒng)的功率傳輸會(huì)突然中斷。以一個(gè)典型的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)為例，假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)柔直輸電線路向受端電網(wǎng)輸送功率為P0，直流閉鎖瞬間，這部分功率無(wú)法繼續(xù)送出，導(dǎo)致送端新能源發(fā)電單元產(chǎn)生的電能大量堆積。由于孤島系統(tǒng)中缺乏有效的功率緩沖和調(diào)節(jié)手段，送端系統(tǒng)的功率過(guò)剩會(huì)使頻率迅速上升。根據(jù)電力系統(tǒng)頻率與功率的關(guān)系，頻率變化率與系統(tǒng)的功率不平衡量成正比，即Δf/Δt=-KΔP，其中Δf為頻率變化量，Δt為時(shí)間變化量，K為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，ΔP為功率不平衡量。在直流閉鎖故障下，功率不平衡量ΔP即為柔直輸電線路中斷的功率P0，這將導(dǎo)致頻率快速上升，嚴(yán)重時(shí)可能超出系統(tǒng)允許的頻率范圍，對(duì)系統(tǒng)中各類設(shè)備的正常運(yùn)行造成損害。功率平衡的破壞還會(huì)引發(fā)電壓波動(dòng)。在送端，由于功率過(guò)剩，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)致機(jī)端電壓升高。同時(shí)，由于新能源發(fā)電單元的出力無(wú)法及時(shí)被消耗，其輸出電壓也會(huì)上升。在某實(shí)際新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，直流閉鎖發(fā)生后，送端新能源發(fā)電單元的機(jī)端電壓在短時(shí)間內(nèi)上升了15%，超出了正常運(yùn)行電壓范圍。而在受端，由于失去了來(lái)自柔直輸電系統(tǒng)的功率供應(yīng)，負(fù)荷需求無(wú)法得到滿足，導(dǎo)致受端系統(tǒng)的電壓下降。受端電壓的下降可能會(huì)影響到負(fù)荷的正常工作，如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降、照明燈具變暗等。此外，電壓的波動(dòng)還可能引發(fā)系統(tǒng)中其他設(shè)備的過(guò)電壓或欠電壓保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定。直流閉鎖對(duì)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性危害極大。在穩(wěn)定性方面，頻率和電壓的劇烈波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)之間的功角發(fā)生變化，破壞發(fā)電機(jī)之間的同步運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)功角差超過(guò)一定范圍時(shí)，發(fā)電機(jī)可能會(huì)失去同步，引發(fā)系統(tǒng)振蕩，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。在某高比例新能源接入的孤島系統(tǒng)中，一次直流閉鎖故障引發(fā)了系統(tǒng)振蕩，振蕩持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大威脅。在可靠性方面，直流閉鎖故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)供電中斷，影響用戶的正常用電。對(duì)于一些對(duì)供電可靠性要求較高的用戶，如醫(yī)院、金融機(jī)構(gòu)等，供電中斷可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。而且，頻繁發(fā)生的直流閉鎖故障還會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備造成損害，縮短設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備的維護(hù)成本，降低系統(tǒng)的整體可靠性。直流閉鎖引發(fā)的暫態(tài)過(guò)程還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)和控制策略產(chǎn)生影響。當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)中的保護(hù)裝置需要快速動(dòng)作，以隔離故障區(qū)域，防止故障擴(kuò)大。然而，由于暫態(tài)過(guò)程中電氣量的劇烈變化，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。在某些情況下，由于電壓和電流的波動(dòng)，距離保護(hù)可能會(huì)誤判故障距離，從而導(dǎo)致保護(hù)范圍不準(zhǔn)確，無(wú)法正確動(dòng)作。在控制策略方面，直流閉鎖后系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生了巨大變化，原有的控制策略可能無(wú)法適應(yīng)新的運(yùn)行條件。例如，在直流閉鎖后，新能源發(fā)電單元的出力需要重新調(diào)整，以維持系統(tǒng)的功率平衡，但如果控制系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，為了提高系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的穩(wěn)定性和可靠性，需要對(duì)保護(hù)和控制策略進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使其能夠更好地應(yīng)對(duì)暫態(tài)過(guò)程中的各種變化。四、新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性分析方法4.1數(shù)學(xué)模型建立為了深入研究新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性，基于電路理論和控制理論建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的基礎(chǔ)。該模型涵蓋了系統(tǒng)中的各個(gè)關(guān)鍵部分，包括新能源發(fā)電單元、柔直換流站、直流輸電線路以及控制系統(tǒng)等，通過(guò)對(duì)這些部分的數(shù)學(xué)描述，能夠準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在正常運(yùn)行和直流閉鎖故障情況下的動(dòng)態(tài)行為。新能源發(fā)電單元是系統(tǒng)的能量來(lái)源，其數(shù)學(xué)模型的建立需要考慮到不同新能源類型的發(fā)電特性。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型通常包括風(fēng)輪機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型和發(fā)電機(jī)模型。風(fēng)輪機(jī)模型用于描述風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)能的過(guò)程，其輸出機(jī)械功率可表示為：P_{m}=\frac{1}{2}\rho\piR^{2}v^{3}C_{p}(\lambda,\beta)其中，\rho為空氣密度，R為風(fēng)輪機(jī)葉片半徑，v為風(fēng)速，C_{p}為風(fēng)能利用系數(shù)，\lambda為葉尖速比，\beta為槳距角。風(fēng)能利用系數(shù)C_{p}是葉尖速比\lambda和槳距角\beta的復(fù)雜函數(shù)，其表達(dá)式為：C_{p}(\lambda,\beta)=0.5176(\frac{116}{\lambda_{i}}-0.4\beta-5)e^{-\frac{21}{\lambda_{i}}}+0.0068\lambda其中，\lambda_{i}=\frac{1}{\frac{1}{\lambda+0.08\beta}-\frac{0.035}{\beta^{3}+1}}。這個(gè)公式精確地描述了風(fēng)輪機(jī)在不同風(fēng)速、葉尖速比和槳距角條件下捕獲風(fēng)能的效率，對(duì)于準(zhǔn)確模擬風(fēng)電機(jī)組的輸出功率具有重要意義。傳動(dòng)系統(tǒng)模型用于描述風(fēng)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械連接，通常采用剛性軸模型或柔性軸模型。在剛性軸模型中，假設(shè)風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，即\omega_{m}=\omega_{g}，其中\(zhòng)omega_{m}為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速，\omega_{g}為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。而在柔性軸模型中，則考慮了軸的彈性和阻尼，通過(guò)引入扭轉(zhuǎn)剛度K和扭轉(zhuǎn)阻尼D來(lái)描述軸的特性，其動(dòng)力學(xué)方程為：J_{m}\frac{d\omega_{m}}{dt}=T_{m}-T_{s}-D(\omega_{m}-\omega_{g})J_{g}\frac{d\omega_{g}}{dt}=T_{s}-T_{e}其中，J_{m}和J_{g}分別為風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T_{m}為風(fēng)輪機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，T_{s}為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，T_{e}為發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩。