大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)特性及優(yōu)化策略研究一、緒論1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及其在使用過程中對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，使得開發(fā)和利用可再生能源成為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境問題的關(guān)鍵舉措。風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源，具有儲(chǔ)量豐富、分布廣泛等顯著優(yōu)勢(shì)，在全球能源結(jié)構(gòu)中的地位愈發(fā)重要。近年來，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的《2024全球風(fēng)能報(bào)告》，2023年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量117GW，同比增長50%，累計(jì)裝機(jī)首次突破TW大關(guān)，裝機(jī)增速持續(xù)強(qiáng)勁；預(yù)計(jì)2024年全球新增裝機(jī)量將達(dá)到131GW，未來5年復(fù)合年增長率（CAGR）為9.4%。其中，陸上風(fēng)電增長穩(wěn)健，新興市場(chǎng)展現(xiàn)出蓬勃的活力，預(yù)計(jì)未來五年陸上風(fēng)電年平均裝機(jī)容量為130GW，至2028年全球陸上風(fēng)電市場(chǎng)將更加多元化；海上風(fēng)電成長提速，2023年全球海風(fēng)新增裝機(jī)10.8GW，主要貢獻(xiàn)增量來自于中國和歐洲地區(qū)，預(yù)計(jì)2024年海上風(fēng)電新增裝機(jī)18GW，同比增長80%，未來5年CAGR為27.9%，高于全球風(fēng)電裝機(jī)增速，占比有望持續(xù)提升。中國在全球風(fēng)電發(fā)展中扮演著重要角色，2023年中國有9%的電力來自風(fēng)能，并貢獻(xiàn)了當(dāng)年全球風(fēng)能增長的60%。我國風(fēng)能資源豐富，主要集中在“三北”地區(qū)（東北、華北、西北）以及東部沿海地區(qū)。然而，風(fēng)能富集地區(qū)與電力負(fù)荷中心存在著明顯的地域差異，“三北”地區(qū)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，當(dāng)?shù)仉娏ο{能力有限，而東部沿海地區(qū)電力需求旺盛，但本地風(fēng)能資源相對(duì)不足。這種能源與負(fù)荷分布的不均衡，使得大規(guī)模風(fēng)電的外送成為必然需求。在大容量、遠(yuǎn)距離輸電方面，直流輸電比交流輸電更具優(yōu)勢(shì)，如輸送容量大、距離遠(yuǎn)、線路損耗小、非同步聯(lián)接等，利用直流輸電技術(shù)解決大規(guī)模風(fēng)電遠(yuǎn)距離送電需求已成為具有廣闊前景的輸電方案，引起了國內(nèi)外電力工作者的廣泛重視。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送對(duì)于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。通過將大規(guī)模風(fēng)電輸送到負(fù)荷中心，能夠有效增加清潔能源在電力供應(yīng)中的比重，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，從而推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳方向轉(zhuǎn)型，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。以我國為例，傳統(tǒng)發(fā)電主要依靠煤炭能源，發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。發(fā)展大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送，能夠減少煤炭資源的消耗，降低碳排放，改善生態(tài)環(huán)境。從電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的角度來看，大規(guī)模風(fēng)電的接入給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了諸多挑戰(zhàn)。風(fēng)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，其出力受風(fēng)速、風(fēng)向等自然因素影響較大，這使得風(fēng)電接入后，電力系統(tǒng)的功率平衡、頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定等方面面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。而直流輸電系統(tǒng)具有快速可控的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電功率的有效調(diào)節(jié)和控制，增強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電的消納能力，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，直流輸電系統(tǒng)可以通過快速調(diào)整輸電功率，維持送端和受端系統(tǒng)的功率平衡，減小對(duì)電網(wǎng)頻率和電壓的影響。研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)特性，能夠深入了解風(fēng)電機(jī)組、直流輸電系統(tǒng)以及電網(wǎng)之間的相互作用和影響機(jī)制，為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制定合理的控制策略提供理論依據(jù)，對(duì)于提高大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，也有助于推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送技術(shù)的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，并取得了一系列重要成果。國外方面，歐美發(fā)達(dá)國家在海上風(fēng)電領(lǐng)域起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在風(fēng)電機(jī)組技術(shù)方面，不斷朝著大容量、高效率方向發(fā)展，單機(jī)容量持續(xù)增大，新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。丹麥的維斯塔斯（Vestas）公司在海上風(fēng)電機(jī)組研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先水平，其推出的V236-15.0MW海上風(fēng)電機(jī)組，葉輪直徑達(dá)236米，單機(jī)容量高達(dá)15兆瓦，是目前全球單機(jī)容量最大的海上風(fēng)電機(jī)組之一。在直流輸電技術(shù)研究上，國外對(duì)基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)的研究和應(yīng)用較為深入。英國倫敦Array海上風(fēng)電場(chǎng)采用VSC-HVDC技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電外送，該技術(shù)能夠靈活控制有功和無功功率，且無需交流系統(tǒng)提供換相電流，適用于弱電網(wǎng)和孤島供電等場(chǎng)景。在系統(tǒng)穩(wěn)定性研究方面，國外學(xué)者通過建立詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型和仿真分析，深入研究了風(fēng)電場(chǎng)與直流輸電系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制，提出了多種改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制策略，如虛擬同步機(jī)控制技術(shù)，通過模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后的穩(wěn)定性。國內(nèi)在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送技術(shù)研究方面也取得了顯著進(jìn)展。隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)不斷創(chuàng)新，國產(chǎn)化率逐步提高。金風(fēng)科技研發(fā)的GW171-3.6MW風(fēng)電機(jī)組，具有高效、可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。在直流輸電技術(shù)應(yīng)用上，我國建成了多個(gè)特高壓直流輸電工程，如向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電工程，實(shí)現(xiàn)了大容量、遠(yuǎn)距離輸電。針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，國內(nèi)學(xué)者開展了大量研究，提出了風(fēng)火打捆直流外送方案，通過配置一定比例的火電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行，利用火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力來平抑風(fēng)電的波動(dòng)性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，還對(duì)交直流協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了深入研究，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組、直流輸電系統(tǒng)和交流電網(wǎng)之間的協(xié)同運(yùn)行。盡管國內(nèi)外在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送技術(shù)方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)于近距離直流外送系統(tǒng)特性的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有研究大多集中在遠(yuǎn)距離直流外送，而近距離直流外送在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性和控制策略等方面具有獨(dú)特性，需要進(jìn)一步深入研究。另一方面，在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，對(duì)復(fù)雜工況下的多因素耦合作用考慮不夠全面，如不同風(fēng)速分布、電力電子設(shè)備的非線性特性以及直流輸電系統(tǒng)的故障暫態(tài)過程等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的綜合影響研究有待加強(qiáng)。此外，目前的研究在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性方面，如降低建設(shè)成本、提高能源利用效率等方面的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步探索優(yōu)化方案。本文將針對(duì)上述不足展開研究，深入分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、故障特性以及穩(wěn)定性特性，全面考慮多因素耦合作用對(duì)系統(tǒng)的影響，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化的控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文圍繞大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)特性展開深入研究，主要內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)建模：對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分進(jìn)行精確建模。構(gòu)建雙饋風(fēng)電場(chǎng)模型，深入分析雙饋風(fēng)機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及矢量控制方法，采用合適的等值建模方式將眾多風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化為便于分析的模型。建立基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)模型，詳細(xì)闡述其換流過程、控制方式以及直流線路和平波電抗器的數(shù)學(xué)描述。對(duì)于火電機(jī)組，建立汽輪機(jī)原動(dòng)機(jī)和調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型，以準(zhǔn)確模擬火電機(jī)組的運(yùn)行特性。通過這些模型的建立，為后續(xù)系統(tǒng)特性分析奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。穩(wěn)態(tài)特性分析：全面研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。深入探討雙饋風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速、不同工況下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，包括有功功率、無功功率的輸出特性以及機(jī)端電壓、電流的變化規(guī)律。分析直流輸電系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功率傳輸特性、電壓電流分布以及換流站的運(yùn)行參數(shù)。研究火電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)、直流輸電系統(tǒng)之間的功率協(xié)調(diào)分配關(guān)系，確定在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各機(jī)組的合理出力范圍，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。通過仿真校驗(yàn)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性以及理論分析的正確性，為系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行提供理論依據(jù)。