考慮風(fēng)電機組故障穿越特性的電壓反復(fù)波動機理分析與抑制

吳林林，趙偉，徐曼，徐鵬，李付強，楊艷晨，潘艷

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院（華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司），北京市 西城區(qū) 100045；2.國家電網(wǎng)有限公司華北分部，北京市 西城區(qū) 100053）

0 引言

近年來中國風(fēng)電發(fā)展迅速，截至2020年底，全國風(fēng)電累計裝機容量2.81億kW，發(fā)電量4665億kWh，連續(xù)11年位居世界第一[1]。“三北”地區(qū)風(fēng)電多采取典型的“大規(guī)模集中式開發(fā)、高電壓遠(yuǎn)距離輸送”模式，風(fēng)電匯集外送線路距離長，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱且缺乏火電支撐，呈現(xiàn)顯著的弱電網(wǎng)特征[2]，容易引起一系列安全穩(wěn)定控制方面的問題。2011至2012年中國曾發(fā)生多起風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事故，使風(fēng)電運行安全穩(wěn)定問題迅速得到業(yè)內(nèi)各方重視，業(yè)內(nèi)也開始從技術(shù)規(guī)范、機組改造、無功電壓控制（automatic voltage control，AVC）、系統(tǒng)部署等方面入手積極應(yīng)對。目前，大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)區(qū)域均已建成了功率預(yù)測、有功/無功控制等系統(tǒng)，基本解決了斷面功率裕度控制、無功電壓偏差控制、系統(tǒng)網(wǎng)損優(yōu)化等常規(guī)新能源接入問題[3-4]。隨著風(fēng)電接入比例增長，現(xiàn)場運行中陸續(xù)暴露出一些新的工程實際問題。其中，在冀北電網(wǎng)發(fā)生的風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓非周期反復(fù)波動現(xiàn)象，造成數(shù)次風(fēng)電機組大面積脫網(wǎng)，最高損失風(fēng)電出力47.6萬kW，亟需有針對地開展研究并加以解決。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動受到風(fēng)資源波動特性、風(fēng)機類型、無功補償設(shè)備動作特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素共同影響[5]，其發(fā)生機理一般可歸為靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓穩(wěn)定兩大類。前者的分析方法主要包括連續(xù)潮流法[6]、雅可比矩陣奇異法[7]、靈敏度分析法[8]等，其中可基于PV曲線對靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題進行直觀理解，PV曲線描述了隨著風(fēng)電有功的增加，系統(tǒng)電壓隨之變化甚至失穩(wěn)的規(guī)律。文獻[9]表明，系統(tǒng)運行越接近靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，風(fēng)電有功功率波動幅度引起的系統(tǒng)電壓波動幅度越大。暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題則主要采用仿真分析的方法，觀察不同類型故障下的電壓響應(yīng)波形，根據(jù)故障極限切除時間等指標(biāo)判斷系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定程度[10]。文獻[11]提出了基于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器暫態(tài)電壓控制及槳距角控制的風(fēng)電場并網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性提升方法，通過使風(fēng)電機組在故障過程中發(fā)出無功功率來支持重建電網(wǎng)電壓。

相關(guān)研究顯示，與傳統(tǒng)以火電機組為主要電源的大電網(wǎng)系統(tǒng)相比，風(fēng)電集中并網(wǎng)系統(tǒng)運行特性具有顯著區(qū)別[12-13]。隨著理論研究不斷深入以及大規(guī)模風(fēng)電實際運行經(jīng)驗不斷累積，人們逐漸認(rèn)識到風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓問題的多樣性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析方法不能完全適用于新暴露的電壓波動穩(wěn)定問題。本文針對的大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓反復(fù)波動現(xiàn)象是一個工程中觀測到的新現(xiàn)象，與新能源發(fā)電隨機波動性及無功補償設(shè)備調(diào)節(jié)引起的電壓波動現(xiàn)象在形態(tài)和機理上具有明顯區(qū)別。與有功功率隨機波動引起的電壓波動相比，本文所針對的電壓波動現(xiàn)象具有較大且相對固定的電壓波動幅值，實際觀測中可達0.1 pu。常見的由于無功補償設(shè)備動作引起的電壓波動現(xiàn)象往往伴隨較大幅度的無功變化，且電壓波動時有功出力相對平穩(wěn)，這也與本文針對的電壓反復(fù)波動現(xiàn)象不符。根據(jù)從電壓反復(fù)波動事故現(xiàn)場收集的錄波數(shù)據(jù)，期間存在風(fēng)電機組反復(fù)進出故障穿越現(xiàn)象，初步推斷電壓反復(fù)波動機理與機組故障穿越特性相關(guān)。風(fēng)電出力水平較高時發(fā)生的電壓反復(fù)劇烈波動現(xiàn)象具有較為嚴(yán)重的事故后果，難以通過傳統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析方法直接解釋，目前幾乎未有文獻開展針對性研究。