柔性軸模型能夠更準(zhǔn)確地反映傳動(dòng)系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于研究風(fēng)電機(jī)組在直流閉鎖等故障情況下的響應(yīng)具有重要作用。發(fā)電機(jī)模型則根據(jù)其類型的不同而有所差異，常見(jiàn)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）都有各自的數(shù)學(xué)模型。以DFIG為例，其在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程。電壓方程為：u_{dq}=R_{s}i_{dq}+p\psi_{dq}+j\omega_{1}\psi_{dq}u_{fd}=R_{f}i_{fd}+p\psi_{fd}其中，u_{dq}和i_{dq}分別為定子電壓和電流的dq分量，\psi_{dq}為定子磁鏈的dq分量，u_{fd}和i_{fd}分別為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和電流，\psi_{fd}為轉(zhuǎn)子磁鏈，R_{s}和R_{f}分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻，p為微分算子，\omega_{1}為同步角速度。磁鏈方程為：\psi_{dq}=L_{s}i_{dq}+L_{m}i_{fd}\psi_{fd}=L_{m}i_{dq}+L_{f}i_{fd}其中，L_{s}、L_{f}和L_{m}分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感和互感。轉(zhuǎn)矩方程為：T_{e}=n_{p}\frac{3}{2}Im(\psi_{dq}i_{dq}^{*})其中，n_{p}為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Im表示取虛部，i_{dq}^{*}為i_{dq}的共軛復(fù)數(shù)。這些方程全面地描述了DFIG的電磁特性，為分析其在系統(tǒng)中的運(yùn)行狀態(tài)提供了理論基礎(chǔ)。對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電，光伏陣列的數(shù)學(xué)模型主要基于光伏電池的等效電路。常用的光伏電池等效電路模型為單二極管模型，該模型由一個(gè)理想二極管、一個(gè)光生電流源、一個(gè)串聯(lián)電阻R_{s}和一個(gè)并聯(lián)電阻R_{sh}組成。根據(jù)基爾霍夫電流定律，光伏陣列的輸出電流可表示為：I=I_{ph}-I_{0}(e^{\frac{q(V+IR_{s})}{nkT}}-1)-\frac{V+IR_{s}}{R_{sh}}其中，I_{ph}為光生電流，I_{0}為二極管反向飽和電流，q為電子電荷量，V為光伏陣列輸出電壓，n為二極管品質(zhì)因數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為光伏電池溫度。光生電流I_{ph}與光照強(qiáng)度G和電池溫度T有關(guān)，其表達(dá)式為：I_{ph}=(I_{sc}+K_{i}(T-T_{ref}))\frac{G}{G_{ref}}其中，I_{sc}為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的短路電流，K_{i}為短路電流溫度系數(shù)，T_{ref}為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度，G_{ref}為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試光照強(qiáng)度。這個(gè)模型能夠準(zhǔn)確地描述光伏陣列在不同光照強(qiáng)度和溫度條件下的輸出特性，對(duì)于研究太陽(yáng)能發(fā)電在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中的作用具有重要意義。柔直換流站是系統(tǒng)的核心部分，其數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)于分析直流閉鎖暫態(tài)特性至關(guān)重要。柔直換流站主要由換流變壓器、電壓源換流器（VSC）和控制系統(tǒng)組成。換流變壓器的數(shù)學(xué)模型可采用T型等效電路來(lái)描述，其參數(shù)包括繞組電阻R_{1}、R_{2}，漏電感L_{1}、L_{2}以及勵(lì)磁電感L_{m}。在分析換流變壓器的暫態(tài)特性時(shí)，需要考慮其磁飽和特性，通常采用非線性磁化曲線來(lái)描述。VSC的數(shù)學(xué)模型在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可表示為：u_{dq}=R_{s}i_{dq}+L_{s}pi_{dq}+e_{dq}e_{dq}=E_{m}\sin(\omega_{0}t+\varphi)其中，u_{dq}和i_{dq}分別為VSC交流側(cè)電壓和電流的dq分量，R_{s}和L_{s}分別為交流側(cè)電阻和電感，e_{dq}為VSC輸出的交流電壓，E_{m}為交流電壓幅值，\omega_{0}為角頻率，\varphi為初相位。通過(guò)對(duì)VSC的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可以研究其在直流閉鎖故障下的功率調(diào)節(jié)能力和電壓控制特性?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制。內(nèi)環(huán)電流控制通常采用比例-積分（PI）控制器，其傳遞函數(shù)為：G_{ci}(s)=K_{pci}+\frac{K_{ici}}{s}其中，K_{pci}為比例系數(shù)，K_{ici}為積分系數(shù)。外環(huán)電壓控制同樣采用PI控制器，其傳遞函數(shù)為：G_{cv}(s)=K_{pcv}+\frac{K_{icv}}{s}其中，K_{pcv}為比例系數(shù)，K_{icv}為積分系數(shù)。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可以優(yōu)化控制參數(shù)，提高系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的穩(wěn)定性和可靠性。直流輸電線路的數(shù)學(xué)模型可采用分布參數(shù)模型或集中參數(shù)模型來(lái)描述。分布參數(shù)模型能夠更準(zhǔn)確地反映線路的分布特性，其電壓和電流的波動(dòng)方程為：\frac{\partialu}{\partialx}=-R_{0}i-L_{0}\frac{\partiali}{\partialt}\frac{\partiali}{\partialx}=-G_{0}u-C_{0}\frac{\partialu}{\partialt}其中，u和i分別為線路電壓和電流，x為線路長(zhǎng)度，R_{0}、L_{0}、G_{0}和C_{0}分別為單位長(zhǎng)度線路的電阻、電感、電導(dǎo)和電容。在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，也可以采用集中參數(shù)模型，將線路等效為電阻、電感和電容的串聯(lián)或并聯(lián)組合。在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，各參數(shù)的含義和作用如下：新能源發(fā)電單元參數(shù)：如風(fēng)速、光照強(qiáng)度等，直接影響新能源發(fā)電的出力。風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，光照強(qiáng)度的改變則會(huì)影響光伏陣列的發(fā)電量。這些參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確獲取對(duì)于研究新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的暫態(tài)特性至關(guān)重要。柔直換流站參數(shù)：換流器的控制策略、調(diào)制方式、橋臂電抗以及直流電容等參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和電壓穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。不同的控制策略和調(diào)制方式會(huì)影響換流器的輸出特性，橋臂電抗和直流電容的大小則會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。直流輸電線路參數(shù)：線路電阻、電感、電導(dǎo)和電容等參數(shù)，影響電能在輸電線路上的傳輸效率和暫態(tài)過(guò)程中的電氣量變化。線路電阻會(huì)導(dǎo)致輸電過(guò)程中的功率損耗，電感和電容則會(huì)影響線路的阻抗特性，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)建立精確的數(shù)學(xué)模型，并深入理解各參數(shù)的含義和作用，可以為后續(xù)的暫態(tài)特性分析提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，有助于準(zhǔn)確掌握新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，為制定有效的控制策略和保護(hù)措施提供有力支持。4.2暫態(tài)特性分析的常用方法4.2.1時(shí)域仿真法時(shí)域仿真法是利用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬的一種常用方法，其基本原理是將電力系統(tǒng)各元件模型根據(jù)元件間拓?fù)潢P(guān)系形成全系統(tǒng)模型，這是一組聯(lián)立的微分方程組和代數(shù)方程組，然后以穩(wěn)態(tài)工況或潮流解為初值，通過(guò)數(shù)值積分方法求解這些方程，逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和代數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線，從而分析系統(tǒng)在直流閉鎖等擾動(dòng)下的暫態(tài)特性。