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第8卷 第4期 2025年07月；页码：469-477
新疆电网220 kV风电汇集站构网型SVG人工三相短路试验分析
Analysis of Artificial Three Phase Short Circuit Test for Grid-forming SVG of 220 kV Wind Turbine Substation in Xinjiang Power Grid
- 1.新疆大学电气工程学院，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 650100
- 2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 650100
- PENG Yinzhang1,2, WANG Haiyun1*, ZHANG Baojie1, NAN Dongliang2, DUAN Yu2, LIU Guowei1 (1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 650100, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
- 2. Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd., Urumqi 650100,Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
随着新能源占比的大幅提升以及发、输、用电各环节电力电子设备所占比重的不断提高，高比例新能源电网由于缺乏传统常规同步发电机等主动支撑型电压源，系统短路容量、转动惯量下降，频率、电压稳定问题频发，电网稳定性问题日益凸显。对此，重点围绕构网型静止无功发生器（static var generator，SVG）进行研究。在构网型SVG仿真分析的基础上，开展新疆电网220 kV风电汇集站构网型SVG人工三相短路试验，系统性地验证了构网型SVG的同步电压支撑、暂态瞬时响应、3倍10 s的过载能力，并总结了计算值与实测值存在误差的影响因素。试验达到了预期的目的和效果，试验表明，构网SVG在短路故障期间，能保持一定的构网特性，具有良好的系统支撑能力。
With the significant increase in the proportion of renewable energy and the growing penetration of power electronic devices in generation, transmission, and consumption,high-penetration renewable energy grids face prominent stability challenges due to the lack of traditional synchronous generators and other active voltage sources. This leads to reduced system short-circuit capacity, diminished rotational inertia, and frequent frequency/voltage stability issues. In response, focuses on the research of grid-forming static var generators (SVGs).Based on simulation analysis of grid-forming SVGs, a threephase artificial short-circuit test was conducted on a gridforming SVG at a 220 kV wind farm collection station in the Xinjiang power grid. The test systematically validated the gridforming SVG’s capabilities in synchronous voltage support,transient instantaneous response, and 3× overload capacity for 10 seconds. Additionally, factors contributing to discrepancies between calculated and measured values were analyzed. The test achieved its intended objectives, demonstrating that the gridforming SVG maintains grid-forming characteristics during shortcircuit faults and exhibits robust system support capabilities.
