调相机在±800 kV特高压直流换流站中的应用研究

滕 辉，马 龙，陈大庆

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

目前，山东电网通过1 000 kV交流、500 kV交流和±660 kV银东直流输电系统，分别与华北电网和西北电网相连，每日接纳外送交直流电力能力可达9000MW。与交流输电系统相比，高压直流输电系统具有长距离、大容量、损耗小等优点［1］。按照全球能源互联网战略的国内规划，我国特高压直流输电工程的发展规律、清洁能源的大规模集约开发趋势以及外电入鲁政策的深度实施，昭沂直流和鲁固直流的2个特高压直流输电工程在建成投运后，给山东带来2×10 000 MW的直流外送电力。山东电网作为有功电力的受端，其电网特性将进一步发生显著变化：区域内接纳外来电力规模的成倍增长和地区间的动态无功储备下降、电压支撑不足的矛盾将会愈发突出，如何确保受端电压稳定的问题逐渐被提上了大电网安全稳定的主要议程。而能源大范围优化配置的客观要求，特高压直流的大规模有功输送，必然要匹配大容量充足的动态无功进行补偿，这便是“大直流输电，强无功支撑”的理论要求。基于上述背景，结合国内已运直流输电工程和上海庙—临沂特高压直流输电的工程实践，对特高压换流站采用调相机进行无功补偿的应用进行研究。

1 我国直流输电工程的问题及解决方案

1.1 存在的问题

我国目前的直流输电工程已逐步形成±400 kV、±500 kV、±660 kV、±800 kV 和±1 100 kV 为主的 5 个电压等级，其在运、在建和核准的特高压线路达到3万km、变电（换流）容量超过3.1亿 kVA。如此庞大的特髙压直流输电工程对高压直流输电的平稳运行以及交直流电网系统的共同稳定提出了更高的要求［2-3］：1）无功补偿方式不够灵活，以固定电容器组补偿为主，正常运行工况时，与换流器相连的交流侧电网需安装大量的无功功率补偿及滤波设备，固定式电容器组的投切速度响应较慢，发生甩负荷情况时，换流站容易出现无功过剩现象，造成母线过电压；2）受端电网的强度较弱，我国华北地区运行电网非常复杂，部分直流落点附近的交流系统电气距离较远，受端系统非常薄弱，这就容易诱发换相失败，进而对交流电网产生冲击，造成电网振荡，严重时甚至导致系统解列。

特高压直流输电工程可进行大容量“点对点”式地输送有功功率。根据直流设计原则，直流工程本身不具备向系统提供动态无功的功能，且会在动态过程中从电网中吸收大量的无功功率来维持受端电压的稳定。这将会导致受端电网无功功率的严重不足。而计算和实测也表明，单一特高压直流工程若发生换相失败现象，逆变侧将会从系统吸收4 000 Mvar以上的无功功率，给区域电网带来巨大的无功功率冲击，导致电压失稳乃至崩溃。随着直流的大规模馈入，多回直流系统若同时发生换相失败，将会造成电网解列的恶性后果。因此，对直流输电系统进行动态且充足的无功补偿是非常重要的。

1.2 解决方案

电网中的电压稳定程度与其所配置的无功补偿程度有着十分紧密的关联，目前常用发电机、调相机、静止无功补偿器 （SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）进行无功功率的调节，这也是动态无功补偿装置的范畴和调节手段。各种动态补偿装置的指标对比如表1所示。

SVC与STATCOM同属于并联型动态无功补偿装置，前者的阻抗特性通过控制晶闸管的通断来实现，进而提供需求量的无功功率；后者具备响应快、精度高等优点，可以提高电网电压的动态稳定性，可以认为是前者的升级和换代。

电网在稳态运行方式时，其系统的电压主要由发电机、电容器、电抗器进行调节。但当电网的运行状态受到较大扰动而处于暂态运行方式时，会导致换流站等枢纽站的母线电压产生较大幅度的波动。由于自身工作原理的限制，电压波动时的电容器、电抗器等传统静态无功补偿装置及方式不能及时地向电网提供足量的无功功率以进行动态补偿，在特殊工况时还会发生电压失稳现象，使整个区域的电网安全稳定运行受到较大影响。因此，足量地配备无功补偿设备且满足动态无功功率补偿的需要，以保证母线电压稳定的能力显得十分重要。

2 特高压沂南换流站调相机应用

2.1 调相机系统特点

目前，大容量的调相机采用隐极机的方式进行生产制造，其构造主要由调相机本体、励磁系统、升压变压器、启动系统、冷却系统、油系统和控制保护系统组成，如图1所示。

表1 动态补偿装置对比

图1 调相机系统组成

调相机的励磁系统采用自并励的励磁方式，无旋转部件，稳定性好，励磁电压响应速度快；伴有电压调节通道易出现负阻尼作用的现象，但可以通过PSS进行解决。其具有的强励磁能力，能在母线电压急剧下降的2 s内将自身输出的无功功率容量提升到额定容量的2倍，迅速拉升母线电压，防止电压崩溃和电网解列等恶事件的发生，具有良好的无功调节鲁棒性能。除此之外，调相机具备过载能力且无功输出受系统电压影响较小，在强励作用下可短时发出超过额定容量的无功并可长时提供强无功支撑；具备多达2／3额定容量的进相能力；在运行稳定性好等优点。在过励磁情况下，发出感性无功；在欠励磁情况下，发出容性无功。但也存在着增加短路电流、运维复杂和响应速度相对较慢的劣势。

2.2 调相机接入效果

特高压沂南换流站采用3×300 Mvar的调相机接入方案，接入前后的效果比对如表2所示。

通过比对，可以发现：接入调相机后，沂南换流站的短路电流、短路容量和直流有效短路比均获得不同程度的提高，且接在沂南换流站500 kV侧的优化效果较沂南换流站1 000 kV侧更为明显，提升了作为受端的山东电网对直流系统的支撑能力。此刻，在山东电网小负荷状态和上海庙—临沂特高压直流工程满功率运行时，以及特高压交流天津南—济南线路发生N-1故障时，系统也可保持稳定运行。

表2 调相机接入前后效果比对

直流输电工程中换相失败主要由交流侧电压波动造成，接入调相机后，可以维持交流侧电网的母线电压，从根本上降低直流系统发生换相失败的风险，有助于上海庙—临沂特高压直流系统功率的快速恢复和电网系统的稳定运行。

除此之外，接入的调相机发出的无功功率可以维持和大幅降低故障发生后电网母线电压的波动程度，有利于电网电压的快速恢复。

3 结语

3×300 Mvar调相机系统接入特高压沂南换流站后，提高了逆变侧的受端电网对上海庙—临沂特高压直流输电工程的支撑能力，提高了系统抗干扰和故障快速恢复能力，稳定了山东电网的电压水平，并大大降低了直流系统发生换相失败的概率，取得了很好的应用效果。