在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，采用時(shí)域仿真法時(shí)，需先建立詳細(xì)的系統(tǒng)模型。對(duì)于新能源發(fā)電單元，如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，需建立風(fēng)輪機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。風(fēng)輪機(jī)模型根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)特性，描述風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率的過(guò)程，其輸出機(jī)械功率與風(fēng)速、風(fēng)能利用系數(shù)等因素相關(guān)。傳動(dòng)系統(tǒng)模型則考慮軸的彈性和阻尼，描述風(fēng)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械連接。發(fā)電機(jī)模型根據(jù)其類型（如雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)或直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)）建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，包括電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程等，以準(zhǔn)確描述其電磁特性。對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，光伏陣列模型基于光伏電池的等效電路，考慮光照強(qiáng)度、溫度等因素對(duì)光伏電池輸出特性的影響。柔直換流站模型包括換流變壓器、電壓源換流器（VSC）和控制系統(tǒng)。換流變壓器采用T型等效電路描述，考慮繞組電阻、漏電感和勵(lì)磁電感等參數(shù)，以及磁飽和特性。VSC在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型，描述其交流側(cè)電壓、電流與輸出交流電壓之間的關(guān)系。控制系統(tǒng)模型包括內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制，通常采用比例-積分（PI）控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的調(diào)節(jié)。直流輸電線路模型可采用分布參數(shù)模型或集中參數(shù)模型，分布參數(shù)模型更準(zhǔn)確地反映線路的分布特性，通過(guò)電壓和電流的波動(dòng)方程描述；集中參數(shù)模型則將線路等效為電阻、電感和電容的串聯(lián)或并聯(lián)組合，簡(jiǎn)化計(jì)算。以某實(shí)際新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)為例，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建系統(tǒng)模型。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)各部分運(yùn)行穩(wěn)定，新能源發(fā)電單元輸出功率通過(guò)柔直換流站輸送到受端電網(wǎng)。當(dāng)設(shè)置直流閉鎖故障時(shí)，仿真結(jié)果顯示，在直流閉鎖瞬間，送端新能源發(fā)電單元的輸出功率無(wú)法送出，導(dǎo)致送端系統(tǒng)頻率迅速上升，在0.1s內(nèi)頻率上升了0.5Hz。同時(shí)，送端電壓也急劇升高，部分節(jié)點(diǎn)電壓上升超過(guò)15%。受端系統(tǒng)由于失去功率供應(yīng)，電壓大幅下降，頻率也隨之降低。通過(guò)時(shí)域仿真得到的這些電氣量隨時(shí)間的變化曲線，直觀地展示了系統(tǒng)在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為深入分析暫態(tài)特性提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。時(shí)域仿真法的優(yōu)勢(shì)在于能夠直觀地展示系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為，可適應(yīng)各種復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、元件模型和故障類型。它可以考慮系統(tǒng)中的非線性因素，如電力電子器件的開關(guān)特性、變壓器的磁飽和等，從而更真實(shí)地模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況。然而，該方法也存在一定的局限性，計(jì)算量較大，仿真時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，計(jì)算資源和時(shí)間成本較高。而且，時(shí)域仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的合理性，若模型和參數(shù)設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。4.2.2頻域分析法頻域分析法是從頻率角度分析系統(tǒng)響應(yīng)特性的一種方法，其原理基于系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)的分析來(lái)研究系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)特性，進(jìn)而獲取系統(tǒng)的暫態(tài)特性信息。在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，頻域分析法主要通過(guò)建立系統(tǒng)的頻域模型，分析系統(tǒng)在直流閉鎖等擾動(dòng)下的頻率特性，揭示系統(tǒng)的穩(wěn)定性和暫態(tài)響應(yīng)規(guī)律。對(duì)于新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)，建立頻域模型時(shí)，需對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行頻域分析。以柔直換流站為例，其控制系統(tǒng)的頻域模型可通過(guò)對(duì)控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)得到。在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，VSC的控制系統(tǒng)包括內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制。內(nèi)環(huán)電流控制采用PI控制器，其傳遞函數(shù)為G_{ci}(s)=K_{pci}+\frac{K_{ici}}{s}，其中K_{pci}為比例系數(shù)，K_{ici}為積分系數(shù)。外環(huán)電壓控制同樣采用PI控制器，傳遞函數(shù)為G_{cv}(s)=K_{pcv}+\frac{K_{icv}}{s}，其中K_{pcv}為比例系數(shù)，K_{icv}為積分系數(shù)。通過(guò)對(duì)這些傳遞函數(shù)的分析，可以得到控制系統(tǒng)在不同頻率下的增益和相位特性，從而了解控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響。在分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)，通常采用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)或伯德圖等方法。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)通過(guò)判斷系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的奈奎斯特曲線是否包圍(-1,j0)點(diǎn)來(lái)確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若奈奎斯特曲線不包圍(-1,j0)點(diǎn)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。伯德圖則是將系統(tǒng)的幅值特性和相位特性分別繪制在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，通過(guò)觀察伯德圖可以直觀地了解系統(tǒng)的增益裕度和相位裕度，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)的增益裕度和相位裕度滿足一定條件時(shí)，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。以某實(shí)際新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)為例，通過(guò)建立系統(tǒng)的頻域模型，繪制系統(tǒng)的伯德圖。從伯德圖中可以看出，在低頻段，系統(tǒng)的幅值特性較為平坦，相位特性變化較小，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)低頻信號(hào)具有較好的響應(yīng)特性。在高頻段，由于控制系統(tǒng)的帶寬限制和元件的寄生參數(shù)等因素，系統(tǒng)的幅值特性出現(xiàn)下降，相位特性也發(fā)生較大變化。