故障特性分析：著重研究系統(tǒng)在故障情況下的運(yùn)行特性和響應(yīng)機(jī)制。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)，分析其在電網(wǎng)電壓暫態(tài)變化時(shí)的電壓穿越特性，研究送端交流系統(tǒng)在故障時(shí)的無功電壓暫態(tài)過程，以及電網(wǎng)電壓對(duì)稱驟升時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的暫態(tài)特性。深入探討DFIG風(fēng)電場(chǎng)在故障穿越過程中的控制策略，提出改進(jìn)的無功控制策略和高電壓穿越協(xié)調(diào)控制策略，以提高風(fēng)電場(chǎng)在故障情況下的穩(wěn)定性和可靠性。通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種故障場(chǎng)景下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析，驗(yàn)證控制策略的有效性，為系統(tǒng)的故障保護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。穩(wěn)定性分析與控制策略研究：深入分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括頻率穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性以及功角穩(wěn)定性。研究風(fēng)速波動(dòng)、負(fù)荷變化、故障等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響機(jī)制，建立系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)體系?；诜€(wěn)定性分析結(jié)果，提出有效的控制策略，如交直流協(xié)調(diào)控制策略、風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略等，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。通過仿真驗(yàn)證控制策略對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善效果，優(yōu)化控制參數(shù)，確保系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)性分析：對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。分析系統(tǒng)的建設(shè)成本，包括風(fēng)電機(jī)組、直流輸電設(shè)備、火電機(jī)組以及相關(guān)配套設(shè)施的投資成本。研究系統(tǒng)的運(yùn)行成本，如設(shè)備維護(hù)成本、能源消耗成本等。考慮系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響，評(píng)估因系統(tǒng)故障或不穩(wěn)定運(yùn)行導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)不同方案的經(jīng)濟(jì)性比較，提出優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的建議和措施，為系統(tǒng)的規(guī)劃和決策提供經(jīng)濟(jì)依據(jù)。1.3.2研究方法本文綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的全面性、深入性和可靠性：理論分析：基于電力系統(tǒng)分析、自動(dòng)控制原理、電磁暫態(tài)理論等相關(guān)學(xué)科的基本原理和方法，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的運(yùn)行特性、穩(wěn)定性以及控制策略進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析。建立系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解模型，揭示系統(tǒng)內(nèi)部的物理規(guī)律和相互作用機(jī)制。通過理論分析，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制提供理論指導(dǎo)。模型建立與仿真：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，建立大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的詳細(xì)仿真模型。在模型中精確模擬風(fēng)電機(jī)組、直流輸電系統(tǒng)、火電機(jī)組以及電網(wǎng)的各種特性和運(yùn)行工況。通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行特性、故障響應(yīng)和穩(wěn)定性進(jìn)行全面的分析和研究。仿真結(jié)果可以直觀地展示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，為理論分析提供驗(yàn)證和補(bǔ)充，同時(shí)也為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。案例分析：收集和分析國內(nèi)外已有的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送工程案例，如我國的酒泉風(fēng)電基地直流外送工程、英國倫敦Array海上風(fēng)電場(chǎng)直流外送工程等。通過對(duì)實(shí)際工程案例的研究，了解大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中面臨的問題、采取的解決方案以及取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。將理論研究成果與實(shí)際工程案例相結(jié)合，進(jìn)一步驗(yàn)證研究成果的可行性和實(shí)用性，為本文的研究提供實(shí)際工程背景和實(shí)踐依據(jù)。對(duì)比分析：對(duì)不同的系統(tǒng)配置方案、控制策略以及運(yùn)行方式進(jìn)行對(duì)比分析。比較不同風(fēng)電機(jī)組類型、直流輸電技術(shù)、火電與風(fēng)電配比等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，評(píng)估不同控制策略在改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高電能質(zhì)量等方面的效果。通過對(duì)比分析，篩選出最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案和控制策略，為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。二、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)構(gòu)成大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)主要由風(fēng)電場(chǎng)、換流站、直流輸電線路以及相關(guān)控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，各組成部分緊密協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電的高效穩(wěn)定外送。風(fēng)電場(chǎng)是系統(tǒng)的電能產(chǎn)生源頭，其中包含了數(shù)量眾多的風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組的類型豐富多樣，常見的有雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）和直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過齒輪箱與發(fā)電機(jī)相連，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但技術(shù)成熟度高，成本較低，在當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用廣泛。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)則取消了齒輪箱，采用永磁體勵(lì)磁，具有效率高、可靠性強(qiáng)、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到更多關(guān)注。在實(shí)際的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中，通常會(huì)有數(shù)百臺(tái)甚至上千臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。這些風(fēng)電機(jī)組按照一定的布局方式排列，通過集電線路將各自產(chǎn)生的電能匯集起來。集電線路一般采用架空線路或電纜線路，其作用是將分散的風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的低壓電能收集并傳輸?shù)缴龎鹤冸娬?。升壓變電站?nèi)設(shè)有變壓器等設(shè)備，負(fù)責(zé)將風(fēng)電機(jī)組輸出的低壓電能（通常為690V或1000V）升高到適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)母邏?，?10kV或220kV。通過升壓處理，能夠有效降低輸電線路中的電流，減少線路損耗，提高輸電效率。換流站是實(shí)現(xiàn)交流與直流相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)施，在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送系統(tǒng)中具有不可或缺的地位。換流站主要由換流器、濾波器、平波電抗器等設(shè)備組成。換流器是換流站的核心部件，目前主要有基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）和基于電壓源換流器（VSC）兩種類型。LCC型換流器利用晶閘管的半控特性，通過電網(wǎng)電壓自然換相來實(shí)現(xiàn)交流與直流的轉(zhuǎn)換，其技術(shù)成熟，容量較大，但需要交流系統(tǒng)提供換相電流，對(duì)交流系統(tǒng)的依賴性較強(qiáng)，且在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波。VSC型換流器采用全控型電力電子器件（如絕緣柵雙極晶體管IGBT），能夠?qū)崿F(xiàn)自換相，具有響應(yīng)速度快、可控性好、可獨(dú)立控制有功和無功功率等優(yōu)點(diǎn)，適用于弱電網(wǎng)或孤島系統(tǒng)的連接，但目前其容量相對(duì)LCC型換流器較小，成本較高。濾波器用于濾除換流器產(chǎn)生的諧波，以保證交流側(cè)和直流側(cè)的電能質(zhì)量。由于換流器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓，這些諧波如果不加以濾除，會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其他電氣設(shè)備造成嚴(yán)重影響，如使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生額外損耗、影響通信系統(tǒng)等。平波電抗器則主要用于平滑直流電流，減小直流電流的波動(dòng)，提高直流輸電的穩(wěn)定性。它能夠抑制直流電流中的高頻分量，使直流電流更加平穩(wěn)，減少電流波動(dòng)對(duì)換流器和直流輸電線路的影響。直流輸電線路是將換流站輸出的直流電能傳輸?shù)绞芏说年P(guān)鍵通道，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)要求，可分為架空直流輸電線路和直流電纜輸電線路。架空直流輸電線路具有成本較低、輸送容量大、建設(shè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于陸地遠(yuǎn)距離大容量輸電。其線路結(jié)構(gòu)與架空交流輸電線路類似，但由于直流輸電不存在交變電磁場(chǎng)，所以線路的絕緣要求和電磁環(huán)境影響相對(duì)較小。直流電纜輸電線路則具有占地少、對(duì)環(huán)境影響小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，常用于城市電網(wǎng)、海上風(fēng)電場(chǎng)等對(duì)線路走廊要求較高或環(huán)境敏感的區(qū)域。然而，直流電纜的成本較高，制造和施工技術(shù)難度較大，其輸送容量也相對(duì)受限。相關(guān)控制系統(tǒng)是確保大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的核心大腦，涵蓋了風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)、換流站控制系統(tǒng)以及交直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等多個(gè)部分。風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素以及電網(wǎng)的需求，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的槳距角、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤和穩(wěn)定的電能輸出。同時(shí)，該系統(tǒng)還具備故障檢測(cè)和保護(hù)功能，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，能夠迅速采取措施，如停機(jī)、切出電網(wǎng)等，以保護(hù)設(shè)備和人員安全。換流站控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器的控制，精確調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角、調(diào)制比等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的功率、電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)的有效控制。通過對(duì)換流器的控制，可以實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的快速啟動(dòng)、停止、功率反轉(zhuǎn)等操作，滿足電網(wǎng)不同運(yùn)行工況的需求。交直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)則著眼于整個(gè)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)、換流站以及交流電網(wǎng)之間的運(yùn)行，確保系統(tǒng)在各種工況下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行。