0 引言
随着“双碳”目标的推进，新型电力系统建设进程日益加快，新能源占比大幅提高导致大电网稳定性尤其是电压稳定问题突出，在高占比新能源电网等场合，故障后低电压与过电压问题交织，电力系统基本强度受到严峻挑战，限制了新能源接纳能力。
新疆风能、太阳能资源丰富，是中国“十四五”规划纲要中明确的大型清洁能源基地[1]。在“双碳”目标的牵引下，文献[2]提出加快构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统，其中第一个措施就是新能源支撑电网，提供调节能力和灵活性。文献[3]再次强调充分发挥新能源对电网安全稳定的支撑作用。国家发展改革委、国家能源局、国家统计局制定的《加快构建新型电力系统行动方案（2024—2027年）》中明确指出推进构网型技术的应用[4]，而SVG（static var generator）正是构网控制技术的良好应用载体之一。构网型SVG具备电压支撑能力，可有效抑制系统振荡，提高电网的稳定水平[5-7]。
“十四五”期间新疆的新能源行业将迎来爆发式增长，风电、光伏装机容量逐年递增[8]，新疆地区网架的稳定运行存在安全隐患。新能源产业相继提出构网型风、光、储和构网型SVG等装备[9-13]，以适应中国发展新型电力系统对新能源的需求，同时适应沙戈荒、远海等风光资源丰富的极弱电网应用场景。以南疆地区为代表的区域电网的暂态电压支撑能力严重不足，因暂态低电压、暂态电压失稳导致供电能力不足，动态无功补偿技术是一种提高电压稳定性的经济、有效的措施。
因此，构网型SVG将为大规模新能源并网与接入提供有力支持，显著提高电网灵活调节能力、综合效率和安全保障能力，进一步推动构网控制技术的积极探索和安全应用[14]。
1 构网型SVG基本情况概述
1.1 构网型SVG原理
构网技术核心是同步电压源的构建。常规机组与电力电子变流器不同，常规机组靠惯量维持内电势，而电力电子变流器靠控制，实现与同步机类似甚至超越同步机的电压源外特性。构网同步电压源具备自同步电压源特性，不依赖锁相环或频率测量且可独立构建电网，适应与其他电压源并列运行、孤岛运行等多运行方式，其技术原理图见图1。
图1 构网控制技术原理图
Fig. 1 Schematic diagram of grid-forming control technology
构网型SVG是在常规SVG的基础上，通过提高器件的过流能力、增大电容能量并采用构网型（gridforming） 控制策略实现的一种同步无功补偿设备[15-16]，其控制结构如图2所示。
图2 构网型SVG控制结构
Fig. 2 Control structure of grid-forming SVG
构网型SVG作为一个相对独立的同步电压源，当系统故障发生时，电势幅值不突变，可以自然、瞬时提供快速无功电流支撑，与常规SVG相比，具有更强的支撑能力、更快的响应速度、更好的过载能力。构网型SVG具备幅值和相位相对独立的电压源外特性，通过“功率自同步”的方式与系统之间保持同步，不依赖系统锁相环[17-19]，在高比例新能源和高比例电力电子设备的新型电力系统中具有广阔的应用前景[20-27]。
1.2 构网型SVG技术指标
新疆电网某220 kV风电汇集站配置的具备主动支撑功能的构网型静止同步补偿装置（SVG） 的基本技术指标如表1、表2所示。
表1 构网型SVG基本情况
Table 1 Basic information of grid-forming SVG
构网型SVG容量±36 Mvar拓扑结构：链式H桥子模块结构：全桥结构换流链桥臂子模块数量：每相42个IGBT参数：3300 V/1500 A额定电压：1700 V充电电阻额阻定抗电：压3：0 0 305 Ω kV额定电压：35 kV电感额定电流：324 A电感：32.5 mH
表2 构网型SVG性能参数
Table 2 Performance indicators of grid-forming SVG
项目要求过载能力120%IN（1 I5N0为%额IN连定续电运流行）时连间续不运小行于时6间0不s小于2 h 300%IN连续运行时间不小于10 s响应时间稳暂态态响响应应时时间间不不大大于于150 m mss控制策略无因功数补、偿主装动置支可撑在控装制置模恒式无之功间、灵恒活电、压平、稳恒切功换率各次谐波电压含有率、各次谐波电流值、电压偏电能质量差、电压闪变、电压负序不平衡度同时满足标准要求功率因数以220 kV关口点功率因数为控制目标
2 短路试验方案基本情况