基于新能源匯集區(qū)域電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)及故障錄波數(shù)據(jù)，本文首先分析大風(fēng)工況下電網(wǎng)電壓及功率曲線波動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，采用風(fēng)電機組故障期間控制特性與電網(wǎng)運行特性相結(jié)合的分析思路，給出電壓反復(fù)波動現(xiàn)象發(fā)生的機理解釋，并通過仿真進行驗證。進一步，研究抑制電壓反復(fù)波動的風(fēng)電機組低電壓穿越策略優(yōu)化方法。

1 大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓反復(fù)波動現(xiàn)象

冀北電網(wǎng)某風(fēng)電匯集地區(qū)在風(fēng)電出力水平接近送出通道靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限工況下，頻繁出現(xiàn)并網(wǎng)點電壓反復(fù)劇烈波動現(xiàn)象，如圖1所示。電壓波動谷值在0.9 pu左右，峰值在1.0 pu左右，電壓峰谷值變化不存在固定的波動周期，單一波動回合具有秒級時間尺度，期間伴隨風(fēng)電有功出力的反復(fù)波動。

圖1 某場站風(fēng)電出力水平較高時電壓和功率波動情況Fig.1 Voltage and power fluctuation of a wind farm with high wind power output

1）當(dāng)電壓降低到0.9 pu后，風(fēng)電集群有功功率迅速降低，與此同時電壓隨之恢復(fù)升高，即圖1中的粉色區(qū)域；

2）當(dāng)電壓恢復(fù)到0.95～1.0 pu范圍時，有功功率逐漸恢復(fù)，系統(tǒng)電壓隨之再次降低，如圖1中淺綠色區(qū)域；

3）電壓和有功功率反復(fù)波動，有功功率降低/電壓升高速度快于有功功率上升/電壓下降速度。

一般而言，電力系統(tǒng)正常運行時的電壓波動主要來源于功率波動，對于大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)地區(qū)，常見工況包括無功補償設(shè)備動作引起的電壓波動以及風(fēng)資源隨機波動特性引起的電壓波動。單純無功補償設(shè)備調(diào)節(jié)引起的電壓波動曲線與有功功率變化曲線間不存在圖1所示的關(guān)聯(lián)關(guān)系。對于風(fēng)資源隨機波動引起的電壓波動，電壓波動曲線也和風(fēng)電有功功率變化曲線成負(fù)相關(guān)關(guān)系，但波動速率和幅值受到風(fēng)資源波動限制，不具有圖1所示的秒級峰谷值切換速率，一般也不存在變化幅值相對固定的反復(fù)波動規(guī)律。圖2是電壓反復(fù)波動期間，現(xiàn)場錄波記錄的風(fēng)電機組功率及故障穿越信號變化曲線，可知電壓反復(fù)波動期間風(fēng)電機組存在反復(fù)進出故障穿越現(xiàn)象，由此推斷風(fēng)電機組故障期間功率響應(yīng)特性是引起系統(tǒng)電壓反復(fù)波動的重要影響因素。下文將結(jié)合風(fēng)電機組低電壓穿越特性對電壓反復(fù)波動現(xiàn)象進行機理分析。

圖2 電壓波動期間風(fēng)電機組功率波動與故障穿越信號錄波曲線Fig.2 Recording curve of wind turbine active and reactive power variation and fault ride through signal during voltage fluctuation