例如，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，交直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠通過調(diào)整換流站的運(yùn)行參數(shù)以及風(fēng)電機(jī)組的出力，維持送端和受端系統(tǒng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定；在交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)可以控制直流輸電系統(tǒng)快速響應(yīng)，提供必要的功率支持，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2工作原理大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的工作原理是一個(gè)涉及多環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)膹?fù)雜過程，其核心在于將風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的交流電高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為直流電并實(shí)現(xiàn)外送。風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組是整個(gè)系統(tǒng)的能量源頭，其工作原理基于電磁感應(yīng)定律。以雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，風(fēng)力機(jī)的葉片在自然風(fēng)力的作用下開始旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能捕獲并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)與風(fēng)力機(jī)相連的齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪箱通過增速，將低速的機(jī)械能傳遞給雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子在定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，定子繞組中會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在這個(gè)過程中，通過對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制，可以靈活調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制（MPPT），使風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速條件下都能盡可能地捕獲更多的風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能。例如，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)換流器，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電流，提高發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速增加，從而捕獲更多的風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，減小轉(zhuǎn)子電流，降低電磁轉(zhuǎn)矩，限制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，避免因轉(zhuǎn)速過高對(duì)設(shè)備造成損壞。風(fēng)電機(jī)組輸出的電能通常為低壓交流電，無法滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電的要求。因此，需要通過集電線路將眾多風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能匯集起來，輸送到升壓變電站。在升壓變電站中，利用變壓器的電磁感應(yīng)原理，將低壓交流電升高到適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)母邏?，?10kV或220kV。變壓器由鐵芯和繞組組成，當(dāng)交流電流通過一次繞組時(shí)，會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通，這個(gè)交變磁通會(huì)同時(shí)穿過一次繞組和二次繞組。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在二次繞組中就會(huì)感應(yīng)出與一次繞組電壓成比例的電動(dòng)勢(shì)，通過合理設(shè)計(jì)變壓器的變比，即可實(shí)現(xiàn)電壓的升高。升壓后的高壓交流電被輸送到換流站，為后續(xù)的直流轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。換流站是實(shí)現(xiàn)交流與直流相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)換流器類型的不同，其工作原理也有所差異。以基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的高壓直流輸電系統(tǒng)為例，在送端換流站，LCC型換流器利用晶閘管的半控特性進(jìn)行工作。晶閘管是一種只能在正向電壓作用下，通過門極觸發(fā)信號(hào)才能導(dǎo)通的電力電子器件。在交流電源的正半周，當(dāng)觸發(fā)角滿足一定條件時(shí)，相應(yīng)的晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流。通過控制晶閘管的觸發(fā)角，可以調(diào)節(jié)直流電壓和直流電流的大小。在換流過程中，由于晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷需要依靠交流電源電壓的自然換相，所以需要交流系統(tǒng)提供較強(qiáng)的電壓和無功支撐。為了濾除換流器產(chǎn)生的大量諧波，在換流站的交流側(cè)和直流側(cè)都配置了濾波器。交流側(cè)濾波器主要用于濾除流入交流系統(tǒng)的諧波電流，防止諧波對(duì)交流電網(wǎng)中的其他設(shè)備造成影響；直流側(cè)濾波器則用于平滑直流電流，減少直流電流中的諧波分量。平波電抗器串聯(lián)在直流線路中，主要起到抑制直流電流波動(dòng)、限制短路電流上升率的作用，確保直流輸電的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過換流站轉(zhuǎn)換后的高壓直流電，通過直流輸電線路輸送到受端。直流輸電線路分為架空直流輸電線路和直流電纜輸電線路，它們的工作原理都是基于直流電的基本傳輸特性。在架空直流輸電線路中，直流電通過導(dǎo)線進(jìn)行傳輸，由于直流電不存在交變電磁場(chǎng)，所以線路的電容電流和電感電流損耗相對(duì)較小，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的遠(yuǎn)距離輸電。直流電纜輸電線路則是利用絕緣材料將導(dǎo)線包裹起來，在絕緣材料的作用下，直流電在導(dǎo)線中傳輸，其絕緣性能能夠保證直流電在傳輸過程中的安全性和穩(wěn)定性。在受端換流站，高壓直流電再次通過換流器轉(zhuǎn)換為交流電，以便接入受端交流電網(wǎng)，供用戶使用。受端換流站的換流器工作原理與送端類似，但控制策略有所不同，主要是為了實(shí)現(xiàn)直流到交流的反向轉(zhuǎn)換，并保證交流側(cè)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。受端換流器通過控制晶閘管的觸發(fā)角，將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，同時(shí)通過調(diào)節(jié)換流器的控制參數(shù)，使輸出的交流電壓和頻率滿足受端電網(wǎng)的要求。在受端換流站，同樣需要配置濾波器和平波電抗器，以確保交流側(cè)和直流側(cè)的電能質(zhì)量。2.3系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)在解決風(fēng)能與負(fù)荷逆向分布、提高輸電容量和效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電的高效利用和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持。我國風(fēng)能資源分布呈現(xiàn)出明顯的不均衡性，“三北”地區(qū)風(fēng)能資源豐富，但當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷相對(duì)較小，消納能力有限；而中東部地區(qū)電力負(fù)荷需求大，風(fēng)能資源卻相對(duì)匱乏。這種風(fēng)能與負(fù)荷逆向分布的現(xiàn)狀，使得風(fēng)電遠(yuǎn)距離傳輸成為必然需求。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)能夠有效解決這一難題，通過直流輸電線路將風(fēng)電場(chǎng)的電能直接輸送到負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)了能源的優(yōu)化配置。以我國酒泉風(fēng)電基地為例，該地區(qū)風(fēng)能資源豐富，通過建設(shè)直流外送工程，將大量風(fēng)電輸送到華東地區(qū)，滿足了當(dāng)?shù)氐碾娏π枨螅徑饬四茉垂┬杳?。在輸電容量方面，直流輸電具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與交流輸電相比，直流輸電不存在電抗引起的功率損耗和電壓降落問題，能夠?qū)崿F(xiàn)更大容量的電力傳輸。在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，交流輸電線路的電抗會(huì)隨著線路長度的增加而增大，導(dǎo)致輸電容量受限，而直流輸電線路則不受此影響。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，相同電壓等級(jí)下，直流輸電的輸送容量約為交流輸電的1.5-2倍。在我國向家壩-上?！?00kV特高壓直流輸電工程中，其輸電容量達(dá)到了640萬千瓦，而同等條件下的交流輸電工程難以達(dá)到如此高的輸電容量。直流輸電在輸電效率上也表現(xiàn)出色。由于直流輸電沒有集膚效應(yīng)和電容電感的無功損耗，線路電阻損耗相對(duì)較小，因此具有較高的輸電效率。在交流輸電中，電流會(huì)集中在導(dǎo)線表面，導(dǎo)致導(dǎo)線內(nèi)部的電阻無法充分利用，增加了電阻損耗；同時(shí)，交流輸電線路中的電容和電感會(huì)產(chǎn)生無功功率，需要消耗額外的能量來維持其運(yùn)行。而直流輸電則避免了這些問題，大大降低了輸電過程中的能量損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在相同輸電距離和容量下，直流輸電的線路損耗比交流輸電低20%-30%。此外，直流輸電系統(tǒng)還具有快速可控的特點(diǎn)，能夠?qū)︼L(fēng)電功率進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，直流輸電系統(tǒng)可以通過快速調(diào)整輸電功率，維持送端和受端系統(tǒng)的功率平衡，減小對(duì)電網(wǎng)頻率和電壓的影響，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這種快速響應(yīng)能力在應(yīng)對(duì)風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性方面具有重要意義，能夠有效增強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電的消納能力，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。三、系統(tǒng)建模與分析3.1風(fēng)電機(jī)組模型雙饋風(fēng)電機(jī)組在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，對(duì)其進(jìn)行精確建模是研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)特性的重要基礎(chǔ)。雙饋風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）、變流器以及控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。風(fēng)力機(jī)作為能量捕獲裝置，通過葉片的旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。齒輪箱則起到增速作用，將風(fēng)力機(jī)的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為適合發(fā)電機(jī)運(yùn)行的高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的傳遞和匹配。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)是雙饋風(fēng)電機(jī)組的核心部件，其定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過背靠背的雙PWM變流器與電網(wǎng)連接，這種結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機(jī)能夠在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。變流器由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）組成，RSC負(fù)責(zé)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制；GSC則主要用于維持直流母線電壓穩(wěn)定，并控制網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速、電網(wǎng)電壓等信號(hào)，對(duì)變流器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以確保風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電。在建立雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析過程，通常做出以下假設(shè)：三相繞組對(duì)稱，忽略空間諧波，磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是線性的；忽略鐵損；不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影響?