基于同步调相机降低换相失败风险的仿真研究

尹立敏，雷钢，吕莉莉，齐敏

( 东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132000)

0 引 言

在高压直流输电系统中，换流站的正常运行需要大量的无功功率[1-2]，所以为确保换流站的安全可靠运行，必须保证其所需无功功率的供给，而无功功率不足或过剩将使得交流电压的不稳定，严重时可能危及整个交、直流系统的安全稳定运行[3]。特别对于“强直弱交”的电力系统，在换流站的逆变侧，交流母线电压对负荷的变化比较敏感，负荷的变化及无功的变动均会引起交流母线电压的波动[4-5]，大幅度的电压波动还将造成与其相连的换流站逆变侧换流阀发生换相失败故障，严重的换相失败故障还会导致工频交流直接跨接到直流回路中，其结果会在直流回路中引起自由振荡，此时，直流系统中将产生谐振过电压，并中断部分直流功率的输送[6-7]，影响交直流系统安全稳定的互连。由于考虑到同步调相机在次暂态、暂态和稳态全时间尺度能够提供无功补偿和电压支撑[8]的功能，因此可以在弱交流系统逆变侧装设同步调相机，利用其强劲的无功支撑能力防止换流站出现严重的换相失败，为交流侧母线电压故障的切除赢得宝贵的时间。所以，同步调相机对于提高电网动态电压稳定性、保障高压直流输电工程安全稳定运行具有十分重要的意义。

我国高压直流输电系统具有“强直弱交”的特点，这势必对直流输电系统无功补偿的性能提出更高的要求。2016年，国家电网公司开展了首批同步调相机安装工程的建设，拟在临沂、皖南、锡盟、泰州、酒泉、湘潭和南京等7个特高压直流换流站加装同步调相机，制定了建设“暂动态特性优、安全可靠性高、运行维护方便”的国际一流精品工程目标[9]。在国外，为解决与换流站逆变侧相连的弱交流系统电压稳定问题，最典型的工程就是伊泰普直流工程逆变侧换流站和纳尔逊河直流工程逆变侧换流站都分别接装设了同步调相机[10-11]，其目的是利用同步调相机优良的动态特性，在逆变侧交流母线电压发生大幅波动或故障的瞬间，能减小其电压波动，从而减少换流器换相失败故障的发生。

首先分析了换流站逆变侧换相失败故障发生的主要原因；然后，结合换相失败发生原因从同步调相机的次暂态、暂态和稳态特性来分析其运行特点；最后，基于PSCAD/EMTDC仿真软件仿真验证同步调相机良好的动态特性能够为系统提供巨大的无功支撑，既保障了系统电压的稳定性，同时也减少了逆变侧换流器换相失败故障的发生风险。

1 换相失败分析

1.1 换相失败过程

换相失败是指在换相电压反向之前未完成换相的一种故障[12]。工程上所采用的换流单元主要为12脉动换流单元，相比于6脉动换流单元，可以谐波次数，降低滤波器成本，而12脉动换流单元由两个6脉动换流单元串联而成，故只需对6脉动换流单元进行换相失败分析即可。其原理接线图如图1所示。

图1 6脉动换流单元原理接线图

一次换相失败：当阀VT1在向阀VT3的换相过程发生失败后，则阀VT1不会关断接着导通，当阀VT2换相至阀VT4后，会形成阀VT1和阀VT4导通的情况，在直流侧发生短路。一次换相失败过程中，通过阀VT1和阀VT4形成的直流侧短路将持续三分之一周期左右，此期间没有反电动势出现在逆变侧。

连续换相失败：如果阀VT1向阀VT3发生换相失败后，阀VT2向阀VT4的换相的过程也发生失败故障，那么将会出现连续换相失败故障。在连续相失败期间，阀VT1和阀VT2将持续导通近一个周波，与阀VT1和阀VT2两端所连的交流电压直接跨接在直流端，将工频交流电引进到直流回路中，可能还会在直流线路电容与电感元件之间造成基波频率的谐振，导致过电压。如果换相失败故障不能及时切除，多次连续换相失败的发生会导致换流阀闭锁，将使得直流输送功率部分或全部中断，在严重的情况下还会出现多个逆变站同时发生换相失败故障，影响电网的安全运行。

1.2 换相失败原因分析

逆变站的换相失败多由交流系统故障造成[13]，而逆变器关断角γ过小是造成逆变侧换流站换相失败常见原因，其基本公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中k为变压器变比;Ul为逆变器交流母线电压有效值；Id为直流电流；Xc为等效换相电抗；β为逆变侧触发超前角；Ud1、Ud2分别为整流侧和逆变侧直流电压，R为直流线路电阻。