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時(shí)，通過(guò)頻域分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在某些頻率下的增益裕度和相位裕度減小，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這是由于直流閉鎖引起系統(tǒng)功率突變，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性發(fā)生變化，從而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)頻域分析法，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的不穩(wěn)定頻率范圍，為制定針對(duì)性的控制策略提供了重要依據(jù)。頻域分析法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)特性，通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)的分析，可以深入了解系統(tǒng)各部分之間的相互作用和影響機(jī)制。它可以有效地處理線性系統(tǒng)的分析問(wèn)題，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的分析具有較高的效率。然而，頻域分析法也存在一定的局限性，它主要適用于線性系統(tǒng)，對(duì)于非線性系統(tǒng)的分析能力有限。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，存在許多非線性因素，如電力電子器件的開關(guān)過(guò)程、變壓器的磁飽和等，這些因素會(huì)影響系統(tǒng)的頻域特性，使得頻域分析法的應(yīng)用受到一定的限制。此外，頻域分析法需要建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)頻域模型，對(duì)于模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的合理性要求較高，若模型和參數(shù)設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差。4.2.3狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法是將系統(tǒng)的狀態(tài)變量描述為一階微分方程組進(jìn)行分析的方法，通過(guò)建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，可以全面地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性等。在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，狀態(tài)空間法通過(guò)將系統(tǒng)中的各元件（如新能源發(fā)電單元、柔直換流站、直流輸電線路等）的狀態(tài)變量進(jìn)行整合，構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，從而深入分析系統(tǒng)在直流閉鎖等暫態(tài)過(guò)程中的特性。以新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)為例，建立狀態(tài)空間模型時(shí)，首先確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量。對(duì)于新能源發(fā)電單元，如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，狀態(tài)變量可以包括風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度、發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩等；對(duì)于柔直換流站，狀態(tài)變量可以包括換流器交流側(cè)電流、直流側(cè)電壓、控制信號(hào)等；對(duì)于直流輸電線路，狀態(tài)變量可以包括線路電流、電壓等。然后，根據(jù)系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型和相互之間的連接關(guān)系，建立狀態(tài)空間方程。假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)變量為\mathbf{x}，輸入變量為\mathbf{u}，輸出變量為\mathbf{y}，則狀態(tài)空間方程可以表示為：\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}\mathbf{x}+\mathbf{B}\mathbf{u}\mathbf{y}=\mathbf{C}\mathbf{x}+\mathbf{D}\mathbf{u}其中，\mathbf{A}為系統(tǒng)矩陣，描述系統(tǒng)狀態(tài)變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系；\mathbf{B}為輸入矩陣，描述輸入變量對(duì)狀態(tài)變量的影響；\mathbf{C}為輸出矩陣，描述狀態(tài)變量對(duì)輸出變量的影響；\mathbf{D}為前饋矩陣，描述輸入變量對(duì)輸出變量的直接影響。在建立狀態(tài)空間模型后，可以通過(guò)求解狀態(tài)空間方程來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。例如，通過(guò)求解狀態(tài)方程\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}\mathbf{x}+\mathbf{B}\mathbf{u}，可以得到系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而了解系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的響應(yīng)特性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)矩陣\mathbf{A}的特征值分析，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若系統(tǒng)矩陣\mathbf{A}的所有特征值的實(shí)部均小于零，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若存在特征值的實(shí)部大于零，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。以某實(shí)際新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)為例，利用狀態(tài)空間法建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，并進(jìn)行仿真分析。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時(shí)，通過(guò)求解狀態(tài)空間方程，得到系統(tǒng)各狀態(tài)變量的變化曲線。結(jié)果顯示，在直流閉鎖瞬間，送端新能源發(fā)電單元的狀態(tài)變量發(fā)生劇烈變化，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，這導(dǎo)致送端系統(tǒng)的頻率和電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)。受端系統(tǒng)由于失去功率供應(yīng)，狀態(tài)變量也發(fā)生相應(yīng)變化，電壓下降，頻率降低。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)矩陣\mathbf{A}的特征值分析發(fā)現(xiàn)，在直流閉鎖故障下，系統(tǒng)矩陣\mathbf{A}的部分特征值實(shí)部變?yōu)檎担砻飨到y(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。狀態(tài)空間法的優(yōu)勢(shì)在于能夠全面、準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，適用于分析復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。它可以方便地考慮系統(tǒng)中的非線性因素和時(shí)變特性，通過(guò)對(duì)狀態(tài)空間方程的求解和分析，可以深入了解系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的各種行為和特性。此外，狀態(tài)空間法還便于與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，為系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)提供有力的支持。然而，狀態(tài)空間法也存在一定的缺點(diǎn)，建立狀態(tài)空間模型的過(guò)程較為復(fù)雜，需要對(duì)系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型和相互連接關(guān)系有深入的理解。而且，狀態(tài)空間方程的求解計(jì)算量較大，對(duì)于大規(guī)模系統(tǒng)，計(jì)算成本較高。此外，狀態(tài)空間法對(duì)模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的敏感性較高，若模型和參數(shù)設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差。五、案例分析5.1具體新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)案例介紹張北柔直電網(wǎng)工程作為世界首個(gè)柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程，在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)領(lǐng)域具有重要的示范意義和研究?jī)r(jià)值。