多台同步调相机在特高压换流站中的协调控制策略分析

刘会鹏，杨江涛，李军，吴瑕，刘心旸

(1.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南长沙410004；2.国家电网有限公司直流技术中心，北京100032)

同步调相机容量大，可靠性好，动态响应能力强，在电力系统故障情况下能迅速给系统补偿大量无功[1]。同时，同步调相机输出无功，在提高受端交流电网短路比，提高电网稳定性和灵活性等方面具有突出优点[2]。直流系统闭锁时，同步调相机可深度进相运行，吸收电网甩负荷后冗余的大量无功，避免系统电压急剧上升。发生交流系统近端故障、导致电压下降时，同步调相机可实现强励，快速发出大量无功来维持电网稳定。

同步调相机已在理论和工程实际中得到广泛运用[3]，但在特高压直流输电系统的案例较少，且多限于独立控制。本文以特高压直流换流站配置大容量同步调相机为契机，结合换流站无功控制功能和同步调相机无功控制特性，提出多台同步调相机协调控制策略。

1 特高压直流换流站无功控制功能

特高压直流换流站无功控制功能 (UHVDC_RPC)基于交流母线电压或换流站与交流系统的无功交换量要求，以维持交流系统的稳定运行，并根据换流器的无功消耗量和交流电网滤除谐波的需求投运滤波器组，减少谐波对交流系统的危害[4]。

如图1所示，特高压直流换流站无功功率的控制功能包含6项子功能。按照优先级顺序，从高至低对站内配置的滤波器组和并联电容器组进行投退控制[4]，优先级1为最高优先级，见表1。UHVDC_RPC主要完成以下功能或目标:①根据无功设备的容量投滤波器组；②监视稳态交流母线电压；③限制投入的滤波器组；④根据谐波滤波要求投入滤波器组；⑤将直流站与交流电网的无功交换量限制在设定范围内；⑥控制交流母线电压为参考值。另一滤波器来取代此滤波器。该过程可按照时间分成快速取代和常规取代。若跳闸的滤波器属于绝对最小滤波器之内，则系统将在1 s内完成替代，若属于最小滤波器组数，则响应速度会相对较慢，5 s内完成替代过程。

图1 UHVDC_RPC控制框图

表1 无功控制功能优先级

2 特高压直流换流站同步调相机无功控制特性

运行过程中，当某一滤波器被相关保护动作切除后，为满足绝对最小滤波器或谐波要求，会投入电力系统事故后运行曲线按照时间尺度可划分为次暂态过程、暂态过程、稳态过程，如图2所示。对应于每段过程，同步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[5-6]。

图2 同步调相机3种运行特性示意图

2.1 次暂态特性

同步调相机具有应对电网次暂态过程的能力，在电网发生故障瞬间，同步调相机可保持机端电压不变情况下，瞬间吸收/发出大量无功功率。在受端换流站时，无论是交流电网线路故障跳闸或直流系统异常引发交流电压跌落，导致换流站交流母线电压低时，可瞬时发出大量无功，快速恢复电网电压，减少换相失败发生。在送端换流站时，当受端换流站发生换相失败时，会导致送端电网电压瞬时升高，此时同步调相机可吸收剩余无功，有效减小暂态过电压。

2.2 暂态特性

同步调相机具有应对电网暂态过程的能力，同步调相机具有强励特性，调相机励磁电压快速变大，励磁电流迅速增加，允许的最大强励励磁电流可达额定励磁电流的2.5～3倍，能够在短时发出2倍以上额定无功功率。

2.3 稳态特性

同步调相机具有应对电网稳态过程的能力，将同步调相机安装在送端换流站，能够深度进相运行，对系统剩余无功进行消纳，有效减小系统问题过电压概率。安装在受端换流站时，在交流电网故障隔离后，由于负荷急剧增加，电网电压无法恢复至稳态电压运行水平，同步调相机进入迟相运行，快速恢复交流电网。

