我国大型新能源基地主要分布在西北、华北、东北、西藏等地区，预计到2030年，我国规划建设的沙戈荒新能源基地装机规模约4.55亿kW，其中外送电量约3.15亿kW^[1]。但沙戈荒地区无负荷、无常规水电和火电电源，常采用新能源基地汇集并通过柔性直流(Voltage Souce Converter-based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)远距离送出的开发模式，造成宽频振荡、电压失稳等诸多问题，新能源和直流通道利用率难以保证。

目前，新能源并网变流器大都采用依靠锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)实现并网的跟网型控制方式(Gird-Following，GFL)。该方式可等效为电流源，对电网电压的支撑能力较弱^[2-4]，且大规模电力电子装置的接入导致系统同步振荡问题频发^[5]。GFL与交流电网和其他变流器之间的相互作用会随着系统短路比减小而引发复杂的振荡失稳问题^[6-7]。2015年以来，我国新疆哈密地区频繁出现振荡频率在20~40 Hz内变化的风电机群参与的次同步振荡事故。文献[8-11]通过设计GFL各控制环参数、增加附加阻尼控制等方式，尝试解决由于变流器控制环路主导的振荡问题，但没有从根本上改变GFL依赖交流电网的本质。在当今高比例新能源并网系统中，仅仅依靠优化变流器的控制策略及控制参数不能从根本上解决因系统支撑不足而带来的振荡失稳问题。从系统角度出发，诱发新能源电力系统振荡失稳的因素包括大容量、强能力的同步机型动态无功源的减少，系统有效无功储备的匮乏，以及分散在不同层级电网中的只具备有限调节和支撑能力的小容量新能源。因此，配置动态无功补偿装置是系统在面临大、小扰动时提高稳定性的有效手段。以静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)和调相机为代表的动态无功补偿设备(等效为电压源)，不仅可以提高弱系统的电压支撑能力，还可以在系统受到扰动时及时提供无功补偿，帮助系统恢复稳定，提高电网电压支撑能力^[12]。文献[13]系统比较了调相机和STATCOM等电力电子无功补偿装置在电压支撑方面的差异。文献[14]基于满足电网低电压穿越要求的大容量异步风电场，提出了最小STATCOM无功补偿设备容量配置方法。

目前，大多数研究只针对在特定扰动场景下某一种设备的配置，很少同时兼顾到大、小扰动场景下两种设备的配置方法。本文提出的新能源基地VSC-HVDC外送系统无功补偿设备配置方法分为2个阶段。阶段1：建立新能源基地VSC-HVDC外送系统电磁暂态仿真模型，提出STATCOM配置方法；阶段2：基于阶段1的配置，以实现系统大扰动稳定运行为目标，提出调相机配置方法。最后，设计了一个包含20个直驱风电场站的新能源基地VSC-HVDC外送系统算例，验证了本文所提方法的有效性。

我国风电、光伏大规模新能源基地主要位于西北、华北等地区。风电、光伏等新能源场站一般建设于结构薄弱的末端电网，呈现集中式开发、远距离汇集输送等特点^[15]。以酒泉地区为例，该地区的各风电场呈现“辐射状”形态并且主要以集中接入的方式，通过110 kV/330 kV/750 kV交流汇集站接入西北主网。酒泉地区大规模新能源发电基地直流汇集及输送系统示意^[16]如图 1所示。

以张北地区为例，该地区的各新能源场站同样具有“远距离分散并网、长线路集中汇集”的特点，新能源送端系统呈现“爪型”结构。随着远距离大规模直流输电技术的发展，电力系统“强直弱交”网架特征日益明显，由于无就地常规电源支撑，系统无功调节能力不足^[17]，使得大规模新能源基地电压稳定性问题更为突出。张北新能源汇集方式^[18]如图 2所示。

