大直流弱送端系统的调相机关键参数及无功策略优化方案研究

赵琪龙

(铜陵学院，安徽 铜陵 244000)

0　引言

近年来，为促进新能源开发和实现能源在全国范围内优化配置，国家大力建设特高压大容量直流输电通道。如西北电网的天中直流、酒湖直流，东北电网的鲁固直流。这些直流的送端均建设在大规模风电、光伏集中开发的偏远地区，网架薄弱，短路容量不足。一方面，直流闭锁后稳态压升较大，超过设备额定运行范围；另一方面，直流换相失败、闭锁引起系统暂态压升过高，严重情况下导致新能源大面积脱网[1-3]。

目前，普遍采用基于电力电子技术的无功补偿设备来提高换流站交流系统的动态无功支撑能力。但大容量SVC、SVG故障率较高，据统计，南方电网每个直流换流站的SVG年平均故障次数为4次，年平均累计停运时间为5个月。调相机基于传统的同步电机技术，其设备和控制技术成熟，运行稳定性好，可以为系统提供短路容量，在降低直流送端暂态过电压方面具备独特优势[4-7]。“十三五”期间，国家电网公司将在多个直流弱送端系统加装调相机。大直流弱送端系统要求调相机不仅有足够的无功调节范围，更需要有良好的次暂态及暂态无功特性，因此，研究参数的优化成为大容量调相机需要解决的问题。

滤波器根据换流站无功策略投切，调相机根据机端电压调整无功，直流近区变电站低容低抗根据高压母线电压投切。这三者在各自的控制系统作用下，会出现不能充分发挥调相机抑制动态过电压和稳态压升的问题，因此，研究直流及近区无功电压协调控制策略是十分必要的。

本文结合特高压直流输电工程弱送端系统对调相机的技术需求，提炼出关键电气参数，并给出优化方向，仿真结果验证了关键参数对提高调相机抑制动态过电压性能的有效性，然后以充分发挥调相机抑制动态过电压及稳态压升作用为目的，给出直流及近区无功电压协调控制策略，最后基于某特高压直流送端电网验证了优化策略的应用效果。

1　直流闭锁电压波动过程及调相机运行特性

直流双极闭锁有功快速归零，交流滤波器组切除时间相对滞后，即使采用快速切除的策略，仍会有约200 ms的滞后时间。在此期间，交流滤波器向系统倒送大量无功，引起电压短时大幅上升。另外，如果直流输送功率较大，直流近区变电站投入大量电容调压，直流闭锁切除滤波器后线路轻载，电压可能超过设备额定运行范围。对于短路容量较低的送端系统，电压升高的幅度会更大。

调相机调压过程按时间顺序可分为次暂态调压阶段、暂态调压阶段和稳态调压阶段[8]。次暂态调压阶段为系统故障后的十几个周波内，调相机次暂态电势保持不变，可瞬时吸收大量无功，抑制交流滤波器组滞后，切除产生的瞬时过电压；暂态过电压阶段，调相机励磁调节器起主要作用，2～3 s内可将励磁电流减至最低，吸收电网因轻载和电容产生的多余无功；稳态调压过程利用调相机深度进相能力抑制稳态过电压。

图1　直流闭锁母线电压及调相机出力曲线

2　调相机模型及关键参数

2.1　调相机静态模型及关键参数

同步调相机无静态模型如式(1)：

(1)

式中：Eq为空载电动势标幺值；U为机端电压标幺值；If为励磁电流标幺值，以上电气量以调相机额定值为基准值；Sn为额定容量；Xd为调相机d轴同步电抗标幺值；Xaf为励磁绕组与定子绕组互阻抗标幺值。调相机的输出功率随励磁电流的变化而变化，同步调相机的额定励磁电流Ifn确定后，额定容量Sn和最大进相能力取决于Xd。当If=0时，调相机的极限进相功率如式(2)所示，提高调相机调相机容量的设计方向是减少Xd。

(2)