3 多台同步调相机协调控制策略

3.1 同步调相机运行状况及问题分析

同步调相机作为近两年新增的大型动态无功补偿设备，其控制采用无功外环和电压内环相结合的方式进行无功功率输出控制。正常运行工况下，同步调相机采用无功外环进行控制。交流电网故障时，同步调相机快速转换为电压内环控制，快速调节出力，以达到电压稳定的目的。

对于设置两台同步调相机的换流站，两台调相机在电网故障情况下最大进相深度可达到2×(-150)Mvar，即-300 Mvar，最大额定迟相能力可以达到2×300 Mvar，即600 Mvar。因调相机的进相能力较额定迟相能力偏小，两台调相机可向电网提供和吸收无功功率裕度不同。

在交流系统故障时，系统电压降低，两台调相机有600 Mvar的动态无功支撑能力，在交流电网严重故障导致电压大幅度下降时，调相机还能在强励状态下提供额定容量2倍短时紧急无功电压支撑，可以快速恢复特高压直流系统输送功率和交流系统电压。

当特高压直流系统发生极闭锁时，有功功率瞬时降至0，此时两台调相机的进相无功裕度为-300 Mvar，相当于迟相运行无功裕度的一半，相当于强励状态下无功出力的1/4，此时由于切除滤波器动作相对较慢，送端换流站滤波器冗余大量无功，会造成交流电网暂态电压越限。我国西北等地电网在轻载运行时的稳态电压偏高，也要求调相机具有深度进相能力[7]。尤其对于新能源集中外送的直流输电工程，交流电网电压过高，造成风机大面积脱网，会减少直流系统新能源有功输送比例。表2为当前同步调相机在直流输电系统中的应用情况。

表2 国家电网公司第一批同步调相机数量分布

3.2 多台同步调相机协调控制策略

对于安装有2台同步调相机的换流站，引入同步调相机稳态运行时的出力参考值Qc-ref，迟相运行时Qc-ref大于0，进相运行时Qc-ref小于0。稳态运行时，设定1号同步调相机的出力Qc-ref1为当前直流功率下需要投入的最后一组滤波器容量，代替这组滤波器运行；2号同步调相机的出力Qc-ref2根据小组滤波器的容量和调相机的额定容量及进相能力设定，设定后保持两台调相机的动态无功储备和动态回降无功储备之和相等。

同步调相机1/2的动态无功储备如式 (1)所示:

式中Sn为同步调相机的额定容量，Mvar，两台调相机的额定容量相同；Qc-ref1、Qc-ref2为调相机1/2的当前出力，Mvar；Ql1、Ql2为调相机1/2的动态无功储备，Mvar。

同步调相机1/2的动态回降无功储备如式(2)所示:

式中Qjx为调相机的最大进相能力，Mvar，两台调相机进相能力相同；Qr1、Qr2为调相机1/2的动态回降无功储备，Mvar。

按照策略，设定后保持两台调相机的动态无功储备和动态回降无功储备相等，即式 (3)所示:

代入式 (1)、(2)得式 (4):

运行策略上，在直流功率上升时，功率调整到设定值前，满足无功控制功能中最小滤波器控制的前提下，在无功交换控制子功能需要投入下一组滤波器时，协调控制策略生效。先投入1号调相机，使其出力逐步达到当前功率下将投入的下一组滤波器的容量，再投入2号调相机，使其进相运行，使其满足式 (5)的要求，最终达到调整两台调相机的动态无功储备和动态回降无功储备相等的目的。如图3所示为控制策略示意图。

图3 协调控制策略示意图

在直流功率下降时，仍按照无功控制功能中无功交换控制子功能进行滤波器切除。若再切除一组滤波器将无法满足最小滤波器组数要求，切除一组滤波器将会影响电网谐波性能，且还需要减少无功功率，控制策略将退出调相机协调控制，使两台调相机逐步回归出力为0状态运行。此后，若直流功率继续下降，无功控制子功能会继续切除下一组滤波器。