通过开展35 kV人工短路试验，获取试验数据，将仿真计算数据和现场试验获得的数据进行对比分析，验证模型的精确性、构网型性能的良好性。
2.1 试验地点和位置
试验共有17个测点，主要测量电流、电压、功率，具体的测点位置见表3、图3、图4、图5。
表3 现场测试监测点列表
Table 3 List of on-site testing monitoring points
监编测号点监测点监测量测点1A风电汇集站220 kV一线220 kV电压电流测点2A风电汇集站35 kVⅠ母Ⅰ段35 kV电压电流测点3A风电汇集站35 kVⅠ母Ⅱ段35 kV电压电流测点4A风电汇集站35 kVⅡ母Ⅰ段35 kV电压电流测点5A风电汇集站35 kVⅡ母Ⅱ段35 kV电压电流测点6A风电汇集站35 kV一线35 kV电压电流测点7A风电汇集站1＃构网型SVGSVG电流测点8A风电汇集站35 kV五线35 kV电压电流测点9A风电汇集站2＃SVGSVG电流测点10A风电汇集站3＃SVGSVG电流测点11A风电汇集站4＃SVGSVG电流测点12B风电场35 kV三线（短路点）35 kV电压电流测点13B风电场1＃SVGSVG电流测点14B风电场4＃SVGSVG电流测点15B风电场16＃风机机端电压电流测点16B风电场28＃风机机端电压电流测点17B风电场77＃风机机端电压电流
图3 人工短路试验周边网架图
Fig. 3 Surrounding grid diagram of artificial short circuit test
图4 A风电汇集站试验测点布置示意图
Fig. 4 Schematic layout of test measurement points for wind farm A collection station
图5 B风电场试验测点布置示意图
Fig. 5 Schematic layout of test measurement points for wind farm B
2.2 仿真系统设置
仿真建模范围示意图如图6所示。基于仿真软件ADPSS开展机电-电磁混合仿真，仿真模型以750 kV J-M-T-H断面为分界点，其中断面以外包含西北电网为机电侧数据，断面以内为电磁侧数据。
图6 仿真建模范围示意图
Fig. 6 Schematic diagram of simulation modeling scope
A风电汇集站及35 kV B风电场采用1∶1精细化电磁暂态仿真模型，其余新能源场站均采用整站倍乘等效。
3 人工三相短路试验测试方法
构网型SVG所在汇集站及风电场相应测点布置情况如图4、图5所示。为验证构网型SVG在大扰动情况下的响应特性，校核现行仿真计算模型与电网实际情况的贴近程度，验证构网SVG对系统安全稳定运行的影响，开展人工短路试验。
在新能源出力330 MW、构网SVG出力在容性6 Mvar方式下，在B风电场距离35 kV I母最近的35 kV三线所带的12＃风机杆塔与11#风机杆塔之间架空线设置三相短路，短路点设置在35 kV三线所带的11#风机箱变高压侧跌落式熔断器，具体情况如图7所示。
图7 短路点布置示意图
Fig. 7 Schematic diagram of short-circuit point layout
3.1 人工短路实测波形分析
3.1.1 短路期间构网型SVG性能分析——过流能力
实测短路故障期间构网和跟网SVG的电压及电流波形如图8所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为实测构网SVG和跟网SVG对比曲线。
图8 故障期间构网和跟网SVG电流响应曲线
Fig. 8 Current response curve of grid-forming and grid-following SVG during fault period
A风电汇集站内构网SVG的额定电流为561 A，跟网SVG的额定电流为594 A。短路故障瞬间，构网SVG输出电流瞬时增大，并在短路后61.6 ms内输出电流有效值1457~2334 A，为额定电流的2.6~4.1倍；跟网SVG短路期间输出的电流有效值为288~304 A，为额定电流的0.48~0.51倍。由上述分析可知，电网发生大扰动期间，构网SVG可瞬时响应系统电压，过流倍数为2.6~4.1，试验验证了构网SVG可在短路期间提供自然、无延时的同步无功电流，并具备3倍过流能力。
3.1.2 短路期间构网型SVG性能分析——无功支撑能力
实测短路故障期间构网和跟网SVG的电压、电流及无功波形如图9所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为实测构网SVG和跟网SVG对比曲线。
图9 故障期间构网和跟网SVG无功响应曲线