2 大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓反復(fù)波動機理分析

2.1 風(fēng)電機組低電壓穿越期間功率控制特性

風(fēng)電機組運行時存在正常狀態(tài)、故障穿越狀態(tài)、故障恢復(fù)狀態(tài)3種運行工況。在正常工況下，風(fēng)電機組多采用定功率控制模式，其中有功功率由最大功率追蹤控制或場站有功控制系統(tǒng)給定，無功功率則由場站無功電壓控制系統(tǒng)子站控制。當(dāng)風(fēng)電機組機端電壓低于某定值時（一般設(shè)置為0.9 pu左右），風(fēng)電機組將進入低電壓穿越狀態(tài)。根據(jù)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963）要求[14]，電壓跌落期間風(fēng)電場應(yīng)具備動態(tài)無功支撐能力。風(fēng)電機組低電壓穿越期間典型功率變化如圖3所示，低穿前機組有功和無功出力分別為Pw0和Qw0，tf時刻機組進入低穿狀態(tài)，目前主流的風(fēng)電機組低穿期間多采用無功優(yōu)先的模式，首先根據(jù)電壓跌落深度確定無功電流大小，即機端電壓與0.9的差值乘以一定比例系數(shù)kc，而有功功率則被限制到較低水平Pw1；tc1時刻故障消除，無功功率一般直接恢復(fù)到低穿前水平，有功功率直接恢復(fù)或按照一定斜率kp恢復(fù)，tc2時刻恢復(fù)到故障前水平。整個低穿過程中功率變化如式（1）和式（2）所示。

圖3 低電壓穿越期間風(fēng)電機組功率變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of wind turbine active and reactive power change during LVRT(low voltage ride through)

2.2 風(fēng)電匯集系統(tǒng)PV曲線

基于圖4所示的單機無窮大等效系統(tǒng)分析風(fēng)電送出系統(tǒng)電壓反復(fù)波動機理，借助系統(tǒng)PV曲線刻畫不同無功功率下電壓與有功功率間的響應(yīng)關(guān)系。

圖4 風(fēng)電匯集系統(tǒng)等效拓?fù)銯ig.4 Equivalent topology of wind power gathering system

將風(fēng)電側(cè)等效為功率源和送出阻抗，為了便于分析，假設(shè)穩(wěn)態(tài)情況下風(fēng)電場有功功率為Pw，無功功率為Qw，則有：

式中：UPCC為風(fēng)電并網(wǎng)點電壓；θ為并網(wǎng)點相位；US為電網(wǎng)側(cè)電壓；RS+jXS為送出阻抗。忽略電阻RS，分別得到風(fēng)電場送出功率與電壓的關(guān)系：

根據(jù)式（4）、（5），消去θ可得：

求解UPCC可得：

式（9）給出了PV曲線拐點的數(shù)值，由式（8）、（9）可知，當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、風(fēng)電場無功功率不發(fā)生變化時，隨著風(fēng)電有功功率增大，系統(tǒng)電壓逐漸降低，且由于不斷增大，電壓下降速率加快，直至達到拐點系統(tǒng)電壓崩潰。

2.3 考慮機組低電壓穿越特性和弱電網(wǎng)PV曲線特性的電壓反復(fù)波動機理

由式（7）可得，假設(shè)風(fēng)電有功功率在t時刻增加至Pw0：

此時對應(yīng)的并網(wǎng)點電壓為Ut，風(fēng)電機組進入低電壓穿越閾值，風(fēng)電機組經(jīng)過短暫的延時（一般為10 ms左右）將切換到低電壓穿越狀態(tài)。若此時系統(tǒng)并未發(fā)生故障，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)沒有改變，根據(jù)式（1）、（2），風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率將快速減少為Pw1，無功功率將變?yōu)閁PCCkC(0.9-UPCC)，代入式（6）并求解UPCC，可得：

式（11）為關(guān)于UPCC的四次方程式，難以解析表達。隨著風(fēng)電有功功率減少且發(fā)出無功功率支撐電壓，UPCC將升高，若UPCC抬升至風(fēng)電機組退出低電壓穿越閾值以上時，風(fēng)電機組將逐漸恢復(fù)到擾動前的狀態(tài)，進而機組將進入反復(fù)低電壓穿越，伴隨電壓和功率反復(fù)波動，結(jié)合圖5闡述具體過程如下。