STATCOM作为非旋转设备，主要通过绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT) 的导通和关断来控制STATCOM交流侧的电压幅值和相位大小，从而实现动态无功补偿的目的。调相机本质是不带机械负荷的同步发电机，主要通过调节励磁装置吸收或发出无功功率，以实现调压的目的。文献[10]研究表明：对于抑制直流换相失败、闭锁等暂态压升，调相机优于STATCOM；而对于抑制直流闭锁后的稳态过电压，STATCOM优于调相机。文献[15]研究表明：调相机基于其固有的电磁暂态特性，相比STATCOM系统具有更好的故障暂态响应能力，但在稳态情况下，由于调相机励磁控制系统的低励限制，其提供动态无功支撑的能力弱于STATCOM。文献[19]研究表明：STATCOM在补偿小电压扰动方面的性能优于同等容量的调相机，但是在补偿交流故障等大电压扰动方面，其性能劣于同等容量的调相机。

总之，当系统面临稳态过电压或小扰动稳定问题时，向系统配置STATCOM优于配置调相机；当系统面临暂态过电压或大扰动稳定问题时，向系统配置调相机优于配置STATCOM。因此，本文规定，针对大、小扰动下的界定机制，当系统发生小扰动稳定问题时，配置STATCOM以提高系统的电压支撑强度；当系统发生大扰动稳定问题时，配置调相机以提高系统的电压支撑强度。从经济性角度出发，STATCOM和调相机已广泛应用于实际工程，单台同等容量的STATCOM配置成本低于调相机的配置成本；从概率统计出发，实际工程中系统发生小扰动稳定问题的概率远大于系统发生大扰动稳定问题的概率。因此，考虑经济性和概率性，应当优先配置STATCOM，其次配置调相机。

新能源机组的随机性、波动性，使场景集需要考虑其不同的出力场景，例如新能源满发、大发、中发、小发等。因此，根据不同出力场景生成新能源机组随机场景集Ω_l={l|l = 1，2，3，，N_l}。其中，l表示某场景，N_l表示场景数。

通过电磁暂态仿真得到的电压、频率失稳轨迹波形及其局部放大如图 3所示。其中，f_max、U_max分别为频率、电压最大值；f_set、U_i，set分别为频率、电压给定值；Δf_max、ΔU_max分别为最大频率、最大电压偏差量。

对于呈现周期性振荡的失稳轨迹波形，需计算在场景l下节点i的最大电压偏差量ΔU_{i, l}及最大频率偏差量Δf_{i, l}^max，即

$ \left\{\begin{array}{l} \Delta U_{i, l}^{\max }=\left|\frac{U_{i, l}^{\max }-U_{i, \text { set }}}{U_{i, \text { set }}}\right| \\ \Delta f_{i, l}^{\max }=\left|\frac{f_{i, l}^{\max }-f_{\text {set }}}{f_{\text {set }}}\right| \end{array}\right. $

(1)

式中: $f_{i, }^{\max }, U_{i, }^{\max }$——场景$l$下节点$i$的频率、电压最大值。

上述小扰动失稳严重性指标仅适用于等幅振荡情形。定义场景$l$下节点$i$的小扰动失稳指标$\varLambda_{i, \mathrm{~s}}$为

$ \begin{equation*} \varLambda_{i, \mathrm{~s}}=\sum\limits_{l=1}^{N_{l}}\left(\Delta f_{i, l}^{\max }+\Delta U_{i, l}^{\max }\right) \end{equation*} $

(2)

Λ_i，s越大，说明失稳程度越严重，即需要优先考虑补强。将Λ_i，s由大到小排序并筛选，构成阶段1薄弱节点集Ω_w ={w | w = 1，2，3，，N_w}。其中，w表示薄弱节点编号，N_w表示薄弱节点数。

STATCOM配置流程如图 4所示。

在Ω_w中33 kV及以上的新能源场站出口母线或新能源汇集站母线处配置STATCOM，这些节点共同构成STATCOM初步候选配置节点集Ω_o。针对新能源出力场景集中的每个场景，进行稳态平衡点的电磁暂态仿真计算。若系统发生振荡失稳现象，则根据系统频率、电压等失稳轨迹特征以及振荡幅度等信息，计算Λ_i，s，判别系统最薄弱节点，并在该节点(附近)处配置1台预定容量的STATCOM。更新系统电磁暂态仿真模型后，再进行稳态平衡点的电磁暂态仿真计算，直到系统在不同出力场景下均能稳定运行后，得到STATCOM配置方案。