需投/切的下一组滤波器容量由UHVDC_RPC计算出下一组要投/切的滤波器类型，从而确定该类型滤波器组容量。

控制策略设定1号调相机迟相运行，2号调相机进相运行，换流站无功交换控制滞回值为Qdead，无功交换控制参考值为Qref。根据每个换流站无功消耗情况，按式 (6)的控制策略设定无功交换控制滞回值Qdead和参考值Qref，确保换流站与交流系统无功交换量Qexp在无功交换控制的设定值范围内。

式中Qexp为换流站与交流电网交换的无功；Qfilt为投入的滤波器提供的无功；Qconv为换流器吸收的无功，Qc-ref1＋Qc-ref2为两台调相机提供的无功。

当Qexp小于设定值时，投入一组滤波器，大于设定值时切除一组滤波器，此时UHVDC_RPC无功交换控制 (Q Control)的滞回范围 [Qref-Qdead，Qref＋Qdead] 需要重新设定。

此策略的实施是建立在直流系统原有的无功控制策略基础上的，正常运行情况下，系统按照无功控制按照Q控制要求投切滤波器，在交流滤波器满足直流系统最小滤波器组数之后才投入，不会影响交流滤波器的滤波效果，能很好确保系统的谐波含量满足要求。因此，不需要对原有的控制保护系统进行软件逻辑修改。

3.3 分析与验证

以上分析可看出，采用此策略后，虽然会对系统的动态无功储备有一定影响，会降低一定的无功储备量，但可以通过合理的设置参考值，确保无功储备量满足系统需求，给电网提供足够的无功支撑。在不影响系统经济性的情况下，大幅增加了调相机的出力速度，有利于电网故障的恢复。

由于两台同步调相机一起发出较多无功，此时换流站无功控制功能会少投入一组滤波器。一旦直流系统发生换相失败或极闭锁，送端换流站交流暂态电压过高，交流滤波器投入的数量越少对其影响越小，调相机有更多的动态回降无功储备，可以瞬时吸收更多冗余无功，实现系统电压更平滑控制。交流电网故障时瞬时无功缺额较大，同时调相机有动态无功储备，可以快速补偿系统无功缺额，也有更多的备用交流滤波器组可以投入运行，实现对系统电压的强有力支撑。这两种情况针对送端新能源电源为大容量风电机组的运行极为有利，加入调相机和滤波器协调控制后，实现电网电压平滑调整，可有效抑制风电机组脱网。由于调相机无功出力较以前增加，可以减少滤波器组投入数量，增加备用滤波器数量。同步调相机接入换流站交流母线后，会有效增大换流站交流母线短路容量，有效减小滤波器投切对换流站母线交流电压影响。

以某特高压直流换流站为例[8]，在满足绝对最小滤波器和最小滤波器组情况下，在任意直流功率下，需要投入最后一组滤波器容量为260 Mvar(该站滤波器小组容量均为 260 Mvar)，Qdead为210 Mvar，Qref为 0，取 Sn为调相机额定出力300 Mvar，Qjx为调相机最大进相能力150 Mvar，当取Qc-ref1为小组滤波器容量260 Mvar时，Qc-ref2由式(5)计算得-110 Mvar。此时两台调相机的动态无功出力范围为-450～450 Mvar，可确保不同类型电网故障时调相机的动态无功储备和动态回降无功储备相等，比两台调相机均在0出力时的动态无出力范围-300～600 Mvar更均衡。

4 结语

对于配有同步调相机的高压直流输电系统，调相机能够很好的起到动态无功支撑作用。而新一代大容量同步调相机的进行能力较额定迟相能力偏小，使得两台调相机可向电网提供的动态无功储备和动态回降无功储备不均衡，因此，本文提出了多台同步调相机协调控制策略。特高压直流换流站配置的多台同步调相机协调控制后，可以均衡同步调相机的动态无功出力和动态回降无功出力，有效应对交直流系统不同类型电网故障。同时能够减少滤波器组的投入数量，增加备用滤波器数量。