1）風(fēng)電有功功率逐漸增加，系統(tǒng)電壓沿PV曲線F1(Pw,Qw,XS,US)下降，t1時刻系統(tǒng)電壓UA低于風(fēng)電機組低電壓穿越閾值，風(fēng)電機組進入低電壓穿越。目前絕大多數(shù)風(fēng)電機組進入低電壓穿越后會降低新能源有功出力，使得系統(tǒng)運行點由運行點A:（PA，UA）躍遷到運行點B:（PB，UB），運行點軌跡在趨勢上沿PV曲線躍遷，移動軌跡由機組低電壓穿越期間有功、無功變化特性決定，有。

2）風(fēng)電有功出力降低且無功增加，電壓隨之升高，若UB高于風(fēng)電機組退出低電壓穿越的閾值，經(jīng)過一定延時（一般為10 ms左右），t2時刻風(fēng)電機組退出低電壓穿越狀態(tài)。

3）風(fēng)電機組退出低電壓穿越后有功、無功恢復(fù)，系統(tǒng)運行點由B回到A，移動軌跡由機組退出低穿的有功、無功變化特性決定。大部分機組退出低電壓穿越后無功立刻恢復(fù)，有功同時恢復(fù)或以一定斜率在秒級時間內(nèi)恢復(fù)，對于后者，系統(tǒng)運行點先由B移動至B':（PB，UB′），有，再沿PV曲線F1回到A。

4）當(dāng)t3時刻風(fēng)電機組機端電壓再次低于進入低電壓穿越的閾值，風(fēng)電機組會再次進入穿越，重復(fù)上述過程，造成系統(tǒng)電壓反復(fù)波動。

圖1所示電壓反復(fù)波動過程中的電壓和有功變化情況與圖5中電壓和有功周期性變化趨勢基本吻合。反復(fù)波動過程中，電壓波動幅值為

圖5 反復(fù)低穿期間系統(tǒng)運行點變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of system operation point change during continuing LVRT

式中：dUA'B'可以看作有功減少引起的電壓幅值增量；dUBB'為無功增加引起的電壓幅值增量。有：

弱電網(wǎng)場景下，XS取值較大，假設(shè)PA不變，則運行點A 更加靠近系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，則顯著增大，從而導(dǎo)致dUA'B'增大?？梢姡蹼娋W(wǎng)背景下，風(fēng)電機組狀態(tài)切換與系統(tǒng)PV曲線相互作用引起電壓反復(fù)波動現(xiàn)象將更加明顯，電壓波動幅值更大，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行構(gòu)成更加嚴(yán)重的威脅。

2.4 電壓反復(fù)波動機理仿真驗證

搭建冀北電網(wǎng)某風(fēng)電匯集地區(qū)仿真模型，逐漸增加風(fēng)電出力，觀察系統(tǒng)末端風(fēng)電場電壓波動情況。該風(fēng)電場風(fēng)電機組模型參數(shù)設(shè)置為：進入低電壓穿越閾值為0.89 pu，退出低電壓穿越閾值為0.9 pu，穿越期間有功功率被限制到進入穿越前有功功率的30%，無功比例系數(shù)kc=2，退出后無功立刻恢復(fù)，有功根據(jù)指定斜率恢復(fù)。

仿真中隨著風(fēng)電出力增加，風(fēng)電場并網(wǎng)點出現(xiàn)電壓反復(fù)波動現(xiàn)象，并網(wǎng)點電壓和功率波動曲線如圖6所示。低電壓穿越期間風(fēng)電機組發(fā)出無功由電壓跌落幅度決定，由于電壓跌落幅度較小，風(fēng)電機組發(fā)出無功較小，而有功則跌落至30%。圖7給出了電壓反復(fù)波動期間風(fēng)電場并網(wǎng)點在PV曲線圖上的變化軌跡。虛線為不考慮低電壓穿越時并網(wǎng)點的PV曲線，運行點的變化趨勢與2.3節(jié)的分析結(jié)論相符，隨著有功快速大幅減少，運行點迅速移動到PV曲線左上部分，電壓迅速升高。退出故障穿越后，有功逐漸恢復(fù)，運行點沿原PV曲線趨勢逐漸向右下移動，電壓隨之下降。對于每次電壓波動，運行點移動軌跡的差別主要受并網(wǎng)點無功及區(qū)域內(nèi)其他場站功率變化影響。

