高压直流输电系统单极闭锁故障下同步调相机与STATCOM 的对比研究

宋凯洋，姚 骏，汪 军

（1.内蒙古电力经济技术研究院，呼和浩特 010000；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学），重庆 400044）

由于我国能源与负荷中心呈逆向性分布，需通过远距离进行输电[1]。相比于交流输电系统，高压直流输电系统在大规模远距离输电上具有显著的优势。目前，我国已建成哈密-郑州、锡盟-泰州、上海庙-临沂等多个特高压直流输电系统。正常情况下，根据特高压直流输电系统的设计原则，直流换流站与送端交流系统无功功率的交换为0[2-3]。当高压直流输电系统发生单极闭锁故障后，换流站消耗的无功功率骤减，造成交流侧无功功率过剩，会引起交流电网电压骤升。同时，高压直流输电系统送端多建在风电、光伏等新能源大规模开发的偏远地区，因此形成了较为薄弱的网架结构，当换流站交流侧电压抬升时，将引起新能源发电基地并网点电压进一步恶化，严重情况下可能导致新能源大面积脱网。因此，为了改善单极闭锁故障引起的交流侧电网电压骤升问题，增强送端系统的稳定运行能力，客观上需要提高送端交流系统的无功储备。

作为同步旋转设备，同步调相机既具有较好的无功出力特性，又可以为系统提供短路容量，在抑制直流换相失败、降低直流送端暂态过电压等方面具有独特的优势。文献[4-5]结合换流站逆变侧发生换相失败的主要原因，分析了同步调相机次暂态、暂态和稳态特性对其送端电网电压的影响，并通过仿真验证了同步调相机具有良好的无功补偿和电压支撑能力。文献[6]结合实际工程案例，从增加系统短路比、降低新能源高压脱网风险、抑制暂态过电压等角度研究了同步调相机在酒泉-湖南直流风火打捆送端的应用效果，同时从提升严重故障下的系统电压稳定水平、增加直流多馈入短路比、降低多回路同时换相失败的风险等角度研究了调相机在华东多直流馈入受端电网中的实际应用效果；文献[7-9]讨论了同步调相机的控制策略，并分析了其对高压直流输电系统的影响关系，为同步调相机布点配置和参数设计提供了参考依据。

同时，基于成熟的大容量电力电子技术，静止无功补偿器SVC（static var compensator）、静止同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）等暂态无功补偿装置在电力系统中的应用愈加广泛。文献[10-11]研究了高压直流输电系统中STATCOM的配置方案，以降低HVDC 换相失败风险；文献[12-17] 则提出了STATCOM 与HVDC 换流站的协调控制策略，提高了系统的运行性能，减小了高压直流输电系统发生换相失败的概率；文献[18-21]则讨论了STATCOM 对高压直流输电系统暂态稳定性的影响关系，并结合工程实际分析了其对系统电压的支撑强度以及配置方案；文献[22]研究了送、受端电网电压跌落以及直流闭锁故障下同步调相机与SVC 对高压直流输电系统电压的支撑作用，并指出在电网电压严重跌落时，同步调相机比SVC的无功支撑能力更优越，而在直流闭锁故障场景下，SVC 吸收的无功功率是同步调相机的2 倍，同时还主要对比了高压直流输电系统在电网故障以及直流闭锁场景下同步调相机与SVC 的无功响应特性，但其并未从暂态调节性能方面对两者进行详细的对比分析，且未考虑单极闭锁故障下送端换流站无功电容器组切除的问题。此外，对于高压直流输电系统单极闭锁场景下同步调相机与STATCOM装置动、暂态特性的对比研究以及两者对送端电网电压的影响未见相关文献报导，因此有必要作进一步深入研究。

实际运行过程中，当直流系统发生单极闭锁时，送端控制系统会切除部分无功补偿装置来平衡系统的无功功率，但无功补偿装置的切除需要约200 ms 的延时，因此滤波器和无功补偿装置无法立即切除，从而导致母线电压升高。因此在这种问题已经发生且难以避免的情况下，本文主要讨论故障后同步调相机和STATCOM 的暂态响应能力，将为工程上应对高压直流输电系统闭锁故障以及增强其故障穿越运行能力提供基础。

现有文献主要论证了同步调相机及STATCOM在提高高压直流输电系统无功储备及运行能力上具有广泛的应用，但针对单极闭锁故障下，两类设备对高压直流输电系统送端电网暂态电压特性的影响鲜有研究。因此，本文从设备运行原理、不同阶段设备无功响应特性以及设备在高压直流输电系统送端中的应用效果等方面，对调相机和STAT-COM 进行综合比较，最后结合高压直流输电系统单极闭锁故障下换流站交流侧采用切除部分无功补偿装置后的暂态电压特性，论证了高压直流输电系统送端电网配置调相机的必要性和有效性。