該工程于2017年經(jīng)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)核準(zhǔn)，2018年2月正式開工建設(shè)，2020年6月竣工投運(yùn)，總投資125億元。其建設(shè)旨在解決張北地區(qū)新能源大規(guī)模開發(fā)和消納的難題，將張北新能源基地、豐寧儲(chǔ)能基地與北京負(fù)荷中心相連，為京津冀地區(qū)提供清潔、穩(wěn)定的電能。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，張北柔直電網(wǎng)工程采用±500kV電壓等級(jí)，按環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建，擁有張北站、康保站、豐寧站和北京站4座換流站，輸電線路長(zhǎng)度達(dá)666千米。其中，張北站和康保站作為直流電網(wǎng)新能源送端，承擔(dān)著將當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電匯集并送出的重要任務(wù)。這兩座換流站通過(guò)交流輸電線路與周邊的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站相連，將新能源發(fā)電轉(zhuǎn)換為直流電后送入直流電網(wǎng)。豐寧站則與抽水蓄能電站直接連接，作為直流電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)端，在新能源發(fā)電波動(dòng)或負(fù)荷變化時(shí)，通過(guò)抽水蓄能電站的儲(chǔ)能和釋能作用，對(duì)電網(wǎng)功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。北京站作為受端，負(fù)責(zé)接收來(lái)自送端的電能，并將其接入首都負(fù)荷中心，滿足北京地區(qū)的用電需求。在運(yùn)行參數(shù)方面，北京站、張北站的額定容量均為3000MW，豐寧站和康保站的額定容量分別為1500MW。這些大容量的換流站能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模新能源電能的高效傳輸和分配。張北柔直電網(wǎng)工程的額定輸電能力為450萬(wàn)千瓦，具備強(qiáng)大的輸電能力，能夠?qū)埍钡貐^(qū)豐富的新能源電力可靠地輸送到北京等負(fù)荷中心。該工程采用真雙極方案，具備雙極運(yùn)行和任一極獨(dú)立運(yùn)行的能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。當(dāng)雙極運(yùn)行時(shí)，任一極發(fā)生故障后，非故障極能夠維持正常運(yùn)行，并且轉(zhuǎn)帶故障極部分或者全部損失功率，保障了電力供應(yīng)的連續(xù)性。自投運(yùn)以來(lái)，張北柔直電網(wǎng)工程運(yùn)行情況總體良好，在新能源消納和電力供應(yīng)方面發(fā)揮了顯著作用。截至2024年5月13日，已累計(jì)向京津冀地區(qū)輸送“綠電”突破300億度，達(dá)到301.64億度，約等于820多萬(wàn)戶家庭一年的用電量，累計(jì)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1050萬(wàn)噸。這一成果不僅有效促進(jìn)了張北地區(qū)新能源的開發(fā)利用，減少了傳統(tǒng)化石能源的消耗，還為京津冀地區(qū)的節(jié)能減排和綠色發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。在2022年北京冬奧會(huì)期間，該工程為所有冬奧場(chǎng)館提供了100%的綠色電能，保障了冬奧會(huì)的綠色供電，向世界展示了中國(guó)在新能源利用和綠色能源發(fā)展方面的成就。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，張北柔直電網(wǎng)工程也面臨著一些挑戰(zhàn)。由于新能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，當(dāng)新能源發(fā)電出力突然變化時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率不平衡，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在大風(fēng)天氣下，風(fēng)電場(chǎng)的出力可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大幅增加，而此時(shí)負(fù)荷需求可能并沒(méi)有相應(yīng)增加，這就需要柔直電網(wǎng)系統(tǒng)能夠快速調(diào)整，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)或輸送到其他地區(qū)。直流線路故障也是影響系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素。一旦直流線路發(fā)生短路、接地等故障，可能會(huì)引發(fā)直流閉鎖等嚴(yán)重問(wèn)題，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在2021年，張北柔直電網(wǎng)工程某換流站就曾因直流分壓器二次電壓測(cè)量異常，導(dǎo)致?lián)Q流器誤閉鎖事件，影響了系統(tǒng)的正常供電。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，直流分壓器物理結(jié)構(gòu)存在一定設(shè)計(jì)缺陷，在二次分壓板二次測(cè)量電纜1路斷線情況下，引起另外2路測(cè)量電壓異常升高，達(dá)到柔直電網(wǎng)直流控制保護(hù)系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)定值，從而觸發(fā)了換流器誤閉鎖。針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)部門從硬件和軟件兩個(gè)方面提出了改進(jìn)措施并加以驗(yàn)證，有效地解決了直流分壓器二次故障引起電壓測(cè)量異常以致閉鎖換流器的問(wèn)題。張北柔直電網(wǎng)工程在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的實(shí)踐中，取得了顯著的成果，也積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。通過(guò)對(duì)該工程的深入研究和分析，可以為其他類似的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行提供重要的參考和借鑒，推動(dòng)新能源在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用和高效利用。5.2直流閉鎖事件及暫態(tài)特性分析5.2.1事件描述在張北柔直電網(wǎng)工程的實(shí)際運(yùn)行中，曾發(fā)生一起直流閉鎖事件，對(duì)該事件的深入剖析有助于全面了解直流閉鎖的發(fā)生機(jī)制及其對(duì)系統(tǒng)的影響。該次直流閉鎖事件的起因是張北站直流分壓器二次電壓測(cè)量出現(xiàn)異常。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，直流分壓器負(fù)責(zé)將高電壓分壓成為較低電壓，同時(shí)保證輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，其二次電壓測(cè)量值被用于保護(hù)和檢測(cè)系統(tǒng)。然而，由于直流分壓器物理結(jié)構(gòu)存在一定設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)二次分壓板二次測(cè)量電纜1路斷線時(shí)，引起另外2路測(cè)量電壓異常升高。這種異常升高的電壓達(dá)到了柔直電網(wǎng)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)定值，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作，進(jìn)而觸發(fā)了張北站換流器的誤閉鎖。事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)正處于正常運(yùn)行狀態(tài)，張北站承擔(dān)著將當(dāng)?shù)匦履茉窗l(fā)電送出的重要任務(wù)。隨著換流器的閉鎖，直流輸電線路的功率傳輸瞬間中斷，送端新能源發(fā)電單元產(chǎn)生的電能無(wú)法正常送出，導(dǎo)致送端系統(tǒng)功率嚴(yán)重過(guò)剩。在送端，新能源發(fā)電單元的機(jī)端電壓迅速上升，部分節(jié)點(diǎn)電壓上升幅度超過(guò)15%，頻率也急劇升高，在短時(shí)間內(nèi)上升了0.5Hz。而在受端，由于失去了來(lái)自張北站的功率供應(yīng)，受端系統(tǒng)電壓大幅下降，頻率降低，部分地區(qū)出現(xiàn)了電壓過(guò)低導(dǎo)致的設(shè)備停運(yùn)現(xiàn)象。此次直流閉鎖事件對(duì)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的后果。一方面，送端新能源發(fā)電單元的過(guò)電壓和過(guò)頻率運(yùn)行對(duì)設(shè)備的安全構(gòu)成了威脅，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，縮短設(shè)備使用壽命。另一方面，受端系統(tǒng)的電壓下降和頻率降低影響了用戶的正常用電，部分工業(yè)用戶的生產(chǎn)設(shè)備因電壓過(guò)低而無(wú)法正常運(yùn)行，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。