当逆变器交流侧母线电压Ul大幅度跌落时，由公式(1)可知关断角γ减小，由公式(2)、公式(3)可知直流电流Id迅速增大，也将导致关断角γ减小，从而引发换相失败故障。特别是对于逆变侧接弱交流系统，其负荷变动对电压的波动影响很大，一旦负荷的变化引起交流母线电压Ul发生大幅度波动或故障时，逆变侧换流器换相失败故障发生的可能性增大。

研究表明，当逆变侧交流系统短路比小于3时，则需要考虑装设其他无功补偿设备，其比较有效的方法是装设同步调相机[14]，利用同步调相机良好的动态特性，来支撑交流母线侧电压稳定，防止换流站出现严重的换相失败而对系统造成严重的后果。

2 同步调相机特性

2.1 同步调相机的运行特性

同步调相机是特殊运行状态下的同步电机，可视为不带有功负荷的同步发电机或不带机械负荷的同步电动机。同步电机是实现电能与机械能变换的元件，由于其动态性能非常复杂，而且其动态性能又会对电力系统的动态性能有很大的影响，因此需要对同步调相机作深入的分析。

为了直观地进行电机暂态过程分析，根据同步电机的派克方程在dq0坐标下可以导出d轴、q轴等值电路,如图2～图3所示。并且选用文献[15]中提及的Xad标幺值系统进行标幺化，从而使d、q轴转子与定子绕组间的互感在标幺值方程中分别等于Xad或Xaq。

图2 d轴等值电路

图3 q轴等值电路

由d、q轴等值电路分析可知，同步电机的次暂态过程主要由d和q轴的等值阻尼绕组决定，时间常数很小。暂态过程主要由d轴上的励磁绕组和q轴上的等值阻尼绕组g决定。由于同步调相机的次暂态、暂态以及稳态过程(见图4)，调相机可分别发挥次暂态特性、暂态特性、稳态特性，为系统提供动态无功支撑。

图4 调相机的次暂态、暂态、稳态过程

同步调相机的次暂态特性可以使其在故障瞬时发出大量的无功，有利于稳定电压水平，减少换相失败几率。同步调相机的次暂态特性与其直轴超瞬态电抗Xd″有关，当定子绕组发生突然短路时，定子绕组A相电流为：

(4)

同步调相机的暂态特性。当系统负荷发生大幅波动或者交流系统发生严重故障导致电压大幅跌落时，利用同步调相机的暂态特性能够使调相机在短时(秒)发出2倍以上的额定容量无功，为系统提供有力的无功支撑来保持电压的稳定，防止换流站出现严重的换相失败，为故障的切除提供宝贵的时间，有助于直流功率和交流系统电压迅速恢复，防止电压崩溃。故为提高同步调相机的暂态特性，直轴瞬变电流衰减的时间常数Td′要尽可能小，提高调相机输出无功功率的爬升速度。Td′的表达式为：

(5)

式中Td0为励磁绕组的时间常数；Xd为同步调相机的直轴同步电抗；Xd′为同步调相机的直轴瞬变电抗。

同步调相机的稳态特性。之前天津北郊变160 Mvar机组是我国容量最大的同步调相机机组，而目前适用于高压直流输电系统中的同步调相机的额定容量为300 MVA，额定进相无功在150 Mvar～200 Mvar之间，额定迟相无功为300 Mvar，其稳定的进相和迟相运行，能够有效保持系统电压的稳定，真正做到“大直流输电，强无功支撑”。同时，调相机容量的提高有也有利于降低单位造价。

2.2 增加系统短路容量

同步调相机除了可以利用上述的次暂态、暂态和稳态特性全时间尺度的给系统提供无功补偿和电压支撑外，其还有一个非常重要的作用，即增加系统的短路容量，进而提高了系统的短路比，提高了系统的稳定性。描述系统强弱的短路比一般用如下公式来定义：

(6)

式中SSC为交流系统中换流母线的短路容量;PdN为换流站输送的额定功率。

当交流系统发生三相短路故障时，在同步调相机为系统提供无功功率的同时，也在向系统注入无功电流，忽略相关的电阻，注入的电流I为：

(7)

式中E0为同步调相机的励磁电动势；Xd′为直轴超瞬态电抗；Xσ为变压器的漏电抗。

图(5)为交流系统三相短路，同步调相机注入无功电流时的电路图。

图5 同步调相机注入短路电流电路图

当系统处于稳定运行时，同步调相机的励磁电动势E0与其机端电压U相等，都接近1.0 p.u.。当系统发生三相短路故障后，同步调相机强励运行，以发出大量的无功功率来减少电压的跌落，此时励磁电动势E0>1.0 p.u.，将会有更大的电流注入系统，进一步提高系统的短路容量。为了最大化的利用同步调相机提高系统短路容量这个特点，从公式(7)可知，可以合理的减小同步调相机的直轴超瞬态电抗Xd″和变压器的漏电抗Xσ。