故障集主要考虑引起暂态电压失稳较为严重的故障，一般为双回输电线上某一回线发生三相短路故障、新能源场站母线发生两相短路故障和汇集站母线发生单相短路故障等。据此生成随机故障集Ω_j ={ j | j = 1，2，3，，N_j}。其中，j表示某故障，N_j表示随机故障数。

电磁暂态仿真得到的某场站故障前后暂态电压失稳轨迹波形如图 5所示。其中，U_min为电压最小值，t₀为故障发生时刻，t₁为故障结束后某一时刻。

由图 5可知，故障发生后电压恢复轨迹随着时间递增呈现周期性振荡失稳态。由于故障后电压并未恢复到故障前水平，因此在判别最薄弱点时，需要同时考虑故障后电压轨迹的恢复水平及振幅。

本文提出的大扰动失稳严重性指标包括暂态电压跌落面积和暂态电压振幅，仅适用于等幅振荡情形。定义场景l、故障j下节点i的大扰动失稳严重性指标Λ_i，c为

$ \begin{align*} & \varLambda_{i, \mathrm{c}}=\sum\limits_{l=1}^{N_{\mathrm{r}}} \sum\limits_{j=1}^{N_{\mathrm{f}}}\left(\left|\frac{U_{i, \text { set }}-U_{i, l, j}^{\max }}{U_{i, \text { set }}}\right| \times\left|\frac{T_{i, l, j}-T_{0}}{T_{0}}\right|\right) \\ & +\sum\limits_{l=1}^{N_{\mathrm{r}}} \sum\limits_{j=1}^{N_{\mathrm{f}}}\left|\frac{U_{i, l, j}^{\max }-U_{i, l, j}^{\min }}{2 U_{i, \text { set }}}\right| \end{align*} $

(3)

式中：$t_{i, l, j}$—场景$l$、故障$j$下节点$i$的振荡持续时间；

$U_{i, l, j}^{\max }$—场景$l$、故障$j$下节点$i$的电压最大值；

$U_{i, l, j}^{\min } —$—场景$l$、故障$j$下节点$i$的电压最小值;

$N_{\mathrm{r}}, N_{\mathrm{f}}$—生成场景集的场景数与生成故障集的数目。

将计算结果由大到小排序并筛选，构成阶段2薄弱节点集$\varOmega_{v}=\left\{v \mid v=1, 2, 3, \cdots, N_{v}\right\}$。其中，$v$表示薄弱节点编号，$N_{v}$表示薄弱节点数。

基于STATCOM配置方案更新新能源基地VSC-HVDC外送系统，开展多故障、多场景下的电磁暂态仿真计算。若系统因故障发生电压振荡失稳现象，采用Λ_i，c判别系统最薄弱节点，继而在该节点(或附近)处配置一台预定容量的调相机，并给定合理的电压设定值。更新系统电磁暂态仿真模型后，再次进行大扰动下的电磁暂态仿真计算。若系统不稳定，则重复上面的步骤，直到系统在所有场景、所有故障下均能稳定运行，由此得到调相机配置方案。调相机配置流程如图 6所示。

新能源基地VSC-HVDC外送系统结构如图 7所示。其中，PM表示直驱风电集群，HJZ表示汇集站。

PM 1~4分别由5台永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)组成。为研究方便，采用等值系统模型：将单个PM场站建模为24台型号相同的2 MW直驱风机。直驱风机关键参数如表 1所示。

控制参数及运行状态一致，使系统总容量达到960 MVA。系统主电路参数如表 2所示。

VSC-HVDC的控制环节主要由外环功率控制环节、内环电流控制环节及调制模块等构成。其中，整流侧采用孤岛控制方式，逆变侧采用定直流电压、定无功功率控制方式。VSC-HVDC关键控制参数如表 3所示。

考虑到求解规模会随场景数量的增长而成倍增长，因此仅考虑系统未来几个典型运行场景即可。由于新能源基地VSC-HVDC外送系统呈现“爪型”结构，因此选取系统新能源大发和小发场景构成预想场景集。设置如下：场景1，新能源大发，即新能源输出功率约占总量66.67%；场景2，新能源小发，即新能源输出功率约占总量33.33%。分别对2种场景进行稳态平衡点的电磁暂态仿真计算。场景1下新能源场站出口电压、有功功率和频率波形如图 8所示。场景2下新能源场站出口电压、有功功率和频率波形如图 9所示。