式中Ql为调相机极限进相功率。

另外，减小Xd可以提高调相机对系统短路容量的贡献，系统短路容量增大，抑制电压波动的能力就越强。

2.2　调相机次暂态无功特性及其关键参数

同步发电机向系统提供的无功功率为[9]

Q=UqId-UdIq，

(3)

式中：Ud、Uq分别是发电机机端电压d轴、q轴的分量；Id、Iq分别是发电机定子输出电流d轴、q轴的分量。如图2所示，调相机定子电流基本为纯去磁电流或纯增磁电流，所以q轴电流基本为0。由于调相机正常运行时有功功率可以忽略，功角δ几乎为0，根据Ud=Usinδ、Uq=Ucosδ，可知Ud=0，Uq=U。所以调相机向系统注入的无功为

Q=UqId=UId。

(4)

图2　同步调相机稳态向量图

系统故障时的无功变化量为

ΔQ=Q-Q0=UId-U0Id0=

(U0+ΔU)(Id0+ΔId)-U0Id0=

U0ΔId+ΔUId0+ΔUId≈

U0ΔId+ΔUId0，

(5)

式中U0、Id0为系统故障前调相机初始电压和电流。ΔU与故障类型和系统容量有关，只有ΔId与调相机参数有关，调相机调节性能优异体现在ΔId的数值和变化速率上。

不考虑励磁系统作用，发电机机端短路时的定子电流d轴分量变化量为[10]：

(6)

式中：U0、Uq0为短路前发电机机端电压及其q轴分量；ω为电角速度；δ0为短路前发电机功角；Xd″、Xd′分别为d轴次暂态电抗和暂态电抗；Td′为d轴暂态短路时间常数；Td″为d轴次暂态短路时间常数；Ta为定子绕组暂态时间常数。

该式是根据叠加定理认为发电机机端短路相当于在短路点施加反向电压-U0获得的。同理，发电机机端电压升高可以认为在机端叠加电压ΔU，同时,结合调相机电压与其q轴分量相等的特点，调相机定子电流变化量为：

ΔId(t)=-

(7)

2.3　调相机暂态无功特性及其关键参数

以上是发电机本身对压升的抑制作用，在暂态过程中，励磁调节器发挥主要作用，减少励磁电流，从而减少无功输出。为了简化分析，忽略阻尼绕组，调相机定子d轴电压平衡方程和转子电压平衡方程为

(8)

(9)

式中：Eq′为q轴暂态电动势；Td0′为定子绕组开路时励磁绕组时间常数；Efq为假想空载电势。

式(8)解出Id带入式(9)并写成增量形式，

(10)

对快速励磁系统采用简单线性环节描述，

ΔEfq=-KΔU，

(11)

式中K为励磁调节器放大倍数。

对式(10)进行拉氏变换，

(12)

将式(12)带入式(8)的增量形式得电流变化量为

(13)

综上可知，Xd是决定调相机容量的关键参数，另外，降低此值还能提高系统短路容量；Xd″是决定调相机次暂态特性的关键参数；Xd′、Td0′、K是决定调相机暂态特性的关键参数。在电机和励磁调节器厂家设计制造能力的前提下，应降低Xd、Xd′、Xd″、Td0′参数值，提高K参数值。提高K值还应兼顾考虑电网的动态稳定性。

2.4　仿真论证

本文以某特高压直流送端系统为例，如图3所示，仿真采用PSCAD程序，以2017年底为研究工况。设调相机容量300 Mvar，原始参数为Xd=2.0、Xd′=0.22、Xd″=0.17、Td0′=8.0、K=20；优化后参数为Xd=1.5、Xd′=0.14、Xd″=0.11、Td0′=6.8、K=30，图4～5验证了上述关键参数对调相机抑制压升的效果。

图3　某特高压直流送端电网示意图

图4　优化前后母线电压对比

3　大直流弱送端系统无功优化策略[12-15]

