MGP提高直流送端新能源动态无功补偿能力研究

付文启，黄永章,2，管 飞，杨 鑫，谷昱君

MGP提高直流送端新能源动态无功补偿能力研究

付文启1，黄永章1,2，管 飞1，杨 鑫1，谷昱君1

（1. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206；2. 华电(烟台)功率半导体技术研究院有限公司，山东 烟台 264000）

高压直流输电线路送端常伴随一定比例的新能源电源接入，新能源占比过高会导致电网动态无功补偿能力不足，并降低送端系统电压调节能力和直流线路有功功率传输稳定性。同步电机对系统（motor-generator pair, MGP）具备动态无功补偿能力，能较好满足新能源电场与直流输电线路送端暂态无功需求。本文根据MGP的系统结构和数学模型，分析了MGP提供动态无功补偿的响应过程，得出适当减小d″、d′、d0′与励磁调节器励磁增益倍数可以增强MGP无功输出能力的结论。对比了交流系统不同程度电压降落下MGP的动态无功响应能力；在此基础上，还研究了改善MGP系统结构参数后其无功补偿能力的提升表现。仿真结果表明：交流系统电压跌落幅值越大，MGP的动态无功补偿能力越强，更有利于维持直流线路功率传输稳定；改善MGP系统参数后，其动态无功响应能力得以进一步增强。

动态无功补偿；高比例新能源；同步电机对系统；直流输电

0 前言

由于资源条件和人口特点，我国能源与负荷呈逆向分布，大容量、远距离输电的需求促进了特高压直流输电工程的蓬勃发展，电网呈现“强直弱交”特点[1]。同时随着新能源市场的不断扩大，风电、光伏等新能源发电经直流线路送出的容量逐步提升，给电力系统安全稳定运行带来了新的挑战[2]。

高压直流送端通常建设在边远地区，网架薄弱，新能源占比过高会导致系统短路容量和动态无功补偿能力不足[3-4]，提高送端新能源动态无功补偿能力是保障高压直流输电“强无功支持”的重要手段。新能源接入电力系统的规定导则要求新能源电场具备一定的无功补偿能力[5-6]，能既满足场站本身需要，还可满足补偿变压器和输电线路的无功需求。新能源电场可以通过配置SVC与SVG来补偿无功，然而在实际运行的风电场中，这些无功补偿装置可能存在运行可靠性差、动态无功响应时间不满足要求等问题，使得故障期间难以发挥足够的无功电压调节能力[7-8]，并且这些补偿设备受系统电压影响，在系统电压降低时该问题在含直流送端的区域尤为突出[9]。在直流送端配置同步调相机可以大幅改善该地区无功电压调节水平，同时具备次暂态特性，可瞬时吸/发大量无功，抑制直流线路故障引起的暂态过电压[10-12]，但调相机集中在送端换流站并不能有效抑制各新能源并网的暂态过电压，与“就地平衡”无功补偿原则相悖。为此，文献[13]提出了分层分散配置调相机的方法，化整为零，在更低电压等级的新能源并网点配置小容量同步调相机，仿真结果显示分布式调相机能更好抑制新能源暂态过电压的问题，但是调相机接入地点距新能源电场始终存在一定的电气距离，当系统电压不稳时，新能源并网点电压波动依然较大，机组仍存在脱网风险。

提升新能源电场自身无功补偿能力是一个解决思路。文献[14]提出了新能源通过驱动同步电动机-同步发电机对（MGP）的并网技术，通过引入同步电机的优良属性来弥补电力电子换流器存在的不足。文献[15]提出了适用于MGP的源网相位差控制方法，实现了新能源经MGP并网的稳定运行。文献[16]和[17]研究表明MGP可以增强惯性，提升新能源电网频率的支撑能力。文献[18]利用小干扰模型验证了MGP能提供比相同质量块的发电机更大的阻尼。文献[19]从MGP的隔离作用角度出发，通过仿真与实验证明了新能源经MGP并网使得新能源场站具备良好的高/低电压穿越能力。本文首先分析了MGP的系统结构，根据同步电机运行理论，得出MGP提供动态无功补偿的原理，并通过光伏经MGP接直流输电线路并网的仿真结论验证了MGP具备良好的动态无功响应能力。

1 MGP动态无功补偿机理分析

1.1 MGP系统结构

同步电机对系统由一对参数完全相同的同步电机组成，两台电机分别作为电动机和发电机，通过一个机械轴串接运行，因而各运行工况下都保持同转速和同转向运行。其工作模式为：新能源发电驱动电动机，电动机带动发电机发电，并入交/直流电网，新能源经MGP系统并网结构如图1所示。

图1 MGP系统结构

MGP由于机械传动轴的存在解耦了两端的电气系统，新能源端或电网端发生故障扰动时，另一端会因为隔离作用而几乎不受影响，因而MGP的电动机和发电机分别配有一套独立的励磁系统。