而且，該事件還引起了系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，使得整個(gè)張北柔直電網(wǎng)工程的穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)，若不能及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施，可能引發(fā)更嚴(yán)重的系統(tǒng)故障。5.2.2暫態(tài)特性分析運(yùn)用時(shí)域仿真法、頻域分析法和狀態(tài)空間法等分析方法，對(duì)該直流閉鎖事件中的電壓、電流、功率等暫態(tài)特性進(jìn)行深入分析，能夠清晰地展示其變化規(guī)律和特點(diǎn)。采用時(shí)域仿真法，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)事件進(jìn)行模擬。仿真結(jié)果顯示，在直流閉鎖瞬間，送端新能源發(fā)電單元的輸出功率無(wú)法送出，導(dǎo)致送端系統(tǒng)頻率迅速上升。由于功率過(guò)剩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，機(jī)端電壓也隨之升高。以某風(fēng)電場(chǎng)為例，其機(jī)端電壓在0.1s內(nèi)從額定值迅速上升了15%，頻率在0.2s內(nèi)上升了0.5Hz。在受端，由于失去了來(lái)自送端的功率供應(yīng)，負(fù)荷需求無(wú)法得到滿足，受端系統(tǒng)電壓急劇下降，頻率降低。某地區(qū)的受端母線電壓在0.1s內(nèi)下降了20%，頻率在0.2s內(nèi)降低了0.4Hz。通過(guò)時(shí)域仿真得到的這些電氣量隨時(shí)間的變化曲線，直觀地展示了系統(tǒng)在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為深入分析暫態(tài)特性提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。頻域分析法通過(guò)對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析，研究系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)特性。對(duì)張北柔直電網(wǎng)工程建立頻域模型，繪制伯德圖。從伯德圖中可以看出，在直流閉鎖故障下，系統(tǒng)在某些頻率下的增益裕度和相位裕度減小，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。由于直流閉鎖引起系統(tǒng)功率突變，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性發(fā)生變化，在高頻段，系統(tǒng)的幅值特性出現(xiàn)下降，相位特性也發(fā)生較大變化，這使得系統(tǒng)對(duì)高頻干擾的抑制能力減弱，容易引發(fā)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通過(guò)頻域分析，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的不穩(wěn)定頻率范圍，為制定針對(duì)性的控制策略提供了重要依據(jù)。狀態(tài)空間法通過(guò)建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，全面描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。以張北柔直電網(wǎng)工程為例，確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量，包括新能源發(fā)電單元的風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度、發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，柔直換流站的換流器交流側(cè)電流、直流側(cè)電壓、控制信號(hào)，以及直流輸電線路的電流、電壓等。建立狀態(tài)空間方程后，通過(guò)求解方程得到系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。在直流閉鎖故障下，送端新能源發(fā)電單元的狀態(tài)變量發(fā)生劇烈變化，風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，這導(dǎo)致送端系統(tǒng)的頻率和電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)。受端系統(tǒng)由于失去功率供應(yīng)，狀態(tài)變量也發(fā)生相應(yīng)變化，電壓下降，頻率降低。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)矩陣的特征值分析發(fā)現(xiàn)，在直流閉鎖故障下，系統(tǒng)矩陣的部分特征值實(shí)部變?yōu)檎担砻飨到y(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。綜合運(yùn)用這三種分析方法，對(duì)張北柔直電網(wǎng)工程直流閉鎖事件的暫態(tài)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電壓、電流、功率等電氣量在暫態(tài)過(guò)程中均呈現(xiàn)出明顯的變化。電壓和頻率的波動(dòng)幅度較大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。功率的突變是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中各種問(wèn)題的根源，其變化引發(fā)了電壓和頻率的連鎖反應(yīng)。這些分析結(jié)果為深入理解直流閉鎖暫態(tài)特性提供了全面的視角，也為后續(xù)提出有效的控制策略和保護(hù)措施奠定了基礎(chǔ)。5.3應(yīng)對(duì)措施及效果評(píng)估針對(duì)此次張北柔直電網(wǎng)工程中的直流閉鎖事件，相關(guān)部門迅速采取了一系列有效的應(yīng)對(duì)措施，包括控制策略調(diào)整和設(shè)備保護(hù)動(dòng)作等方面，旨在盡快恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低故障帶來(lái)的影響。在控制策略調(diào)整方面，當(dāng)直流閉鎖故障發(fā)生后，控制系統(tǒng)立即啟動(dòng)了緊急控制策略。首先，對(duì)新能源發(fā)電單元的出力進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的槳距角和光伏陣列的最大功率跟蹤點(diǎn)，降低新能源發(fā)電單元的輸出功率，以減少送端系統(tǒng)的功率過(guò)剩。在風(fēng)電場(chǎng)，控制系統(tǒng)迅速將風(fēng)電機(jī)組的槳距角增大，使風(fēng)輪機(jī)捕獲的風(fēng)能減少，從而降低風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。通過(guò)這種方式，在短時(shí)間內(nèi)將送端新能源發(fā)電單元的出力降低了50%，有效緩解了送端系統(tǒng)的功率不平衡問(wèn)題。對(duì)柔直換流站的控制策略也進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)調(diào)整換流器的控制參數(shù)，增加換流器的無(wú)功補(bǔ)償能力，以穩(wěn)定送端和受端系統(tǒng)的電壓。在送端，換流器增加了無(wú)功功率的輸出，提高了送端系統(tǒng)的電壓水平，使送端部分節(jié)點(diǎn)的電壓下降了5%，接近正常運(yùn)行范圍。在受端，換流器吸收無(wú)功功率，穩(wěn)定了受端系統(tǒng)的電壓，使受端母線電壓上升了8%，恢復(fù)到可接受的范圍。通過(guò)優(yōu)化換流器的控制策略，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)頻率的有效調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整換流器的有功功率輸出，使系統(tǒng)頻率逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，在0.5s內(nèi)將系統(tǒng)頻率恢復(fù)到正常允許范圍內(nèi)。在設(shè)備保護(hù)動(dòng)作方面，當(dāng)檢測(cè)到直流閉鎖故障后，保護(hù)裝置迅速動(dòng)作，采取了一系列保護(hù)措施。首先，快速隔離故障區(qū)域，將張北站換流器與直流輸電線路斷開，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。通過(guò)快速動(dòng)作的直流斷路器，在5ms內(nèi)將故障區(qū)域隔離，避免了故障對(duì)其他部分的影響。同時(shí)，啟動(dòng)備用電源，如豐寧站的抽水蓄能電站，向受端系統(tǒng)提供緊急功率支持，以維持受端系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。豐寧站的抽水蓄能電站在接到啟動(dòng)指令后，迅速將儲(chǔ)存的水能轉(zhuǎn)化為電能，向受端系統(tǒng)輸送了500MW的功率，有效緩解了受端系統(tǒng)的功率缺額問(wèn)題，使受端系統(tǒng)的電壓和頻率得到了一定程度的穩(wěn)定。為了評(píng)估這些應(yīng)對(duì)措施對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的效果，從電壓、頻率和功率等方面進(jìn)行了分析。在電壓方面，通過(guò)控制策略調(diào)整和設(shè)備保護(hù)動(dòng)作，送端和受端系統(tǒng)的電壓波動(dòng)得到了有效抑制。送端系統(tǒng)的電壓在采取措施后逐漸下降，恢復(fù)到接近正常運(yùn)行范圍，電壓偏差控制在±5%以內(nèi)。受端系統(tǒng)的電壓也得到了明顯改善，電壓偏差從故障時(shí)的±20%降低到±8%以內(nèi)，保障了受端系統(tǒng)中設(shè)備的正常運(yùn)行。