从图 8和图 9可以看出，无论是新能源大发还是小发，新能源场站的出口电压、有功功率和频率都出现了振荡失稳现象，因此需要向系统配置STATCOM，使其恢复稳定。

汇集站母线电压和频率波形如图 10所示。

选取新能源大发场景，结合图 8、图 9、图 10的电压、频率波形，通过式(1)、式(2)计算该场景下各节点Λ_i，s。计算结果如表 4所示。

由表 4可以看出，PM1的节点Λ_i，s达到0.274，此时该点振荡幅度最大，即为最薄弱节点，因此应优先在该点配置1台50 MVA的STATCOM。STATCOM关键参数如表 5所示。

更新电磁暂态仿真系统模型后再次进行稳态平衡点仿真计算。新能源场站/汇集站出口电压、频率波形如图 11所示。

STATCOM配置节点Λ_i，s如表 6所示。

由表 6可以看出，PM2的节点Λ_i，s达到0.262，此时该点振荡幅度最大，即为最薄弱节点。因此，应优先在该点配置1台50 MVA的STATCOM。更新电磁暂态仿真系统模型后再次进行稳态平衡点仿真计算。新能源场站大发场景下有功功率波形如图 12所示。

从各场站有功功率波形可以发现，在新能源大发场景下，PM1~PM4在经历短暂的振荡衰减过程后，最终实现稳定。

各新能源场站在小发场景下进行稳态平衡点仿真。新能源场站小发场景下有功功率波形如图 13所示。

由图 12、图 13可以看出，无论新能源场站处于大发场景还是小发场景，各新能源场站有功功率均可以稳定输出。因此，采用前文STATACOM配置方法可以有效抑制系统振荡失稳，提升系统稳定性。此时，阶段1输出的STATCOM配置方案即在PM1和PM2处各配置1台STATCOM。

为验证该系统在发生大扰动时是否可以稳定运行，需要在系统内设置故障。由于三相短路故障的严重程度最高，对系统的影响最大，最容易诱发新能源基地VSC-HVDC外送系统的暂态电压失稳，因此采用三相短路故障作为研究对象。针对3 s时图 7中A点所在的双回输电线上某一回线发生三相短路故障，故障持续150 ms后该回线自动切断这一现象，进行稳态平衡点仿真计算。新能源场站/汇集站出口电压波形如图 14所示。

调相机配置各节点Λ_i，c如表 7所示。

由表 7可以看出，HJZ5的节点Λ_i，c达到0.693，此时该点暂态失稳程度最大，即为最薄弱节点，应优先在该点配置1台50 MVA的调相机。调相机关键参数如表 8所示。

更新电磁暂态仿真系统模型后再次进行稳态平衡点的仿真计算。新能源场站大发场景下出口电压、有功功率波形如图 15所示。

由图 15可以看出，在新能源场站大发场景下，新能源场站PM1~PM4出口电压、有功功率在故障发生后经历短暂的振荡衰减过程，最终实现稳定。

设置各新能源场站在小发场景下进行稳态平衡点仿真计算。新能源场站小发场景下出口电压和有功功率波形如图 16所示。

由图 15、图 16可以看出，无论新能源场站大发还是小发场景，各新能源场站出口电压、有功功率在大扰动下均可以实现稳定运行。因此，采用调相机配置方法，可以提升系统的电压支撑能力，使系统在经受大扰动后尽快恢复至稳定状态。

为解决新能源基地电压支撑能力较弱、失稳严重等问题，本文提出了一种新能源基地VSCHVDC外送系统无功补偿设备配置方法。其中：阶段1建立新能源基地VSC-HVDC外送系统电磁暂态仿真模型，为满足各种工况下的小扰动稳定运行，提出了STATCOM配置方法；阶段2基于阶段1的配置，以实现系统大扰动稳定运行为目标，提出了调相机配置方法。随后，基于PSCAD/ EMTDC电磁暂态仿真平台，设计了一个包含20个直驱风电场站的新能源基地VSC-HVDC外送系统进行验证，证明了所提方法的有效性。