1 同步调相机的技术原理与运行特性

1.1 同步调相机的原理及运行特性

同步调相机实质上是一台不带机械负载、专门用来调节无功功率、改善电网功率因数的同步电动机。调相机拥有与同步发电机相同的励磁方式，主要分为交流励磁和自并励励磁。由于自并励励磁方式调节容量大、速度快，因此现代大型同步调相机多采用自并励励磁方式[6]。

在忽略电阻的情况下，同步调相机的稳态相量如图1 所示。其中，为同步调相机的感应电势，为电枢电流，xs为同步电抗，为同步调相机的端电压。通过自动励磁调节器来调节励磁电流的大小和方向，从而改变调相机的无功输出。

图1 同步调相机稳态相量Fig.1 Steady-state phasor of synchronous compensator

正常运行时，同步调相机从电网吸收的有功功率仅用于克服各种机械损耗，且一般不高于额定容量的1.4%。故可认为同步调相机与电网之间的功角δ 约为0，所以调相机向系统注入的无功功率为

当系统母线电压发生突变时，同步调相机的无功响应可分为两部分，即同步调相机自身的暂态无功响应和调相机励磁控制系统的暂态无功响应。

在考虑同步调相机自身的暂态无功响应时，忽略励磁控制器的作用，同时假设调相机转子转速保持为同步速度，当电压出现扰动时，由于调相机定子绕组、阻尼绕组和励磁绕组间的磁链不能发生突变，机端电压的变化将会引起暂态无功电流的大幅变化，机端电压突变下同步调相机d 轴电流响应为

除了同步调相机自身的无功响应外，电网电压发生变化后，调相机励磁控制系统也会随之响应。考虑同步调相机励磁控制系统的无功响应，参考IEEE ST1A 自并励励磁系统模型，将同步调相机等效为一阶惯性环节，其控制系统传递函数框图如图2 所示。

图2 同步调相机励磁控制系统传递函数框图Fig.2 Block diagram of transfer function of synchronous condenser excitation control system

由图2 可得到同步调相机励磁控制系统的闭环传递函数为

式中：KA为电压放大系数；TA为放大器时间常数；KZ为可控整流器的增益系数；TZ为可控整流器的时间常数；KG为同步机的放大系数；TG为同步机时间常数；KR为电压比例系数；TR为电压测量回路的时间常数；Uref为调相机端电压指令值；UG为调相机机端电压。

结合如下仿真系统参数进行分析。

①直流输电系统：送端交流母线额定电压345 kV，单台整流器直流侧额定电压250 kV，单台整流器交流侧额定电压211.42 kV，整流器直流侧额定电流1 kA。每一极由两台6 脉波整流器构成一组12 脉波整流器。②同步调相机：额定容量为300 MV·A，额定端电压为13.8 kV，直轴稳态电抗为1.34 p.u.，直轴暂态电抗为0.33 p.u.，直轴次暂态电抗为0.185 6 p.u.，定子绕组暂态时间常数为0.017 s，直轴暂态短路时间常数为2.0 s，直轴次暂态短路时间常数为0.035 s，频率为50 Hz，电压放大系数KA为200，放大器时间常数TA为0，可控整流器的增益系数KZ为1.0，可控整流器的时间常数TZ为0.03 s；同步机的放大系数KG为1.0，同步机时间常数TG为8.171 s；电压比例系数KR为1.0，电压测量回路的时间常数TR为0.015 s。③STATCOM：额定容量300 MV·A，直流侧电压25 kV，直流侧电容5 000 μF，连接变压器变比13.8/220 kV，变压器漏抗0.18 p.u.，电压外环比例增益Kpu为0.2，电压外环积分增益Kiu为50，电流内环比例增益Kpc为10，电流内环积分增益Kic为300。

根据式（3）可绘制同步调相机励磁控制系统的闭环伯德图，如图3 所示。由伯德图可以得到同步调相机励磁控制系统闭环传递函数的带宽为6.051 Hz，励磁控制系统的暂态响应时间约为200 ms 左右。

图3 同步调相机励磁控制系统闭环伯德图Fig.3 Closed-loop Bode diagram of synchronous condenser excitation control system