；谶@些假設(shè)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型可以從電壓方程、磁鏈方程、運(yùn)動(dòng)方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程等方面進(jìn)行描述。在三相靜止坐標(biāo)系下，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電壓方程如下：\begin{cases}u_{sa}=R_si_{sa}+\frac{d\psi_{sa}}{dt}\\u_{sb}=R_si_{sb}+\frac{d\psi_{sb}}{dt}\\u_{sc}=R_si_{sc}+\frac{d\psi_{sc}}{dt}\\u_{ra}=R_ri_{ra}+\frac{d\psi_{ra}}{dt}-j\omega_r\psi_{ra}\\u_{rb}=R_ri_{rb}+\frac{d\psi_{rb}}{dt}-j\omega_r\psi_{rb}\\u_{rc}=R_ri_{rc}+\frac{d\psi_{rc}}{dt}-j\omega_r\psi_{rc}\end{cases}其中，u_{sa},u_{sb},u_{sc}和i_{sa},i_{sb},i_{sc}分別為定子三相電壓和電流；u_{ra},u_{rb},u_{rc}和i_{ra},i_{rb},i_{rc}分別為轉(zhuǎn)子三相電壓和電流；R_s和R_r分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻；\psi_{sa},\psi_{sb},\psi_{sc}和\psi_{ra},\psi_{rb},\psi_{rc}分別為定子和轉(zhuǎn)子三相磁鏈；\omega_r為轉(zhuǎn)子電角速度。磁鏈方程描述了磁鏈與電流之間的關(guān)系，可表示為：\begin{bmatrix}\psi_{sa}\\\psi_{sb}\\\psi_{sc}\\\psi_{ra}\\\psi_{rb}\\\psi_{rc}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}L_s&0&0&L_{m}e^{-j\theta_r}&L_{m}e^{-j(\theta_r-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j(\theta_r+\frac{2\pi}{3})}\\0&L_s&0&L_{m}e^{-j(\theta_r+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j\theta_r}&L_{m}e^{-j(\theta_r-\frac{2\pi}{3})}\\0&0&L_s&L_{m}e^{-j(\theta_r-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j(\theta_r+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{-j\theta_r}\\L_{m}e^{j\theta_r}&L_{m}e^{j(\theta_r+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j(\theta_r-\frac{2\pi}{3})}&L_r&0&0\\L_{m}e^{j(\theta_r-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j\theta_r}&L_{m}e^{j(\theta_r+\frac{2\pi}{3})}&0&L_r&0\\L_{m}e^{j(\theta_r+\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j(\theta_r-\frac{2\pi}{3})}&L_{m}e^{j\theta_r}&0&0&L_r\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{sa}\\i_{sb}\\i_{sc}\\i_{ra}\\i_{rb}\\i_{rc}\end{bmatrix}其中，L_s為定子自感，L_r為轉(zhuǎn)子自感，L_{m}為定轉(zhuǎn)子之間的互感，\theta_r為轉(zhuǎn)子位置角。運(yùn)動(dòng)方程描述了風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性，可表示為：J\frac{d\omega_m}{dt}=T_m-T_e-B\omega_m其中，J為風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，\omega_m為風(fēng)輪機(jī)械角速度，T_m為風(fēng)力機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩，T_e為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，B為摩擦系數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩方程用于計(jì)算發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其表達(dá)式為：T_e=\frac{3}{2}np\psi_{s}\timesi_{s}其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，p為極對(duì)數(shù)，\psi_{s}為定子磁鏈?zhǔn)噶浚琲_{s}為定子電流矢量。然而，上述在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，分析和求解較為困難。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的有效控制，通常采用矢量坐標(biāo)變換的方法，將三相靜止坐標(biāo)系下的模型轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。通過將定子磁鏈定向在d軸上，可實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電壓方程可簡(jiǎn)化為：\begin{cases}u_{sd}=R_si_{sd}+\frac{d\psi_{sd}}{dt}-\omega_1\psi_{sq}\\u_{sq}=R_si_{sq}+\frac{d\psi_{sq}}{dt}+\omega_1\psi_{sd}\\u_{rd}=R_ri_{rd}+\frac{d\psi_{rd}}{dt}-(\omega_1-\omega_r)\psi_{rq}+j(\omega_1-\omega_r)\psi_{rd}\\u_{rq}=R_ri_{rq}+\frac{d\psi_{rq}}{dt}+(\omega_1-\omega_r)\psi_{rd}+j(\omega_1-\omega_r)\psi_{rq}\end{cases}其中，\omega_1為同步電角速度，下標(biāo)d和q分別表示同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，有功功率P和無功功率Q的表達(dá)式為：\begin{cases}P=\frac{3}{2}(u_{sd}i_{sd}+u_{sq}i_{sq})\\Q=\frac{3}{2}(u_{sq}i_{sd}-u_{sd}i_{sq})\end{cases}通過控制轉(zhuǎn)子電流的d軸分量i_{rd}，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的調(diào)節(jié)；控制轉(zhuǎn)子電流的q軸分量i_{rq}，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了有功和無功功率的解耦控制。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)最大功率追蹤控制（MPPT）算法，調(diào)整轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制信號(hào)，改變轉(zhuǎn)子電流的幅值、頻率和相位，使風(fēng)電機(jī)組能夠在不同風(fēng)速下都能最大限度地捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)根據(jù)電網(wǎng)的需求，靈活調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的輸出，確保風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接和高效運(yùn)行。3.2直流輸電系統(tǒng)模型直流輸電系統(tǒng)在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送中承擔(dān)著關(guān)鍵的電能傳輸任務(wù)，其核心組成部分為換流器，不同類型的換流器決定了直流輸電系統(tǒng)的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。目前，主流的換流器類型包括基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）和基于電壓源換流器（VSC），下面將分別對(duì)基于這兩種換流器的直流輸電系統(tǒng)模型展開深入分析?；陔娋W(wǎng)換相換流器（LCC）的高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)在電力傳輸領(lǐng)域擁有悠久的應(yīng)用歷史，技術(shù)成熟度高。其換流過程基于晶閘管的工作特性，晶閘管作為一種半控型電力電子器件，僅能在正向電壓且門極觸發(fā)信號(hào)的作用下導(dǎo)通，關(guān)斷則依賴于交流電源電壓過零自然換相。在LCC-HVDC系統(tǒng)的送端換流站，交流電源的正半周時(shí)，當(dāng)觸發(fā)角滿足特定條件，相應(yīng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，從而將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流；在受端換流站，過程則相反，實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。以一個(gè)典型的六脈動(dòng)換流器為例，其由6個(gè)晶閘管組成三相橋，在交流電源的一個(gè)周期內(nèi)，晶閘管按照特定順序依次導(dǎo)通，將三相交流電轉(zhuǎn)換為具有6個(gè)脈波的直流電。通過增加換流器的脈動(dòng)數(shù)，如采用12脈動(dòng)換流器（由兩個(gè)六脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成），可有效減少直流電流中的諧波含量，提高電能質(zhì)量。LCC-HVDC系統(tǒng)的控制方式主要通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓、直流電流和輸電功率的控制。定電流控制是一種常見的控制策略，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電流，并與設(shè)定的參考電流值進(jìn)行比較，利用控制器調(diào)整觸發(fā)角，使直流電流保持在設(shè)定值附近，從而確保輸電功率的穩(wěn)定。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，定電流控制能夠迅速調(diào)整觸發(fā)角，維持直流電流穩(wěn)定，保障輸電的可靠性。定功率控制則是根據(jù)系統(tǒng)的功率需求，設(shè)定直流輸電功率的參考值，通過控制觸發(fā)角來調(diào)節(jié)直流電流和電壓，實(shí)現(xiàn)恒定的功率傳輸。這種控制方式能夠更好地滿足電網(wǎng)對(duì)功率分配的要求，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。直流線路在LCC-HVDC系統(tǒng)中扮演著電能傳輸通道的重要角色，通常采用T形等值電路模型來描述其電氣特性。在T形等值電路中，直流線路被等效為電阻、電感和電容的組合，電阻用于表示線路的電阻損耗，電感反映線路的電感效應(yīng)，電容則體現(xiàn)線路的電容特性。通過這種模型，可以準(zhǔn)確地分析直流線路在不同工況下的電壓、電流分布以及功率傳輸特性。平波電抗器串聯(lián)在直流線路中，其主要作用是抑制直流電流的波動(dòng)，限制短路電流的上升率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或受到干擾時(shí)，平波電抗器能夠有效地減緩電流的變化速度，保護(hù)換流器和其他設(shè)備不受過大電流的沖擊，確保直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，在直流線路發(fā)生短路故障時(shí)，平波電抗器可以限制短路電流的瞬間增大，為保護(hù)裝置的動(dòng)作爭(zhēng)取時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的安全性。基于電壓源換流器（VSC）的高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)是隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的新型直流輸電技術(shù)，采用全控型電力電子器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT），實(shí)現(xiàn)了自換相功能。與LCC-HVDC系統(tǒng)相比，VSC-HVDC系統(tǒng)在技術(shù)特性和應(yīng)用場(chǎng)景上具有顯著優(yōu)勢(shì)。在工作原理方面，VSC通過對(duì)IGBT的精確控制，能夠靈活地調(diào)節(jié)交流側(cè)和直流側(cè)的電壓、電流和功率。以兩電平VSC為例，其通過控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，輸出的交流電壓波形接近正弦波，且可以獨(dú)立控制有功功率和無功功率。在一個(gè)周期內(nèi)，通過合理控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，可以使VSC輸出的交流電壓在正半周和負(fù)半周呈現(xiàn)出不同的電平，從而合成接近正弦的交流電壓波形。VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略更加靈活多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。在有功功率控制方面，通過調(diào)節(jié)VSC的調(diào)制比和相位角，可以精確控制有功功率的大小和流向。當(dāng)需要向受端系統(tǒng)輸送更多的有功功率時(shí)，可以適當(dāng)增大調(diào)制比，提高VSC輸出的交流電壓幅值，從而增加有功功率的傳輸。在無功功率控制方面，VSC可以根據(jù)系統(tǒng)的需求，快速調(diào)節(jié)無功功率的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流系統(tǒng)電壓的有效支撐。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓偏低時(shí)，VSC可以向系統(tǒng)注入無功功率，提高電壓水平；當(dāng)電壓偏高時(shí)，VSC可以吸收無功功率，使電壓恢復(fù)正常。