1.2 MGP无功调压特性分析

MGP的两台电机除了工作模式不同，数学模型基本相同，此处以同步发电机为例，分析派克变换下，MGP无功输出的过程。

同步发电机输出无功功率为：

式中，d、q分别是发电机直轴定子电流和交轴定子电流；d、q分别是电机直轴定子电压和交轴定子电压；SG为发电机输出有功功率。

在电网强度薄弱的直流送端地区，当电网故障时，MGP不仅能凭借其隔离作用保障电动机侧新能源的正常运行，还能增强发电机侧电网的动态无功补偿能力。MGP发电机侧的动态无功响应原理可以从同步电机的电压调节特性进行分析，以电压暂降为例，设故障后系统母线电压从0下降为1，发电机端电压突变量Δ=0－1，由式（1）可知，增发的无功ΔSG为：

设故障前电流为0，故障后发电机发出电流为1，则短路电流增量Δd=1-0，上式可以化为：

分析可知，系统初始母线电压0由该系统的短路容量、等值阻抗和网络结构特性所决定。电压突变量Δ取决于故障点的电气距离及其故障类型。0主要取决于系统初始运行状态，因此MGP发电机动态无功响应能力主要由Δd体现，通过增大Δd及其变化速率就可增大发电机的无功响应能力。

MGP动态无功响应特性可以从时间尺度上划分为次暂态和暂态特性。在电力系统发生电压跌落瞬间，MGP发电机侧定子绕组感生出大量电流，增发无功功率来抑制系统电压进一步跌落，该阶段为强励控制启动前发电机自发的无功响应，即发电机的次暂态特性。

分析次暂态下发电机定子电流d轴分量的突变量：

式中，1=d″+T；2=d′+T；3=d+T；d″、d′、d分别为发电机直轴次暂态电抗、直轴暂态电抗、直轴稳态电抗；d″、d′分别为发电机直轴次暂态短路时间常数、直轴暂态短路时间常数；a为定子绕组的非周期分量衰减时间常数；T为恒定值，与系统结构参数有关；Δ0、Δ分别为发电机内电势与端电压之差、发电机端电压故障前后变化量。

在暂态特性下，考虑励磁调节器作用，MGP发电机定子和转子暂态电压增量形式方程为：

式中，q′、q分别为发电机暂态电动势和空载电动势；d0′为定子绕组开始时励磁绕组时间常数。

发电机励磁调节器的数学模型如图2所示。

图2 励磁调节器模型

采用线性化处理后可简化描述为：

式中，A是发电机励磁调节器的增益倍数。

对式（5）进行拉普拉斯变换后可得暂态电动势变化量为：

式中，为拉普拉斯算子。

将式（7）与式（5）联立可得：

式中第一项为惯性环节，是发电机暂态特性下的自发无功响应，第二项与励磁调节器的调节作用相关。

由式（4）和式（8）可知，在电力系统电压波动的过程中，MGP无功补偿能力主要与发电机端电压变化幅度，发电机d″、d′、d0′参数与励磁调节器增益倍数A有关。

2 仿真模型的建立

为验证MGP提高新能源动态无功补偿能力的作用，本文利用PSCAD仿真软件搭建了如图3所示的新能源接入高压直流输电系统的仿真模型。该高压直流输电系统采用单极对称运行方式，换流站和逆变站分别由两个250kV六脉动换流器串联而成，直流传输线路额定容量为1000MW，额定电压为500kV，直流送端额定电压为345kV，由能传输有功功率780MW的交流系统和一个发电容量为220MW的光伏电站构成，光伏电站通过相同容量的MGP系统并入直流电网，受端为额定电压230kV的交流系统。

MGP的电动机与发电机均为相同的同步电机模型，采用PSCAD软件系统默认参数，具体数值见表1。

图3 新能源经MGP接入高压直流输电系统的仿真模型

表1 同步电机参数

励磁电压调节器采用AC1A模型，增益倍数A为系统默认值300。

2.1 MGP动态无功响应能力验证

控制MGP的同步电机运行在功率因数接近1的状态下，在仿真中设置交流系统在5s时发生暂态电压跌落，持续时间为0.1s，电压下降比例为10%，分别测量MGP两端电动机与发电机以及交直流系统各电气量的改变情况，仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，交流系统电压在5.1s时达到最低后故障切除，系统经过0.6s后恢复到故障前水平。电压跌落及恢复的暂态过程中，MGP的发电机在自发性的无功响应与励磁调节器作用下，增发无功功率抑制了交流电压的进一步跌落。在系统电压最低时，多发的无功达到了最多的92Mvar，并在故障切除0.7s后恢复到了原来的无功功率输出水平。