圖6 某風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓和功率波動曲線Fig.6 Voltage and active/reactive power fluctuation curve of a wind farm

圖7 電壓反復(fù)波動期間風(fēng)電場并網(wǎng)點PV曲線Fig.7 PV curve of wind farm during repeated voltage fluctuation

根據(jù)2.3節(jié)的分析可知，觸發(fā)系統(tǒng)進入電壓反復(fù)波動狀態(tài)需要兩個必要條件，一是電壓降低后風(fēng)電機組進入低電壓穿越狀態(tài)，二是進入故障穿越后，弱電網(wǎng)背景下電壓幅值增量較大，系統(tǒng)電壓恢復(fù)至退出低電壓穿越閾值之上。能夠達到上述觸發(fā)條件的初始工況除了無故障情況下風(fēng)電有功功率增加導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低之外，還包括發(fā)生故障導(dǎo)致的系統(tǒng)電壓降低。圖8給出了冀北電網(wǎng)某風(fēng)電匯集區(qū)域主變跳開退出運行后，系統(tǒng)電壓發(fā)生反復(fù)波動的仿真波形，期間風(fēng)電有功功率變化如圖9所示，電壓波動幅度約在0.05 pu左右。盡管初始工況不同，一旦觸發(fā)電壓反復(fù)波動，其作用機理相同，均為風(fēng)電機組進出低電壓穿越狀態(tài)切換引起系統(tǒng)運行點變化。

圖8 不同故障形式下某風(fēng)電匯集站電壓波形Fig.8 Voltage of a wind power gathering station under different fault modes

圖9 故障期間主變退出后匯集站有功波形Fig.9 Active power of a wind power gathering station after main transformer quits during fault

另一方面值得注意的是，對于圖4所示的單機無窮大系統(tǒng)，發(fā)生的電壓反復(fù)波動現(xiàn)象呈周期性變化，波動周期由風(fēng)電機組低電壓穿越策略的功率響應(yīng)速率及延遲時間等因素決定。對于實際運行和仿真模型中的復(fù)雜多機系統(tǒng)，其電壓反復(fù)波動現(xiàn)象往往呈現(xiàn)不定周期波動，這主要是由于復(fù)雜多機系統(tǒng)包含多臺風(fēng)電機組、多條送出線路，不同場站、不同風(fēng)電機組很難具有完全一致的運行工況，從而導(dǎo)致各臺機組進入、退出故障穿越的時間以及故障穿越過程中的功率響應(yīng)存在差別，且不同機組、不同場站間的電壓變化可相互影響，使得場站并網(wǎng)點及匯集站電壓反復(fù)波動一般表現(xiàn)為不固定周期。

3 大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓反復(fù)波動抑制方法

根據(jù)第2章的分析，大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓反復(fù)波動現(xiàn)象是風(fēng)電機組故障穿越策略與電網(wǎng)功率-電壓變化特性共同作用的結(jié)果，其抑制方法的關(guān)鍵是避免在機組進入低電壓穿越后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)至退出低電壓穿越閾值之上，可以分別從電網(wǎng)側(cè)和風(fēng)電機組側(cè)著手改進。

從電網(wǎng)側(cè)改善這一現(xiàn)象的關(guān)鍵是提高系統(tǒng)強度，使得系統(tǒng)功率-電壓靈敏度降低，同樣功率變化對應(yīng)的電壓增量幅值相對減小，機組進入故障穿越后電壓無法恢復(fù)至退出低電壓穿越閾值之上，從而不滿足電壓反復(fù)波動的誘發(fā)條件。這一改進方法原理清晰，增加一條送出線路是提升電網(wǎng)強度的常用方法，但成本較高，對于大多數(shù)風(fēng)電場，這樣做并不實際，難以作為性價比較高的電壓反復(fù)波動抑制方法加以推廣。

電壓反復(fù)波動現(xiàn)象與風(fēng)電機組故障穿越期間功率響應(yīng)特性密切相關(guān)，從風(fēng)電機組故障穿越特性優(yōu)化角度改善這一現(xiàn)象具有操作簡單、改造成本低等優(yōu)點，方便應(yīng)用于存量風(fēng)電場和新建風(fēng)電場，推薦的具體優(yōu)化方案包括：