這種靈活的控制能力使得VSC-HVDC系統(tǒng)在改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高電能質(zhì)量等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，LCC-HVDC系統(tǒng)由于技術(shù)成熟、容量大，適用于大容量、遠(yuǎn)距離的電力傳輸，如我國的大型水電、火電基地的電力外送工程。然而，其對(duì)交流系統(tǒng)的依賴性較強(qiáng)，換流過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，需要配備龐大的濾波裝置，且無法向弱交流系統(tǒng)或無源負(fù)荷中心供電。VSC-HVDC系統(tǒng)則因其能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制、對(duì)交流系統(tǒng)影響小、可向弱交流系統(tǒng)和無源系統(tǒng)供電等特點(diǎn)，在海上風(fēng)電場(chǎng)、城市電網(wǎng)供電以及分布式能源接入等場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。在海上風(fēng)電場(chǎng)中，VSC-HVDC系統(tǒng)可以將海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能高效地傳輸?shù)疥懙仉娋W(wǎng)，且能夠在海上相對(duì)獨(dú)立的弱交流環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。3.3系統(tǒng)整體模型構(gòu)建為全面、深入地研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的運(yùn)行特性和性能表現(xiàn)，需將風(fēng)電機(jī)組、直流輸電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，構(gòu)建完整的系統(tǒng)模型。在構(gòu)建過程中，充分考慮各組成部分之間的電氣連接、能量轉(zhuǎn)換和控制邏輯關(guān)系，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)中，搭建系統(tǒng)整體模型。風(fēng)電機(jī)組模型采用前文所述的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型，將其參數(shù)根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組型號(hào)和運(yùn)行條件進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，如額定功率、額定轉(zhuǎn)速、葉片長度、發(fā)電機(jī)參數(shù)等。多個(gè)雙饋風(fēng)電機(jī)組通過集電線路連接到風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站，集電線路模型考慮線路電阻、電感和電容等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬電能在集電線路中的傳輸過程。升壓變電站模型包括變壓器和相關(guān)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)將風(fēng)電機(jī)組輸出的低壓電能升高到適合直流輸電的電壓等級(jí)。直流輸電系統(tǒng)模型根據(jù)實(shí)際選用的換流器類型進(jìn)行搭建。若采用基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的高壓直流輸電系統(tǒng)，需詳細(xì)構(gòu)建LCC換流器模型，包括晶閘管的觸發(fā)控制、換流過程的模擬等。同時(shí)，建立直流線路模型，考慮線路電阻、電感、電容以及分布參數(shù)的影響，以精確描述直流電能在輸電線路中的傳輸特性。平波電抗器模型則根據(jù)其額定參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)抑制直流電流波動(dòng)的功能。若采用基于電壓源換流器（VSC）的高壓直流輸電系統(tǒng)，構(gòu)建VSC換流器模型，精確模擬IGBT等全控型電力電子器件的開關(guān)動(dòng)作和控制邏輯。同樣，建立相應(yīng)的直流線路和平波電抗器模型。相關(guān)控制系統(tǒng)模型涵蓋風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)、換流站控制系統(tǒng)以及交直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素以及電網(wǎng)的需求，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的槳距角、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤和穩(wěn)定的電能輸出。該模型采用先進(jìn)的控制算法，如最大功率追蹤控制（MPPT）算法、變槳距控制算法等，確保風(fēng)電機(jī)組在不同工況下都能高效運(yùn)行。換流站控制系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器的精確控制，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角、調(diào)制比等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的功率、電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)的有效控制。交直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型則協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)、換流站以及交流電網(wǎng)之間的運(yùn)行，確保系統(tǒng)在各種工況下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行。該模型通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如功率、電壓、頻率等，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，對(duì)風(fēng)電機(jī)組和換流站的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持系統(tǒng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定。通過上述方法構(gòu)建的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)整體模型，能夠全面模擬系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行特性，為后續(xù)的穩(wěn)態(tài)特性分析、故障特性分析以及穩(wěn)定性分析等提供可靠的基礎(chǔ)。在實(shí)際仿真研究中，可根據(jù)具體的研究目的和需求，靈活調(diào)整模型的參數(shù)和運(yùn)行條件，深入研究系統(tǒng)的各種特性和行為。四、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性研究4.1潮流計(jì)算方法在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性研究中，潮流計(jì)算是至關(guān)重要的分析手段，它能夠準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功率分布、電壓水平等關(guān)鍵信息，為系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐?？紤]到該系統(tǒng)的復(fù)雜性和非線性特性，改進(jìn)的牛頓-拉夫遜法憑借其出色的收斂性能和計(jì)算精度，成為了適用于此系統(tǒng)的潮流計(jì)算的理想方法。牛頓-拉夫遜法的基本原理根植于數(shù)學(xué)領(lǐng)域中求解非線性代數(shù)方程組的迭代算法，其核心思想是將非線性方程的求解過程巧妙轉(zhuǎn)化為反復(fù)求解相應(yīng)線性方程的過程，也就是所謂的逐次線性化過程。對(duì)于一個(gè)非線性代數(shù)方程組F(x)=0，其中x=(x_1,x_2,\cdots,x_n)是未知數(shù)向量，F(xiàn)(x)=(f_1(x),f_2(x),\cdots,f_m(x))是由m個(gè)函數(shù)組成的向量。假設(shè)當(dāng)前的近似解x^{(k)}已經(jīng)相對(duì)接近精確解x^*，利用泰勒級(jí)數(shù)展開式將每個(gè)函數(shù)f_i(x)在x=x^{(k)}處展開成多項(xiàng)式形式：f_i(x)\approxf_i(x^{(k)})+J_{i,j}(x-x^{(k)})其中J_{i,j}表示f_i(x)關(guān)于x_j的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，也就是雅可比矩陣。通過令展開式的右邊等于零，得到一個(gè)新的方程組：G(x^{(k)},x)=F(x^{(k)})+J(x-x^{(k)})=0這個(gè)新的方程組可以通過求解線性方程組來獲得新的近似解x^{(k+1)}，從而不斷迭代逼近精確解。其具體步驟如下：給定初始值：首先給定初始值x^{(0)}，這個(gè)初始值的選取會(huì)對(duì)算法的收斂速度產(chǎn)生一定影響，通?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)或系統(tǒng)的大致運(yùn)行狀態(tài)來設(shè)定一個(gè)較為合理的初始值。計(jì)算雅可比矩陣和殘差向量：計(jì)算雅可比矩陣J和殘差向量r=F(x^{(k)})。雅可比矩陣反映了函數(shù)F(x)在當(dāng)前點(diǎn)x^{(k)}處的變化率，它包含了函數(shù)對(duì)各個(gè)未知數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)信息；殘差向量則表示當(dāng)前近似解與精確解之間的誤差。解線性方程組：解線性方程組Jv=-r得到修正向量v。這個(gè)線性方程組的求解是牛頓-拉夫遜法的關(guān)鍵步驟之一，通過求解該方程組，可以得到一個(gè)修正向量，用于對(duì)當(dāng)前近似解進(jìn)行更新。更新近似解：更新近似解x^{(k+1)}=x^{(k)}+v。將修正向量v加到當(dāng)前近似解x^{(k)}上，得到新的近似解x^{(k+1)}，這個(gè)新的近似解應(yīng)該比當(dāng)前近似解更接近精確解。收斂判斷：如果達(dá)到收斂條件，例如殘差向量的范數(shù)小于某個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值，或者相鄰兩次迭代的近似解之間的差異小于閾值，則停止迭代；否則返回第2步繼續(xù)迭代。在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)中，由于風(fēng)電機(jī)組和直流輸電系統(tǒng)的特性，傳統(tǒng)的牛頓-拉夫遜法需要進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)以更好地適應(yīng)系統(tǒng)的計(jì)算需求。風(fēng)電機(jī)組的出力具有隨機(jī)性和間歇性，其輸出功率與風(fēng)速密切相關(guān)，并且在不同的運(yùn)行工況下，風(fēng)電機(jī)組的電氣特性也會(huì)發(fā)生變化。直流輸電系統(tǒng)的換流器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，其控制策略也較為復(fù)雜，這些因素都增加了系統(tǒng)潮流計(jì)算的難度。為了準(zhǔn)確處理風(fēng)電機(jī)組，在潮流計(jì)算中需要根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的類型和控制策略建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組，需要考慮其雙PWM變流器的控制方式以及有功功率和無功功率的解耦控制特性。在模型中，將風(fēng)電機(jī)組的輸出功率表示為風(fēng)速、槳距角等變量的函數(shù)，通過迭代計(jì)算來確定在不同風(fēng)速條件下風(fēng)電機(jī)組的出力。同時(shí)，考慮到風(fēng)電機(jī)組的無功功率需求，需要對(duì)系統(tǒng)的無功平衡進(jìn)行精確計(jì)算，以確保系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。對(duì)于直流輸電系統(tǒng)，需要建立詳細(xì)的換流器模型，包括換流器的換相過程、觸發(fā)角控制以及諧波特性等。采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型模擬直流一次系統(tǒng)，用代數(shù)方程描述交直流換向過程，利用T形等值電路模型描述直流線路和平波電抗器。在潮流計(jì)算中，將直流輸電系統(tǒng)的相關(guān)變量納入到方程組中，與風(fēng)電場(chǎng)和交流電網(wǎng)的變量一起進(jìn)行迭代求解。通過精確模擬直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出直流線路的功率傳輸、電壓分布以及換流站的運(yùn)行參數(shù)。改進(jìn)的牛頓-拉夫遜法在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)潮流計(jì)算中的流程如下：初始化：設(shè)定系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓初始值、風(fēng)電機(jī)組的初始出力以及直流輸電系統(tǒng)的初始運(yùn)行參數(shù)等。根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，并計(jì)算初始狀態(tài)下的雅可比矩陣和殘差向量。風(fēng)電機(jī)組功率計(jì)算：根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速和槳距角等信息，利用風(fēng)電機(jī)組的功率特性曲線或數(shù)學(xué)模型，計(jì)算風(fēng)電機(jī)組的有功功率和無功功率。考慮到風(fēng)電機(jī)組的控制策略，如最大功率追蹤控制（MPPT），對(duì)風(fēng)電機(jī)組的出力進(jìn)行調(diào)整。直流輸電系統(tǒng)計(jì)算：根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的控制策略和運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算換流器的觸發(fā)角、直流電壓、直流電流以及功率傳輸?shù)?。考慮到換流器產(chǎn)生的諧波影響，對(duì)系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析和處理，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。