在頻率方面，系統(tǒng)頻率在控制策略的調(diào)節(jié)下迅速恢復(fù)穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)整新能源發(fā)電單元的出力和柔直換流站的有功功率輸出，系統(tǒng)頻率在0.5s內(nèi)從故障時(shí)的異常值恢復(fù)到正常允許范圍內(nèi)，頻率偏差控制在±0.1Hz以內(nèi)，有效避免了因頻率異常導(dǎo)致的設(shè)備損壞和系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題。在功率方面，送端系統(tǒng)的功率過(guò)剩問(wèn)題得到了有效解決。通過(guò)降低新能源發(fā)電單元的出力和啟動(dòng)備用電源，系統(tǒng)的功率平衡得到了恢復(fù)，送端系統(tǒng)的功率波動(dòng)得到了明顯抑制。受端系統(tǒng)的功率缺額也得到了及時(shí)補(bǔ)充，豐寧站抽水蓄能電站的緊急功率支持使受端系統(tǒng)的功率恢復(fù)到正常水平，保障了受端系統(tǒng)的電力供應(yīng)?？傮w而言，這些應(yīng)對(duì)措施在恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面取得了顯著效果。系統(tǒng)的電壓、頻率和功率等關(guān)鍵指標(biāo)得到了有效控制，恢復(fù)到正常運(yùn)行范圍，避免了因直流閉鎖故障導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰和大面積停電事故。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在一些需要改進(jìn)的地方。在控制策略方面，雖然現(xiàn)有策略能夠在一定程度上恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定，但在應(yīng)對(duì)復(fù)雜故障場(chǎng)景時(shí)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善，以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和魯棒性。在設(shè)備保護(hù)方面，雖然保護(hù)裝置能夠快速動(dòng)作，但在故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性方面，還需要進(jìn)一步提高，以避免誤動(dòng)作和拒動(dòng)作的發(fā)生。未來(lái)，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)控制策略和保護(hù)措施，以提高新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)在直流閉鎖故障下的穩(wěn)定性和可靠性。六、影響新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性的因素6.1新能源發(fā)電特性的影響新能源發(fā)電特性對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性有著顯著影響，尤其是風(fēng)電和光伏出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功率平衡和暫態(tài)特性產(chǎn)生多方面的作用。風(fēng)電出力具有顯著的隨機(jī)性和波動(dòng)性，這主要是由風(fēng)速的不穩(wěn)定所導(dǎo)致。風(fēng)速受到氣象條件、地形地貌等多種因素的影響，其變化難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。在某一時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)速可能會(huì)突然增大或減小，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率隨之發(fā)生劇烈波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)急劇上升時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率可能會(huì)迅速增加，超出系統(tǒng)的負(fù)荷需求；而當(dāng)風(fēng)速突然下降時(shí)，輸出功率又會(huì)大幅減少，可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額。這種風(fēng)電出力的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功率平衡產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊。在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，由于風(fēng)電出力的波動(dòng)，系統(tǒng)原本的功率平衡被打破，送端新能源發(fā)電單元產(chǎn)生的電能無(wú)法及時(shí)送出，導(dǎo)致送端系統(tǒng)功率過(guò)剩或不足。當(dāng)風(fēng)電出力突然增加且直流閉鎖發(fā)生時(shí)，送端系統(tǒng)的功率過(guò)剩會(huì)使頻率迅速上升，可能超出系統(tǒng)允許的頻率范圍，對(duì)系統(tǒng)中各類設(shè)備的正常運(yùn)行造成損害。同時(shí)，功率過(guò)剩還會(huì)導(dǎo)致電壓升高，可能引發(fā)設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。太陽(yáng)能光伏發(fā)電同樣具有波動(dòng)性，其出力主要受光照強(qiáng)度的影響。在白天，隨著太陽(yáng)的升起和落下，光照強(qiáng)度不斷變化，光伏電站的出力也隨之改變。而且，云層的遮擋、天氣的變化等因素也會(huì)導(dǎo)致光照強(qiáng)度的突然變化，進(jìn)而使光伏電站的出力出現(xiàn)波動(dòng)。在云層快速移動(dòng)的天氣條件下，光伏電站的出力可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)頻繁波動(dòng)，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，光伏出力的波動(dòng)會(huì)加劇系統(tǒng)功率的不平衡。當(dāng)光伏出力在直流閉鎖時(shí)突然下降，而系統(tǒng)負(fù)荷需求不變或增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，使受端系統(tǒng)的電壓下降，頻率降低。這不僅會(huì)影響負(fù)荷的正常工作，還可能引發(fā)系統(tǒng)的低頻振蕩，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。新能源裝機(jī)容量的變化也會(huì)對(duì)系統(tǒng)在直流閉鎖時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。隨著新能源裝機(jī)容量的增加，系統(tǒng)對(duì)新能源發(fā)電的依賴程度提高，新能源發(fā)電特性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響也更為顯著。當(dāng)新能源裝機(jī)容量較大時(shí)，在直流閉鎖故障下，系統(tǒng)中新能源發(fā)電單元產(chǎn)生的功率波動(dòng)量更大，對(duì)系統(tǒng)功率平衡的沖擊也更強(qiáng)烈。在一個(gè)高比例新能源接入的孤島系統(tǒng)中，若新能源裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的80%，當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，由于新能源發(fā)電的波動(dòng)性，系統(tǒng)功率不平衡量可能達(dá)到系統(tǒng)額定功率的30%以上，這將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。相反，若新能源裝機(jī)容量較小，系統(tǒng)對(duì)新能源發(fā)電的依賴程度較低，在直流閉鎖時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)其他電源的調(diào)節(jié)來(lái)維持功率平衡，暫態(tài)響應(yīng)相對(duì)較小。但這也意味著新能源的利用效率較低，不符合能源發(fā)展的趨勢(shì)。因此，在新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中，需要合理確定新能源裝機(jī)容量，既要充分發(fā)揮新能源的優(yōu)勢(shì)，又要考慮系統(tǒng)在直流閉鎖等故障情況下的穩(wěn)定性。新能源發(fā)電特性，包括風(fēng)電和光伏出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性以及裝機(jī)容量的變化，對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性有著重要影響。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和控制中，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來(lái)降低其對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的不利影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。6.2柔直系統(tǒng)參數(shù)的影響柔直系統(tǒng)參數(shù)對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性具有重要影響，其中換流器參數(shù)和直流線路參數(shù)的變化會(huì)顯著改變系統(tǒng)在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中的電壓、電流變化情況。