大直流弱送端系统电压运行有以下特点：

1)直流闭锁暂态压升较大。换流站的无功电压控制模式有两种：一种是投切滤波器控制换流站交流母线电压为设定值；另一种是定无功，滤波器投入量补偿换流阀消耗无功，使换流站与系统无功交换接近0。无论是哪种电压控制策略，直流功率越大，投入的滤波器组数越多，直流闭锁有功迅速降至0，换流站滤波器过剩无功也越多，暂态压升也越大，尤其是定电压控制策略，直流大功率运行时除了补偿换流阀消耗无功，还需多投入滤波器进行调压，这样故障期间的暂态压升会更高。

图5　优化前后调相机出力对比

2)直流闭锁后稳态压较大。直流大功率运行，大量潮流汇入换流站，使直流近区变电站母线电压大幅度降低，变电站投入电容调压，直流闭锁后线路轻载稳态压升较大，可能超过设备额定的运行范围。

3)稳态时投切滤波器，电压波动较大。根据《高压直流换流站无功补偿与配置技术导则》中的相关规定，投切滤波器组引起的换流母线稳态电压波动应不大于1%。

所以，针对大直流弱送端系统制订一种协调调相机、换流站滤波器和直流近区变电站低容、低抗的控制策略，原则如下：

1)参与日常运行的稳态电压调节，直流换流站交流母线及近区变电站高压母线的电压控制目标为满足电网安全要求的较低值。

2)为保证滤波器投切母线电压波动不大于1%，调相机需保留一定静态无功储备，

(Qf-ΔQ)k=Un×1%，

(13)

式中：Qf为单个滤波器容量；k为电压与注入系统无功功率之比，即无功电压灵敏度系数；Un为换流站交流母线电压额定值。所以，调相机无功出力的最大值和最小值分别为

Qmax=Sn-ΔQ，

(14)

Qmin=Qjx+ΔQ，

(15)

式中Qjx为调相机的最大进相深度。

通过调相机和滤波器组的协调控制，保证滤波器投切时换流母线电压符合相关标准。

3)大容量弱送端系统过压问题突出，为保证调相机在直流闭锁期间能够吸收大量的过剩无功功率，降低故障后的稳态压升，调相机需保持充足的回降无功储备。如果换流站的无功电压控制模式为定电压，设置调相机无功输出为式(14)，然后投入滤波器使母线电压达到控制范围为目标；如果模式是定无功，同样令调相机无功输出为式(14)，滤波器投入量为

Qfs=Qd-Sn，

(16)

式中：Qfs为滤波器需发无功；Qd为换流阀吸收无功。滤波器投入量为换流阀吸收无功减去调相机的设置出力。换流站和调相机作为整体对系统交换无功接近0。图6为换流站滤波器和调相机接线示意图。

这样，直流滤波器投入量减少，从而直流闭锁过剩的无功量减少，调相机瞬时无功吸收量得以保证，暂态过电压值进一步被抑制。避免了滤波器和调相机独立控制调相机动态回降储备不足的问题。

4)直流闭锁后，如果换流站或近区变电站稳态压升较大，超过设备的额定运行值，迅速切除变电站低容或投入低抗。

图6　换流站滤波器和调相机示意图

表1为直流运行功率4 000 MW，换流站定电压控制模式，换流站及近区无功设备协调优化前后抑制压升效果对比。

表1　协调控制前后抑制压升效果对比

4　结语

本文通过公式推导得出电机参数Xd、Xd′、Xd″、Td0′、K是调相机提高容量及改善性能的关键参数，给电机制造厂家在设计大容量优异性能的调相机上提供了理论依据，为国网公司于十三五中后期在特高压弱送端系统投入大型调相机奠定了理论基础。

本文还针对大直流弱送端系统提出一种协调控制策略，该策略减少了直流稳态运行时的电压波动，同时还能有效抑制直流闭锁瞬时过电压，降低了直流近区新能源高压脱网的风险，从而提高了直流输送能力。但该协调控制策略只是充分发挥调相机动态调节能力，直流输送能力的进一步提升依赖于近区新能源耐压能力的提升和网架的加强。

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