Fig. 9 Reactive power response curve of grid-forming and gridfollowing SVG during fault period
A风电汇集站内构网SVG和跟网SVG装机容量均为±36 Mvar。短路故障期间，35 kV母线电压跌落深度0.52 pu时，构网SVG和跟网SVG输出无功均增加，其中构网SVG输出无功最大为92 Mvar，跟网SVG输出无功最大为12 Mvar。构网型SVG在大扰动期间呈现电压源特性，可瞬时发出无功以响应系统的电压变化，试验验证了构网型SVG在并网母线电压跌落至0.52 pu时具备同步无功支撑能力。
3.1.3 短路期间构网型SVG性能分析——反调能力
实测短路故障期间构网和跟网SVG的电压及电流波形如图10所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为实测构网SVG和跟网SVG对比曲线。
图10 故障期间构网和跟网SVG无功电压响应曲线
Fig. 10 Reactive voltage response curve of grid-forming and grid-following SVG during fault period
短路故障恢复期间，35 kV母线电压暂态过电压最高至42.79 kV，标幺值为1.16 pu，此时构网SVG由于其瞬时响应特性，开始降低无功输出，但在电压最高点依然发出容性无功77 Mvar。跟网SVG由于响应速度较慢，依然在增加容性无功输出，发出容性无功10 Mvar。电压最高点构网SVG发出的无功依然大于跟网SVG。现场应用的构网SVG在电压恢复期间具有一定的反调特性，可能会对系统运行带来额外的影响。且由于故障期间发出无功较大，在电压恢复期间即使已有降低无功输出的趋势，但暂态电压最高点依然处于发出无功的状态，对暂态过电压没有抑制作用。
3.1.4 短路期间不同型号风机的响应分析
实测短路故障期间16号风机、28号风机的电压及电流波形如图11、图12所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为实测风机机端电压和无功输出曲线。
图11 故障期间16号风机无功电压响应曲线
Fig. 11 Reactive voltage response curve of wind turbine 16 during the fault period
图12 故障期间28号风机无功电压响应曲线
Fig. 12 Reactive voltage response curve of wind turbine 28 during the fault period
短路故障期间，16号风机距离故障点较近，机端母线电压跌落至0.46 kV（0.40 pu）。在电压跌落过程中有功输出减少，增加无功输出来支撑系统电压，但在故障恢复期间，机端母线暂态电压最高点依然在发出无功2.3 Mvar，对暂态过电压有恶化作用；28号风机距离故障点稍远，机端母线电压跌落至0.5 kV（0.44 pu），在电压跌落过程中有功输出减少，增加无功输出来支撑系统电压，且在故障恢复期间，机端母线暂态电压最高点发出无功降低至0.47 Mvar，基本恢复至故障前的无功。
3.2 实测波形与仿真曲线对比分析
3.2.1 短路点所在线路的短路电流对比分析
短路点所在线路的短路电流实测波形及仿真与实测对比曲线如图13所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为仿真与实测对比曲线。
图13 短路点所在线路短路电流响应曲线
Fig. 13 Short-circuit current response curve of the line where the short-circuit point is located
本次短路试验实测的短路点所在线路（AB、BC、CA三线）短路电流有效值为16.64 kA，短路过程持续61.6 ms，短路试验过程中构网SVG及近区风机均未脱网。基于ADPSS仿真的短路点所在线路短路电流有效值为16.79 kA，故障期间仿真和实测的短路点短路电流响应趋势一致，实测短路电流比仿真大0.15 kA，相对偏差为0.9%。
3.2.2 构网SVG并网点母线电压对比分析
构网SVG并网点35 kV母线电压实测波形及仿真与实测对比曲线如图14所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为仿真与实测对比曲线。
图14 构网SVG并网点35 kV母线电压
Fig. 14 35 kV bus voltage of grid-forming SVG connection point
构网SVG并网点35 kV母线电压（AB线） 由36.01 kV降低至18.17 kV，电压跌落幅度0.48 pu，构网型SVG仿真与实测的母线电压跌落时间一致，跌落深度差0.05 pu，相对偏差为11%。此时仿真的故障电阻为0.1 Ω，从电压跌落来看，AB线电压相对偏差较大的原因是现场存在三相电压不平衡的情况，但仿真系统的三相电压是平衡的，故相对偏差超过10%。