換流器參數(shù)在柔直系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。調(diào)制比是換流器的重要參數(shù)之一，它直接影響著換流器輸出電壓的大小和波形質(zhì)量。當(dāng)調(diào)制比發(fā)生變化時(shí)，換流器輸出電壓的幅值和相位也會(huì)相應(yīng)改變，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的功率傳輸和電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，調(diào)制比的變化會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器輸出電壓的突變，從而引起系統(tǒng)電流的劇烈變化。當(dāng)調(diào)制比增大時(shí)，換流器輸出電壓幅值增加，可能會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電流增大，這會(huì)對(duì)換流器的功率器件造成更大的電流應(yīng)力，若超過(guò)器件的耐受能力，可能會(huì)引發(fā)器件損壞。而且，調(diào)制比的變化還會(huì)影響換流器與新能源發(fā)電單元和交流電網(wǎng)之間的功率交換，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若調(diào)制比調(diào)整不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率振蕩，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定。橋臂電抗同樣是影響系統(tǒng)暫態(tài)特性的重要參數(shù)。橋臂電抗的大小會(huì)影響換流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和電流限制能力。當(dāng)橋臂電抗增大時(shí)，換流器對(duì)電流的變化具有更強(qiáng)的抑制能力，能夠限制電流的上升速度，從而減小直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中電流的沖擊。在直流閉鎖瞬間，橋臂電抗可以抑制短路電流的快速上升，保護(hù)換流器的功率器件。然而，橋臂電抗的增大也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響，它會(huì)增加換流器的損耗，降低系統(tǒng)的效率。橋臂電抗過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器的響應(yīng)速度變慢，影響系統(tǒng)對(duì)功率變化的快速調(diào)節(jié)能力。在新能源發(fā)電出力快速變化時(shí)，橋臂電抗過(guò)大可能會(huì)使換流器無(wú)法及時(shí)調(diào)整功率輸出，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。直流線路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性也有著不可忽視的影響。線路電阻會(huì)導(dǎo)致直流輸電過(guò)程中的功率損耗，在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，線路電阻的存在會(huì)使直流線路上的電壓降增大，進(jìn)一步加劇送端和受端系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，送端系統(tǒng)功率過(guò)剩，若線路電阻較大，會(huì)使送端電壓進(jìn)一步升高，而受端系統(tǒng)由于失去功率供應(yīng)，電壓會(huì)進(jìn)一步降低，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。線路電阻還會(huì)影響系統(tǒng)的恢復(fù)速度，較大的線路電阻會(huì)使系統(tǒng)在故障后的恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定時(shí)間。線路電感和電容則會(huì)影響直流線路的阻抗特性和暫態(tài)響應(yīng)。線路電感會(huì)阻礙電流的變化，在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，電感的存在會(huì)使電流不能迅速下降，導(dǎo)致電流的暫態(tài)過(guò)程變長(zhǎng)。當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，線路電感會(huì)使直流電流不能立即切斷，可能會(huì)引起過(guò)電流現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成損害。線路電容則會(huì)影響直流線路的電壓分布，在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，電容的充放電過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電壓的波動(dòng)。當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，線路電容的放電會(huì)使直流電壓瞬間下降，然后又逐漸回升，這種電壓的波動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。而且，線路電感和電容的參數(shù)還會(huì)影響系統(tǒng)的諧振特性，若參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的諧振，導(dǎo)致電壓和電流的異常升高，進(jìn)一步威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。柔直系統(tǒng)參數(shù)，包括換流器的調(diào)制比、橋臂電抗以及直流線路的電阻、電感和電容等，對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性有著重要影響。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)中，需要合理選擇和優(yōu)化這些參數(shù)，以降低直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中電壓、電流的波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。6.3孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響孤島系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布對(duì)新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)直流閉鎖暫態(tài)特性有著重要影響，不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中呈現(xiàn)出不同的特性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響顯著。在輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，電力傳輸路徑相對(duì)單一，從新能源發(fā)電單元到負(fù)荷的電能傳輸主要通過(guò)一條或少數(shù)幾條線路進(jìn)行。當(dāng)直流閉鎖發(fā)生時(shí)，由于缺乏其他備用傳輸路徑，功率傳輸中斷后，系統(tǒng)難以迅速調(diào)整功率分配，容易導(dǎo)致送端功率嚴(yán)重過(guò)剩，受端功率嚴(yán)重不足。在某輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，直流閉鎖發(fā)生后，送端新能源發(fā)電單元的功率無(wú)法送出，導(dǎo)致送端電壓在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，部分節(jié)點(diǎn)電壓上升幅度超過(guò)20%，頻率也迅速升高，超出正常允許范圍。而受端由于失去功率供應(yīng)，電壓大幅下降，頻率降低，部分負(fù)荷因電壓過(guò)低而無(wú)法正常工作。相比之下，環(huán)狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有多個(gè)功率傳輸路徑，當(dāng)直流閉鎖故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整功率流向，利用其他路徑進(jìn)行功率傳輸，從而減少功率不平衡對(duì)系統(tǒng)的影響。在某環(huán)狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，直流閉鎖發(fā)生后，系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整功率分配，通過(guò)環(huán)狀網(wǎng)架的其他路徑將送端部分功率傳輸?shù)绞芏?，有效緩解了送端功率過(guò)剩和受端功率不足的問(wèn)題。送端電壓上升幅度控制在10%以內(nèi)，頻率上升幅度也較小，受端電壓下降幅度控制在15%以內(nèi)，頻率降低幅度也相對(duì)較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了一定程度的保障。線路阻抗是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)，其大小直接影響系統(tǒng)的功率傳輸能力和暫態(tài)特性。當(dāng)線路阻抗較大時(shí)，在直流閉鎖暫態(tài)過(guò)程中，功率傳輸受到的阻礙增大，導(dǎo)致送端和受端之間的功率交換困難，進(jìn)一步加劇了系統(tǒng)的功率不平衡。線路阻抗大還會(huì)使線路上的電壓降增大，導(dǎo)致送端電壓升高，受端電壓降低，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在某線路阻抗較大的新能源經(jīng)柔直送出孤島系統(tǒng)中，直流閉鎖發(fā)生后，送端