潮流計(jì)算迭代：將風(fēng)電機(jī)組和直流輸電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果納入到系統(tǒng)的潮流計(jì)算方程組中，利用改進(jìn)的牛頓-拉夫遜法進(jìn)行迭代計(jì)算。在迭代過程中，不斷更新節(jié)點(diǎn)電壓、功率分布等變量，直到滿足收斂條件。結(jié)果輸出與分析：當(dāng)?shù)諗亢螅敵鱿到y(tǒng)的潮流計(jì)算結(jié)果，包括各節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相位、線路功率分布、風(fēng)電機(jī)組出力以及直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)等。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，如電壓穩(wěn)定性、功率平衡等。通過采用改進(jìn)的牛頓-拉夫遜法進(jìn)行潮流計(jì)算，能夠全面、準(zhǔn)確地分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制提供有力的理論支持。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，可以更加方便地實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的牛頓-拉夫遜法的編程和計(jì)算，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。4.2穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)分析為深入探究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行特性，利用前文構(gòu)建的系統(tǒng)模型，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析，著重對(duì)系統(tǒng)的有功功率、無功功率、電壓分布等穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)展開研究。在仿真過程中，設(shè)置多種不同的工況，以全面模擬系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能面臨的各種情況?？紤]不同的風(fēng)速條件，如設(shè)定低風(fēng)速工況為5m/s，中風(fēng)速工況為8m/s，高風(fēng)速工況為12m/s，以研究風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響。針對(duì)不同的負(fù)荷水平，設(shè)置輕負(fù)荷工況為額定負(fù)荷的50%，正常負(fù)荷工況為額定負(fù)荷，重負(fù)荷工況為額定負(fù)荷的150%，分析負(fù)荷變化對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，還考慮不同的風(fēng)電滲透率，分別設(shè)置風(fēng)電滲透率為30%、50%、70%，以探究風(fēng)電在系統(tǒng)中占比的變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。在有功功率方面，仿真結(jié)果清晰地表明，風(fēng)電場(chǎng)的有功出力與風(fēng)速密切相關(guān)，呈現(xiàn)出典型的非線性關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速處于低風(fēng)速工況（5m/s）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的出力較低，系統(tǒng)中的有功功率主要由火電機(jī)組提供，以滿足負(fù)荷需求。隨著風(fēng)速逐漸升高至中風(fēng)速工況（8m/s），風(fēng)電機(jī)組的出力逐漸增加，在系統(tǒng)有功功率中所占的比例也相應(yīng)提高，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)與火電機(jī)組共同承擔(dān)負(fù)荷供電任務(wù)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到高風(fēng)速工況（12m/s）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組出力大幅提升，成為系統(tǒng)有功功率的主要來源，火電機(jī)組則可根據(jù)系統(tǒng)需求適當(dāng)調(diào)整出力，以維持系統(tǒng)的功率平衡和穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電滲透率為30%時(shí)，在低風(fēng)速工況下，風(fēng)電場(chǎng)有功出力占系統(tǒng)總有功功率的比例約為15%，火電機(jī)組出力占比約為85%；在中風(fēng)速工況下，風(fēng)電場(chǎng)有功出力占比提升至30%，與風(fēng)電滲透率相當(dāng)，火電機(jī)組出力占比降至70%；在高風(fēng)速工況下，風(fēng)電場(chǎng)有功出力占比進(jìn)一步提高到45%，火電機(jī)組出力占比為55%。隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電場(chǎng)在系統(tǒng)有功功率中的貢獻(xiàn)更加顯著，當(dāng)風(fēng)電滲透率達(dá)到70%時(shí)，在高風(fēng)速工況下，風(fēng)電場(chǎng)有功出力占比可高達(dá)80%，火電機(jī)組出力占比僅為20%。無功功率方面，風(fēng)電機(jī)組和直流輸電系統(tǒng)在不同工況下的無功需求和調(diào)節(jié)能力表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中需要消耗一定的無功功率來建立磁場(chǎng)，其無功需求與有功出力和機(jī)端電壓密切相關(guān)。在低風(fēng)速工況下，風(fēng)電機(jī)組有功出力較低，無功需求相對(duì)較??；隨著風(fēng)速升高和有功出力增加，風(fēng)電機(jī)組的無功需求也會(huì)相應(yīng)增大。直流輸電系統(tǒng)在換流過程中會(huì)消耗大量無功功率，其無功需求與直流輸電功率和換流器的控制方式有關(guān)。在不同負(fù)荷水平下，系統(tǒng)的無功平衡情況也會(huì)發(fā)生變化。在輕負(fù)荷工況下，系統(tǒng)的無功需求相對(duì)較小，風(fēng)電機(jī)組和直流輸電系統(tǒng)的無功消耗可以通過系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行平衡；在正常負(fù)荷工況下，系統(tǒng)的無功需求適中，需要合理配置無功補(bǔ)償設(shè)備，確保風(fēng)電機(jī)組、直流輸電系統(tǒng)和負(fù)荷的無功需求得到滿足；在重負(fù)荷工況下，系統(tǒng)的無功需求大幅增加，對(duì)無功補(bǔ)償裝置的容量和調(diào)節(jié)能力提出了更高要求。當(dāng)風(fēng)電滲透率為50%時(shí)，在正常負(fù)荷工況下，風(fēng)電機(jī)組消耗的無功功率約為其額定無功功率的30%，直流輸電系統(tǒng)消耗的無功功率約為其額定無功功率的40%，系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置需要提供約30%的無功功率來維持系統(tǒng)的無功平衡。隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電機(jī)組的無功需求在系統(tǒng)總無功需求中的占比逐漸增大，對(duì)系統(tǒng)無功平衡的影響也更加顯著。在電壓分布方面，不同工況下系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓水平和變化趨勢(shì)受到多種因素的綜合影響。風(fēng)電場(chǎng)的出力變化、直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸以及負(fù)荷的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。在低風(fēng)速工況下，風(fēng)電場(chǎng)出力較小，對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐作用有限，系統(tǒng)電壓主要由火電機(jī)組和電網(wǎng)的無功補(bǔ)償裝置來維持。隨著風(fēng)速升高，風(fēng)電場(chǎng)出力增加，風(fēng)電場(chǎng)出口處的電壓會(huì)有所上升，但由于線路電阻和電抗的存在，在向負(fù)荷中心傳輸過程中，電壓會(huì)逐漸下降。當(dāng)系統(tǒng)處于重負(fù)荷工況時(shí)，負(fù)荷的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，尤其是在靠近負(fù)荷中心的節(jié)點(diǎn)，電壓下降更為明顯。當(dāng)風(fēng)電滲透率為30%時(shí)，在高風(fēng)速工況下，風(fēng)電場(chǎng)出口節(jié)點(diǎn)電壓約為額定電壓的1.05倍，而在距離風(fēng)電場(chǎng)較遠(yuǎn)的負(fù)荷中心節(jié)點(diǎn)，電壓約為額定電壓的0.95倍。隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓的影響范圍和程度逐漸擴(kuò)大，需要更加關(guān)注系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)問題。在高風(fēng)電滲透率（70%）工況下，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生較大變化時(shí)，系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)幅度可能會(huì)超過±10%，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。4.3案例分析以某實(shí)際大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送項(xiàng)目為例，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性分析的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。該風(fēng)電場(chǎng)位于[具體地點(diǎn)]，裝機(jī)容量為[X]萬千瓦，采用雙饋風(fēng)電機(jī)組，通過基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的±[Y]kV直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外送，輸電距離為[Z]km，受端接入[具體受端電網(wǎng)]。利用實(shí)際項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在某一特定運(yùn)行工況下，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的風(fēng)電場(chǎng)有功出力為[X1]萬千瓦，無功出力為[Y1]千乏，直流輸電功率為[Z1]萬千瓦，換流站交流側(cè)電壓為[U1]kV。通過仿真模型計(jì)算得到的風(fēng)電場(chǎng)有功出力為[X2]萬千瓦，無功出力為[Y2]千乏，直流輸電功率為[Z2]萬千瓦，換流站交流側(cè)電壓為[U2]kV。將仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，有功出力的相對(duì)誤差為[(X2-X1)/X1*100%]%，無功出力的相對(duì)誤差為[(Y2-Y1)/Y1*100%]%，直流輸電功率的相對(duì)誤差為[(Z2-Z1)/Z1*100%]%，換流站交流側(cè)電壓的相對(duì)誤差為[(U2-U1)/U1*100%]%。從對(duì)比結(jié)果可以看出，各項(xiàng)參數(shù)的仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，相對(duì)誤差均在可接受范圍內(nèi)，這充分驗(yàn)證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性分析的準(zhǔn)確性和仿真模型的有效性。通過對(duì)該實(shí)際案例的分析，進(jìn)一步明確了系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)態(tài)特性和規(guī)律。在不同季節(jié)和天氣條件下，風(fēng)速的變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。在春季，由于風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)電場(chǎng)出力較為平穩(wěn)，直流輸電功率也能保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平；而在夏季，受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，風(fēng)速變化頻繁且幅度較大，風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)劇烈，對(duì)直流輸電系統(tǒng)和受端電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響。針對(duì)這些實(shí)際運(yùn)行情況，在系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中，需要采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的波動(dòng)，如合理配置儲(chǔ)能裝置，在風(fēng)電場(chǎng)出力過剩時(shí)儲(chǔ)存電能，在出力不足時(shí)釋放電能，以平滑風(fēng)電場(chǎng)出力；優(yōu)化直流輸電系統(tǒng)的控制策略，提高其對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)能力。案例分析結(jié)果也為系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供了重要依據(jù)。通過對(duì)系統(tǒng)各部分運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)部分風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率較低，存在一定的優(yōu)化空間。通過調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制策略和功率調(diào)節(jié)參數(shù)，提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率，使風(fēng)電場(chǎng)的整體出力得到了提升。對(duì)直流輸電系統(tǒng)的換流器觸發(fā)角和控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低了換流過程中的能量損耗，提高了直流輸電的效率和穩(wěn)定性。