1）提升風(fēng)電機組進出低電壓穿越的閾值；

2）改變穿越期間機組有功控制策略。

3.1 提升機組進出低電壓穿越的閾值

若提高退出低電壓穿越閾值，使得圖5中UB小于風(fēng)電機組退出低穿的閾值，可抑制機組退出低穿，從而改善電壓反復(fù)波動。圖10給出了退出穿越閾值分別為0.9 pu、0.92 pu、0.95 pu時的電壓波動曲線，可見，隨風(fēng)電機組退出穿越閾值增大，電壓反復(fù)波動幅度逐漸減弱。

圖10 不同退出穿越閾值下電壓波動曲線Fig.10 Voltage fluctuation curve under different LVRT exit threshold

3.2 改變穿越期間機組有功控制策略

優(yōu)化風(fēng)電機組在低電壓穿越期間的有功策略，使風(fēng)電機組進入低電壓穿越狀態(tài)后，由傳統(tǒng)的“定有功”或“定有功電流”的方式改為“維持故障前有功功率”的控制模式，在保障機組故障期間無功電流支撐能力的基礎(chǔ)上，盡量增加有功電流，維持故障前有功功率，如圖11所示。根據(jù)第2章的分析，穿越期間保持有功出力可以減小運行點在PV曲線上的位移，從而降低電壓升高幅度，抑制機組退出低電壓穿越及后續(xù)的反復(fù)低電壓穿越過程。對于冀北電網(wǎng)某風(fēng)電匯集區(qū)域，與圖8相比，圖12給出了風(fēng)電機組低電壓穿越策略改進后，不同風(fēng)電有功出力水平下的電壓波形，可見在穿越過程中保持有功出力，可有效抑制電壓反復(fù)波動現(xiàn)象。該策略改進方案已在冀北電網(wǎng)風(fēng)電匯集地區(qū)開展應(yīng)用，對實際風(fēng)電機組低電壓穿越策略進行改造升級，有效避免風(fēng)電機組反復(fù)進出低電壓穿越，改善電壓反復(fù)波動，提升了風(fēng)電集群安全穩(wěn)定運行水平。

圖11 改進前后電壓淺度跌落的風(fēng)機有功特性Fig.11 Active power characteristics of the wind turbine with shallow voltage drop before and after modification

圖12 改進后匯集站電壓曲線Fig.12 Voltage of a wind power gathering station after modification

4 結(jié)論

本文針對大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)實際運行中新暴露的電壓反復(fù)波動現(xiàn)象，深入分析了現(xiàn)象發(fā)生時電網(wǎng)電壓及功率曲線波動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上綜合考慮區(qū)域電壓穩(wěn)定特性與風(fēng)電機組低電壓穿越特性，闡明了風(fēng)電機組狀態(tài)切換與弱電網(wǎng)功率-電壓特性相互作用引起電壓反復(fù)波動的機理，最后從改進機組低電壓穿越性能角度提出有效防范措施。文章主要結(jié)論如下。

1）大規(guī)模風(fēng)電集中接入弱電網(wǎng)時，當(dāng)風(fēng)電出力水平接近靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限或發(fā)生故障導(dǎo)致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變?nèi)鯐r，易觸發(fā)風(fēng)電機組進入低電壓穿越狀態(tài)。此時系統(tǒng)電壓對有功變化靈敏度較高，若機組退出低電壓穿越閾值過低，將導(dǎo)致機組運行狀態(tài)在故障穿越和正常運行之間反復(fù)切換，系統(tǒng)運行點沿PV曲線循環(huán)往復(fù)躍遷，出現(xiàn)風(fēng)電有功、系統(tǒng)電壓反復(fù)劇烈波動的現(xiàn)象。

2）相比增加送出線路等提高系統(tǒng)強度的優(yōu)化措施，風(fēng)電機組低電壓穿越特性改造是更加經(jīng)濟便捷的改進方案。提高風(fēng)電機組退出低電壓穿越閾值、采用穿越期間維持有功的策略可以有效抑制電壓反復(fù)波動現(xiàn)象。

本文研究對于完善大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓穩(wěn)定理論體系、規(guī)范風(fēng)電機組低電壓穿越功率特性具有重要意義。未來將進一步研究抑制電壓波動的風(fēng)電機組低電壓穿越過程中有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化策略。