构网SVG并网点35 kV母线电压（BC线）由35.74 kV降低至20.03 kV，电压跌落幅度0.42 pu，构网型SVG仿真与实测的母线电压跌落时间一致，跌落深度也基本一致（相差0.01 pu），相对偏差为2.5%。此时仿真的故障电阻为0.15 Ω。从电压跌落来看，基本实现了仿真的稳态短路阻抗和实际现场的对应。
构网SVG并网点35 kV母线电压（CA线） 由37.01 kV降低至17.65 kV，电压跌落幅度0.52 pu，构网型SVG仿真与实测的母线电压跌落时间一致，跌落深度也基本一致（相差0.009 pu），相对偏差为1.98%。此时仿真的故障电阻为0.15 Ω。从电压跌落来看，基本实现了仿真的稳态短路阻抗和实际现场的对应。
电压恢复阶段，仿真和实测的暂态过电压区别较大，主要由于构网SVG、跟网SVG及风机模型的仿真和实测在故障恢复期间的响应速度及趋势不一致。
3.2.3 短路期间构网型SVG短路电流对比分析
短路期间构网型SVG短路电流实测波形及仿真与实测对比曲线如图15所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为仿真与实测对比曲线。
图15 构网SVG电流响应曲线
Fig. 15 Grid-forming SVG current response curve
短路故障期间，基于ADPSS仿真的故障期间构网SVG提供的A相、B相、C相电流与实测构网SVG电流响应趋势一致，仿真构网SVG短路电流第2周波瞬时值分别为3096 A、3460 A、2701 A，实测构网SVG短路电流第2周波瞬时值分别为2607 A、2921 A、2701 A，实测短路电流比仿真分别大489 A、539 A、45 A，相对偏差分别为15.8%、15.6%、1.67%。
构网SVG输出电流仿真和实测相对偏差超过10%，主要原因是SVG的电流输出与系统电压是交互影响的。
3.2.4 短路期间构网型SVG无功功率对比分析
短路期间构网型SVG无功功率实测波形及仿真与实测对比曲线如图16所示，其中左侧为实测录波曲线，右侧为仿真与实测对比曲线。
图16 构网型SVG无功响应对比曲线
Fig. 16 Comparison curve of reactive power response of grid-forming SVG
短路故障期间，基于ADPSS仿真的故障期间构网SVG提供的无功功率最大为80 Mvar，实测的无功功率最大为92 Mvar，实测的无功功率比仿真的大12 Mvar，相对偏差为13%。偏差较大的原因是故障期间仿真和实测的短路电流偏差较大。且在故障恢复期间，仿真的无功功率波动较小，实测的无功功率有一定的超调，主要原因是电压出现超调后，构网SVG从容性往感性方向快速响应，仿真由于电压超调幅度小，所以感性方向输出也小；实测由于超调幅度较大，故感性方向的输出更大。
4 结论
基于短路试验分析，构网型SVG可在短路期间提供自然、无延时的同步无功电流，并具备3倍过流能力。构网型SVG在大扰动期间呈现电压源特性，可瞬时发出无功以响应系统的电压变化，验证了构网型SVG的同步无功支撑能力。在电压恢复期间构网SVG表现出反调作用，可能会对系统运行带来额外的影响。且由于故障期间发出无功较大，在电压恢复期间，即使已有降低无功输出的趋势，但暂态电压最高点依然处于发出无功的状态，对暂态过电压没有起到抑制作用。
基于短路试验实测与仿真对比分析，短路期间短路点所在线路短路电流、构网SVG的短路电流及构网SVG并网点母线电压响应趋势均一致，相对偏差最大为15.79%，基于ADPSS的仿真可以反映构网SVG在短路故障期间的动态过程。构网SVG在故障期间的短路电流实测较仿真大，主要原因是SVG的电流输出与系统电压是交互影响的，暂态过程中电压无法准确反演。由于部分元件的电磁暂态模型为典型模型，导致在故障恢复期间仿真和实测的响应特性不同，为提高电磁暂态仿真的准确性，需加快开展新能源实测建模工作，进一步精细化大电网电磁暂态模型。
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基金项目
新疆维吾尔自治区重大科技专项项目（2022294462）。
Major Science and Technology Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region (2022294462).
作者简介
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彭寅章
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王海云