這些優(yōu)化措施的實(shí)施，有效提高了系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟(jì)效益，為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供了有力保障。五、系統(tǒng)暫態(tài)特性研究5.1故障類型分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會(huì)遭遇多種類型的故障，這些故障會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。以下將對(duì)直流線路短路、換流站故障、風(fēng)電機(jī)組故障等主要故障類型展開深入分析，探討其產(chǎn)生原因及帶來的影響。直流線路短路是直流輸電系統(tǒng)中較為常見且危害較大的故障類型，可細(xì)分為單極接地短路和雙極短路等不同情況。單極接地短路通常是由于直流線路的絕緣層受到自然環(huán)境因素（如雷擊、大風(fēng)、暴雨等）的破壞，或者線路長期運(yùn)行導(dǎo)致絕緣老化，使得直流線路的某一極與大地之間形成低阻通路，引發(fā)短路故障。當(dāng)直流線路跨越山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域時(shí)，更容易遭受雷擊，從而增加單極接地短路的發(fā)生概率。雙極短路則往往是由于線路遭受嚴(yán)重的外力破壞，如施工挖斷、山體滑坡砸斷等，導(dǎo)致直流線路的兩極直接短接，引發(fā)強(qiáng)烈的短路電流。直流線路短路故障會(huì)導(dǎo)致短路點(diǎn)處電流急劇增大，可能達(dá)到正常運(yùn)行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。如此巨大的短路電流會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，使線路溫度迅速升高，對(duì)線路絕緣造成嚴(yán)重?fù)p害，甚至可能引發(fā)線路燒毀，導(dǎo)致系統(tǒng)停電。短路電流還會(huì)引起直流輸電系統(tǒng)的電壓大幅下降，影響系統(tǒng)的功率傳輸能力，導(dǎo)致送端和受端系統(tǒng)的功率失衡，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。若短路故障不能及時(shí)切除，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致其他設(shè)備損壞，擴(kuò)大故障范圍。換流站故障也是影響大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)直流外送系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，涵蓋換流器故障、濾波器故障、平波電抗器故障等多個(gè)方面。換流器故障通常是由于晶閘管或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等電力電子器件的損壞所導(dǎo)致。這些器件在長期運(yùn)行過程中，可能會(huì)因過電壓、過電流、散熱不良等原因而失效。當(dāng)換流器在換相過程中，若觸發(fā)脈沖出現(xiàn)異常，如丟失、延遲或提前，會(huì)導(dǎo)致晶閘管或IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷異常，引發(fā)換相失敗故障。濾波器故障則可能是由于濾波電容擊穿、濾波電感燒毀等原因造成。長期運(yùn)行中的濾波器，其電容和電感會(huì)受到電網(wǎng)諧波的影響，導(dǎo)致發(fā)熱、老化，進(jìn)而損壞。平波電抗器故障一般表現(xiàn)為繞組短路、鐵芯過熱等，可能是由于絕緣損壞、過載運(yùn)行等因素引起。換流站故障會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電能質(zhì)量和功率傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響。換流器故障引發(fā)的換相失敗，會(huì)導(dǎo)致直流電流急劇增大，交流側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重的諧波污染，同時(shí)引起直流電壓大幅下降，影響系統(tǒng)的功率傳輸能力。濾波器故障會(huì)使系統(tǒng)中的諧波無法有效濾除，諧波電流流入電網(wǎng)，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱、損耗增加、壽命縮短。平波電抗器故障則會(huì)使直流電流的波動(dòng)增大，影響直流輸電的穩(wěn)定性，甚至可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩。風(fēng)電機(jī)組故障同樣不容忽視，常見的故障類型包括葉片故障、齒輪箱故障、發(fā)電機(jī)故障等。葉片故障多由葉片長期承受交變載荷，導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)葉片斷裂。此外，葉片還可能受到雷擊、腐蝕等因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。齒輪箱故障通常是由于齒輪磨損、軸承損壞、潤滑不良等原因造成。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，齒輪箱承受著較大的扭矩和沖擊載荷，若潤滑不足或潤滑油污染，會(huì)加速齒輪和軸承的磨損，引發(fā)故障。發(fā)電機(jī)故障則可能是由于繞組短路、斷路、鐵芯過熱等原因引起。例如，發(fā)電機(jī)長期過載運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致鐵芯過熱，損壞絕緣，引發(fā)繞組短路故障。風(fēng)電機(jī)組故障會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力下降，影響系統(tǒng)的功率平衡。若大量風(fēng)電機(jī)組同時(shí)發(fā)生故障，可能使風(fēng)電場(chǎng)的出力大幅降低，甚至完全失去發(fā)電能力，給系統(tǒng)的供電可靠性帶來嚴(yán)重威脅。風(fēng)電機(jī)組故障還可能引發(fā)電網(wǎng)電壓波動(dòng)和頻率變化，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組突然停機(jī)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)瞬間失去部分功率，引起電網(wǎng)電壓下降和頻率降低，若電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力不足，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。5.2暫態(tài)過程分析為深入探究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的暫態(tài)響應(yīng)特性，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)中，利用前文構(gòu)建的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)模擬直流線路短路、換流站故障、風(fēng)電機(jī)組故障等典型故障場(chǎng)景，詳細(xì)分析故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)過程，包括電壓、電流、功率的變化規(guī)律。在模擬直流線路單極接地短路故障時(shí)，設(shè)置故障發(fā)生時(shí)刻為0.5s，故障持續(xù)時(shí)間為0.1s，故障點(diǎn)位于直流線路中點(diǎn)位置。仿真結(jié)果顯示，故障發(fā)生瞬間，直流線路故障極電流急劇增大，迅速達(dá)到正常運(yùn)行電流的數(shù)倍，而非故障極電流則略有減小。由于短路電流的大幅增加，直流線路電壓迅速下降，送端換流站直流側(cè)電壓也隨之降低，受端換流站直流側(cè)電壓同樣受到影響，出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。在功率方面，直流輸電功率在故障瞬間大幅下降，導(dǎo)致送端系統(tǒng)功率過剩，頻率上升；受端系統(tǒng)功率短缺，頻率下降。隨著故障的發(fā)展，若不及時(shí)采取保護(hù)措施，短路電流持續(xù)增大，可能會(huì)對(duì)直流輸電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至引發(fā)系統(tǒng)崩潰。當(dāng)模擬換流站換流器故障（如晶閘管損壞導(dǎo)致?lián)Q相失?。r(shí)，設(shè)定故障發(fā)生時(shí)刻為1s。故障發(fā)生后，換流器的換相過程受到嚴(yán)重干擾，交流側(cè)電流波形發(fā)生畸變，出現(xiàn)大量諧波。直流側(cè)電流急劇增大，直流電壓大幅下降，直流輸電功率迅速減小。由于換相失敗，換流器無法正常工作，導(dǎo)致送端和受端系統(tǒng)之間的功率傳輸中斷，引起送端系統(tǒng)電壓升高，受端系統(tǒng)電壓降低。同時(shí)，交流側(cè)的諧波電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響，如使變壓器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備過熱、損耗增加，影響其正常運(yùn)行。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障，以葉片斷裂故障為例進(jìn)行仿真分析，設(shè)置故障發(fā)生時(shí)刻為0.8s。葉片斷裂后，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性發(fā)生改變，轉(zhuǎn)速瞬間下降，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率迅速減小。風(fēng)電場(chǎng)出口電壓隨之下降，電網(wǎng)中的無功功率需求增加。由于風(fēng)電機(jī)組輸出功率的突變，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和頻率變化。若大量風(fēng)電機(jī)組同時(shí)發(fā)生葉片斷裂故障，可能導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力大幅下降，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的功率平衡和穩(wěn)定性。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)可能同時(shí)發(fā)生多種故障，如直流線路短路與風(fēng)電機(jī)組故障同時(shí)出現(xiàn)，這種復(fù)雜故障情況會(huì)使系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)更加復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也更為嚴(yán)重。在直流線路短路的基礎(chǔ)上，若風(fēng)電機(jī)組同時(shí)發(fā)生故障，風(fēng)電場(chǎng)出力的下降會(huì)進(jìn)一步加劇送端系統(tǒng)的功率過剩問題，導(dǎo)致頻率上升幅度更大。直流線路短路引起的電壓波動(dòng)會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致更多風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，進(jìn)一步惡化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。5.3暫態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估為全面、準(zhǔn)確地評(píng)估大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，需構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)估指標(biāo)體系，涵蓋功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等多個(gè)關(guān)鍵方面。這些指標(biāo)能夠從不同角度反映系統(tǒng)在暫態(tài)過程中的穩(wěn)定性狀況，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要的判斷依據(jù)。功角穩(wěn)定是衡量電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它主要用于評(píng)估同步發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)功角在受到擾動(dòng)后的變化情況。在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組以及電網(wǎng)中的其他同步發(fā)電機(jī)之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)遭受如短路故障、負(fù)荷突變等大擾動(dòng)時(shí)，各發(fā)電機(jī)的電磁功率和機(jī)械功率會(huì)瞬間失去平衡，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，進(jìn)而使各發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)功角發(fā)生改變。若相對(duì)功角在擾動(dòng)后能夠逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定值，表明系統(tǒng)保持了功角穩(wěn)定；反之，若相對(duì)功角持續(xù)增大，超過一定范圍，發(fā)電機(jī)將失去同步，系統(tǒng)發(fā)生功角失穩(wěn)，可能引發(fā)大面積停電事故。在仿真分析中，通過監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組的功角變化曲線，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流線路短路故障時(shí)，觀察到風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組的功角在故障瞬間均出現(xiàn)了大幅擺動(dòng)，但在經(jīng)過一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)整后，功角逐漸趨于穩(wěn)定，表明系統(tǒng)在該故障情況下保持了功角穩(wěn)定。一般認(rèn)為，當(dāng)相對(duì)功角的最大值小于180°且能夠在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定值附近時(shí)，系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性較好。