3 仿真计算

仿真算例模型为单极高压直流输电系统，直流电压为500 kV，系统容量为1 000 MW，该系统逆变侧短路容量比SCR为2.5，换流站受端装设同步调相机有利于系统的稳定。仿真模型主电路如图(6)所示。

图6 仿真模型主电路图

图中同步调相机经变压器接在逆变侧交流母线上，该调相机额定容量为300 MVA，额定进相无功和迟相无功分别为-150 Mvar和300 Mvar。

3.1 交流侧电压幅值跌落工况

仿真工况为在20 s时交流侧电压跌落至6.7%，23 s时恢复正常值。选择电压跌落6.7%是因为对文中模型进行了一系列仿真发现该值是加装调相机后电压跌落致使换相失败发生的临界值，即当逆变侧交流母线电压跌落值大于6.7%时，对于逆变侧加装调相机的系统，也会使得逆变侧换流站发生换相失败故障。在逆变侧加装同步调相机的系统，在故障时同步调相机励磁电压升至3.5倍强励，切除故障后恢复正常励磁。图7和图8分别为不加同步调相机与加装同步调相机后逆变侧直流电压和直流电流波形图。

图7 逆变侧直流电压、电流波形图(不加调相机)

图8 逆变侧直流电压、电流波形图(加装调相机)

由图7可知，由于20 s时刻交流侧电压发生跌落，逆变侧换流站换相失败故障发生。由于逆变侧加装了调相机，虽然交流侧母线电压跌落，但从图8中可以看出，直流电压、直流电流虽然有一定的波动，但并未发生换相失败。图9为故障时刻同步调相机的无功输出曲线图。

图9 调相机的无功输出波形图

由图9可以看出，电压跌落前同步调相机的无功出力为零，电压跌落瞬间由于同步调相机的次暂态、暂态特性迅速发出大量无功功率以支撑交流侧电压水平。

而对于不加调相机的系统，通过对该模型的仿真计算发现电压跌落致使换相失败故障发生的临界值为5.3%。显然，对于逆变侧加装同步调相机可以降低换相失败故障发生的风险。

3.2 交流侧电压幅值升高10%工况

仿真工况为在20 s时交流侧电压升高10 %，23 s时恢复正常值。对于在逆变侧加装同步调相机的系统，在故障时同步调相机励磁电压降至0.7 p.u.,处于欠励状态，切除故障后恢复正常励磁。

图10、图11则分别为电压抬高10%后不加同步调相机与加装同步调相机后逆变侧直流电压和直流电流波形图。

图10 逆变侧直流电压、电流波形图(不加调相机)

图11 逆变侧直流电压、电流波形图(加装调相机)

由图10可看出，20 s～23 s内，因为交流侧母线电压升高原因，直流电压和直流电流有小幅度上升， 23 s交流侧电压降低到初始值，由于电压的降低，致使换流站发生换相失败。从图11可以看出，由于同步调相机的存在，交流电压升高期间，逆变侧直流电流和直流电压的升高不如图10明显，且交流电压恢复初始值后，虽然换流站的直流电流和直流电压有小幅波动，但依然正常运行，并没有出现换相失败故障，显然同步调相机的存在防止了此种工况下逆变侧换流站发生换相失败故障。图12为同步调相机的无功功率输出曲线。

图12 调相机的无功输出波形图

从图12可以看出，交流母线电压升高期间，同步调相机进相运行吸收无功功率，抑制电压升高。当交流母线电压恢复初始值时，同步调相机又迟相运行发出无功功率来使电压稳定。

4 结束语

高压直流输电系统中逆变侧交流母线电压的波动或者故障往往能够引起逆变侧换流站发生换相失败故障。特别是弱交流系统，其负荷变动对电压的波动影响很大，所以针对此系统需要在其逆变侧换流站装设同步调相机，利用同步调相机的次暂态、暂态和稳态特性全时间尺度提供无功补偿和电压支撑。次暂态方面，在电网电压跌落的瞬间，同步调相机通常能够在几到几十毫秒范围内快速发出大量无功功率，来抑制电网电压的跌落，为故障的切除争取宝贵的时间以防止严重换相失败故障。暂态方面，在故障恢复期间，利用同步调相机强励磁特性，能够使自身的短时过载能力达到额定容量的两倍来稳定逆变侧交流母线电压。稳态方面，同步调相机可连续无功调节，深度进相能力使得其无功调节更加灵活。此外，同步调相机在无功补偿的同时，还能增加系统的短路容量以提高电网稳定性。