由1.2节的无功调压原理分析可知，MGP的动态无功响应能力还受系统电压跌落程度的影响，为此，进一步对比了在MGP接入高压直流输电系统后，不同电压跌落幅值下MGP的动态无功响应能力。在仿真中设置在5s时，交流系统电压分别跌落10%、20%、30%，持续0.1s，MGP动态无功补偿的仿真结果如图5所示。

从图5可以看出，随着交流系统电压从345kV跌落到315kV、275kV和245kV，在励磁控制作用下的MGP动态无功响应能力也逐步增强，分别增发到了稳态时输出的无功功率的4倍、7.7倍和9.8倍。由此可知，随着电压降落幅值增大，MGP能为交流系统提供更强的暂态无功支撑能力。

2.2 MGP系统参数的优化

由式（4）和式（8）可知，MGP无功响应能力与发电机端电压下降程度、励磁调节器的调节参数及发电机自身的参数有关，而MGP端电压下降幅度受交流系统故障严重程度决定，不受自身控制。从改善励磁参数和发电机参数角度出发，适当改变同步电机的d″、d′、d0′数值大小与励磁调节器励磁增益倍数可以增强MGP动态无功响应能力。改善后同步电机模型的参数见表2。

表2 同步电机参数

将发电机励磁调节器增益倍数A改为400。在仿真中设置5s时，交流系统电压跌落30%，持续0.1s，并与电机参数改善前的系统电气量参数变化进行对比，对比结果如图6所示。

由图6可知，MGP的发电机在参数改变后动态无功响应能力得到有效改善，在同样故障情况下，无功响应峰值由原来的280Mvar增至了320Mvar；增发的无功进一步抑制了交流系统电压降落，电压跌落的最低点由原来的240kV增至245kV；直流线路有功功率传输的最低值由450MW增至468MW，电压恢复过程中的功率波动程度也有所降低。

根据以上仿真结果可以得出，在改善电机参数和励磁调节器增益倍数后，MGP对系统电压的调节能力和动态无功补偿能力得以进一步加强，并能增强对暂态过程中直流线路传输功率波动的抑制效果。

3 结论

由于直流送端的高比例新能源地区常常存在动态无功补偿能力不足的问题，导致系统暂态电压支撑能力薄弱，威胁高压直流线路大容量功率输送的稳定性。本文首先分析MGP的系统结构和MGP增发无功功率的原理，而后通过仿真验证光伏经MGP并网可以提高该地区动态无功响应能力，增强高压直流输电线路功率传输的稳定性。并得出以下结论：

（1）MGP动态无功响应能力主要与发电机端电压跌落程度、励磁系统控制参数和发电机结构参数有关，随着系统故障程度加深，MGP能增发更多无功功率来抑制电压跌落。

（2）相同故障情况下，通过改善电机结构参数和励磁系统调节系数，可以有效增强MGP动态无功响应能力，进一步抑制交流系统暂态电压降落，并提高直流线路暂态故障下的有功功率传输稳定性。

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Study on Improving the Dynamic Reactive Power Compensation Ability of Renewable Energy on DC Transmisson Sending System via Motor-generator Pair (MGP)

FU Wenqi1, HUANG Yongzhang1,2, GUAN Fei1,YANG Xin1,GU Yujun1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 2. NCEPU(Yantai) Power Semiconductor Technology Research Institute Co., Ltd., Yantai 264000, China)

The sending end of HVDC transmission line is often accompanied by a certain penetration of renewable energy power access. If the penetration of renewable energy is too high, the dynamic reactive power compensation capacity of the power grid will be insufficient. This problem would reduce the voltage regulation capability and the power transmission stability of the sending end system. Motor-generator pair (MGP) has dynamic reactive power compensation capability, which can better meet the transient reactive power demand of the renewable energy electric field and the transmission end of the DC transmission line. Based on the system structure and mathematical model of MGP, this paper analyzes the response process of MGP to provide dynamic reactive power compensation, and concludes that properly reducingd″,d′,d0′ and the excitation regulator's excitation gain coefficient can enhance the reactive output capability of MGP. We compare the dynamic reactive power response capability of MGP under different voltage drops of AC system, and then study the improvement performance of the reactive power compensation ability after improving the structural parameters of MGP on this biasis. The simulation results show that the greater the voltage drop amplitude of the AC system, the stronger the MGP dynamic reactive power compensation capability, which is conducive to maintaining the stability of DC line power transmission. After the MGP system parameters are improved, the dynamic reactive power response capability can be further enhanced.

dynamic reactive power compensation; high penetration of renewable energy; motor-generator pair; direct-current transmission

TM712

A

1000-3983(2021)01-0034-06

贵州电网公司科技项目（067600KK52180007）

2020-05-17

付文启（1997-），华北电力大学电气与电子工程学院电气工程专业，硕士研究生在读，主要研究方向为高渗透率新能源电力系统稳定性。