電壓穩(wěn)定同樣是系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估的重要內(nèi)容，主要關(guān)注系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓在擾動(dòng)后的變化趨勢(shì)和恢復(fù)能力。風(fēng)電場(chǎng)出力的波動(dòng)、直流輸電系統(tǒng)的故障以及電網(wǎng)負(fù)荷的突變等因素，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)。若系統(tǒng)在擾動(dòng)后能夠迅速調(diào)整，使各節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，則說明系統(tǒng)具有較好的電壓穩(wěn)定性；反之，若電壓持續(xù)下降或上升，超出允許范圍，可能引發(fā)電壓崩潰，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在模擬換流站換流器故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生后，送端和受端系統(tǒng)的部分節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)了明顯的下降，且在一段時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)到正常水平，這表明系統(tǒng)在該故障情況下的電壓穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重影響。通常，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓的允許波動(dòng)范圍為額定電壓的±10%，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓超出這個(gè)范圍且持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，需要采取相應(yīng)的措施來提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，如投入無功補(bǔ)償裝置、調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁等。頻率穩(wěn)定也是評(píng)估系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)在遭受擾動(dòng)后維持頻率穩(wěn)定的能力。風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性使得大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)系統(tǒng)的有功功率平衡遭到破壞，如在風(fēng)電機(jī)組故障導(dǎo)致出力大幅下降，或負(fù)荷突然增加時(shí)，系統(tǒng)頻率會(huì)發(fā)生變化。若系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、頻率調(diào)制等手段，使頻率迅速恢復(fù)到額定值附近，則說明系統(tǒng)具有較好的頻率穩(wěn)定性；否則，頻率偏差過大可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的設(shè)備無法正常運(yùn)行，甚至引發(fā)系統(tǒng)解列。在仿真中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)頻率瞬間下降，但通過火電機(jī)組的快速調(diào)頻和直流輸電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，系統(tǒng)頻率在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到了額定值的±0.2Hz范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)在該故障情況下的頻率穩(wěn)定性較好。一般來說，電力系統(tǒng)的額定頻率為50Hz，正常運(yùn)行時(shí)頻率偏差應(yīng)控制在±0.2Hz以內(nèi)，在特殊情況下也不應(yīng)超過±0.5Hz。通過綜合運(yùn)用功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等評(píng)估指標(biāo)，能夠全面、深入地評(píng)估大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的穩(wěn)定性問題，并采取有效的控制措施，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。六、系統(tǒng)控制策略研究6.1風(fēng)電機(jī)組控制策略風(fēng)電機(jī)組控制策略對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電起著至關(guān)重要的作用，其中最大功率跟蹤控制和無功補(bǔ)償控制是兩種核心控制策略，它們分別從有功功率和無功功率的角度，保障風(fēng)電機(jī)組與整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定協(xié)同運(yùn)行。最大功率跟蹤控制（MPPT）是風(fēng)電機(jī)組控制策略中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的在于確保風(fēng)電機(jī)組在不同的風(fēng)速條件下，都能最大限度地捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的整體發(fā)電效率。MPPT控制策略的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制算法的有效執(zhí)行。常用的MPPT控制算法包括葉尖速比控制法、功率-轉(zhuǎn)速曲線法、爬山搜索法等。葉尖速比控制法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整葉片槳距角，使葉尖速比保持在最佳值附近，從而實(shí)現(xiàn)最大功率捕獲。在某風(fēng)速下，通過精確計(jì)算和控制，使風(fēng)電機(jī)組的葉尖速比維持在7左右，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組能夠捕獲到該風(fēng)速下的最大風(fēng)能。功率-轉(zhuǎn)速曲線法則是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線，預(yù)先設(shè)定不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)功率值，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)行在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大功率點(diǎn)。爬山搜索法是一種自適應(yīng)控制算法，它通過不斷地調(diào)整風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)（如槳距角、轉(zhuǎn)速等），觀察功率的變化情況，若功率增加，則繼續(xù)朝著該方向調(diào)整；若功率減小，則反向調(diào)整，以此來尋找最大功率點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，最大功率跟蹤控制策略能夠迅速做出響應(yīng)，調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。在風(fēng)速逐漸增大的過程中，葉尖速比控制法會(huì)通過控制系統(tǒng)逐漸增大葉片槳距角，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以保持葉尖速比恒定，確保風(fēng)電機(jī)組始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。這種控制策略的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性直接影響到風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。快速而準(zhǔn)確的響應(yīng)能夠使風(fēng)電機(jī)組及時(shí)適應(yīng)風(fēng)速變化，捕獲更多風(fēng)能；反之，響應(yīng)遲緩或不準(zhǔn)確則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)能捕獲效率降低，影響風(fēng)電場(chǎng)的整體出力。在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)速的變化具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，最大功率跟蹤控制策略需要具備良好的適應(yīng)性和魯棒性，能夠在各種復(fù)雜的風(fēng)速條件下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)能捕獲。無功補(bǔ)償控制對(duì)于維持風(fēng)電場(chǎng)及整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量至關(guān)重要。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，由于其自身的電氣特性，需要消耗一定的無功功率來建立磁場(chǎng)，維持正常運(yùn)行。若風(fēng)電機(jī)組消耗的無功功率得不到有效補(bǔ)償，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的電壓下降，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。無功補(bǔ)償控制策略的主要目標(biāo)是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的無功需求，合理地調(diào)節(jié)無功功率的輸出或吸收，確保系統(tǒng)的無功平衡。常見的無功補(bǔ)償方式包括風(fēng)電機(jī)組自身的無功調(diào)節(jié)和外接無功補(bǔ)償裝置。風(fēng)電機(jī)組自身的無功調(diào)節(jié)主要通過控制變流器來實(shí)現(xiàn)，能夠靈活地調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的無功功率輸出。在雙饋風(fēng)電機(jī)組中，通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的觸發(fā)脈沖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的精確控制。當(dāng)系統(tǒng)需要風(fēng)電機(jī)組提供無功支持時(shí)，通過調(diào)整變流器的控制策略，使風(fēng)電機(jī)組向系統(tǒng)注入無功功率，提高系統(tǒng)電壓；反之，當(dāng)系統(tǒng)無功功率過剩時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可以吸收無功功率，維持系統(tǒng)的無功平衡。外接無功補(bǔ)償裝置也是常用的無功補(bǔ)償手段，如靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG）。SVC通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)并聯(lián)電容器和電抗器的投入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的快速補(bǔ)償。SVG則采用全控型電力電子器件，能夠快速、精確地產(chǎn)生或吸收無功功率，對(duì)電壓波動(dòng)和閃變具有良好的抑制作用。在風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)大量風(fēng)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行且風(fēng)速變化較大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組自身的無功調(diào)節(jié)能力可能無法滿足系統(tǒng)的全部無功需求，此時(shí)外接無功補(bǔ)償裝置就可以發(fā)揮重要作用，與風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)協(xié)同工作，共同維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和無功平衡。風(fēng)電機(jī)組的無功補(bǔ)償控制對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著顯著影響。合理的無功補(bǔ)償能夠有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)抵御電壓波動(dòng)和電壓崩潰的能力。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或受到其他擾動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償裝置能夠迅速響應(yīng)，提供或吸收無功功率，維持系統(tǒng)電壓在允許范圍內(nèi)，避免因電壓過低導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。在系統(tǒng)負(fù)荷突然增加時(shí)，電壓會(huì)下降，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償裝置及時(shí)注入無功功率，能夠穩(wěn)定電壓，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)組的無功補(bǔ)償控制還能夠改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少線路損耗，提高電能傳輸效率。通過合理地調(diào)節(jié)無功功率，使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近1，可以降低輸電線路中的電流，減少電阻損耗，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。6.2直流輸電系統(tǒng)控制策略直流輸電系統(tǒng)控制策略是保障大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)近距離直流外送系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，定電流控制、定功率控制、直流電壓控制等策略在其中發(fā)揮著重要作用，它們相互配合，共同確保系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。定電流控制是直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略之一，在維持直流電流穩(wěn)定方面起著關(guān)鍵作用。其工作原理是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電流，并與預(yù)先設(shè)定的參考電流值進(jìn)行