1.2 电网电压阶跃下同步调相机的无功输出

额定容量为300 MV·A 的同步调相机组在电网电压突然跌落至0.8 p.u.和电网电压突然骤升至1.2 p.u.后的无功响应如图4 所示，其分别给出了施加励磁控制以及将励磁电压设为额定值时（励磁控制器未作用）同步调相机的无功响应。由图4（a）可知，在5 s 时电网电压跌落至0.8 p.u.，在施加励磁控制的情况下，同步调相机在故障瞬间发出约285 Mvar 无功功率，30 ms 左右衰减至230 Mvar，此后由于励磁控制的作用使得同步调相机在6.7 s 左右输出300 Mvar 的稳定无功功率；在不施加励磁控制的情况下，同步调相机在故障发生瞬间发出的无功功率将在1.2 s 内衰减至50 Mvar 左右。对于电网电压突然骤升的情况，同步调相机的无功响应亦有类似的结果。为了确保一定的静态稳定裕度，同步调相机受到励磁控制系统的低励磁限制作用[23]，使得其在施加励磁控制的条件下，故障稳态过程只能吸收约160 Mvar 的无功功率。

图4 同步调相机的无功响应Fig.4 Reactive power response of synchronous condenser

综上所述，在电网电压跌落或者骤升瞬间，同步调相机由于定子绕组磁链不会发生突变，将感应出较大的无功电流，为系统提供无功支撑，此时调相机的励磁控制系统作用不明显；之后，随着同步调相机自身电流响应的次暂态分量、暂态分量的衰减，其无功输出主要依靠励磁控制系统。因此，在系统故障发生瞬间，同步调相机主要依靠自身暂态响应进行支撑；而进入故障持续稳态阶段后，才主要依靠同步调相机励磁控制系统进行调节。

2 STATCOM 的技术原理与运行特性

2.1 STATCOM 的技术原理与运行特性

作为一种新型的无功补偿装置，STATCOM 已经在电网暂态无功补偿领域得到广泛应用。STAT-COM 的典型结构和稳态向量如图5 所示，其主体结构一般是由IGBT 等全控型电力电子器件构成，并采用电压源型变流器的形式进行控制。图5 中，为电网电压，为STATCOM 交流侧出口电压，XT 为升压变压器等效电抗，为输出无功电流。

图5 STATCOM 等值电路及稳态相量Fig.5 Equivalent circuit and steady-state phasor of STATCOM

若STATCOM 只采用电流环控制，则其可以具有较快的响应速度，其暂态响应时间可到数十ms级。但在实际运行中，STATCOM 通常采用以所并节点的电压为控制目标的电压、电流双环控制策略，而非采用以无功电流为控制目标的单电流环控制方式[24-26]，其控制结构如图6 所示，其中：内环为电流控制环；外环为电压控制环，为内环提供电流指令；控制系统内的参考角度由锁相环提供。图6 中，Upcc为公共连接点电压，为电压指令值，Udc为直流母线电压，为直流母线电压指令值，id、iq分别为d、q 轴电流分量，分别为d、q轴电流指令，Ls和Rs分别为STATCOM 进线电感和电阻，L0和R0分别为电网线路等效电感和电阻。

图6 STATCOM 的控制框图Fig.6 Control block diagram of STATCOM

由图6 可得到STATCOM 控制系统的闭环传递函数为

式中：G1（s）为电压外环PI 控制器的传递函数；G2（s）为STATCOM 的等效传递函数；X0为系统的等效电抗。两传递函数表达式分别为

结合第1.1 节的仿真参数，根据式（4）可绘制STATCOM 控制系统闭环传递函数的伯德图，如图7所示。由图7 可见，STATCOM 控制系统闭环传递函数的带宽为11.54 Hz，其暂态响应时间约为100 ms。与上文同步调相机自身能在故障瞬间提供无功支撑的能力相比，STATCOM 的暂态响应时间更长。

图7 STATCOM 控制系统闭环伯德图Fig.7 Closed-loop Bode diagram of STATCOM control system

2.2 电网电压阶跃下STATCOM 的无功输出

额定容量为300 MV·A 的STATCOM 在电网电压突然跌落至0.8 p.u.和电网电压突然骤升至1.2 p.u.后的无功响应如图8 所示。

由图8（a）可知，电网电压发生跌落后，STAT-COM 经过140 ms 左右电压输出约290 Mvar 稳定无功功率；由图8（b）可知，在电网电压骤升后，STATCOM 的暂态响应过程持续时间130 ms 左右，最终吸收约310 Mvar 的无功功率。

图8 STATCOM 的无功响应Fig.8 Reactive power response of STATCOM

综上可知，在电网电压发生跌落（骤升）后，采用双环控制的STATCOM 系统暂态响应速度相对较慢，响应时间达到100 ms 以上。而同步调相机在故障暂态中所提供的故障次暂态电流及暂态电流是瞬间产生的，由于电机固有的电磁暂态特性，其在故障发生瞬间及故障后一段时间以内具有较强的故障暂态电流支撑能力，因此其相比于STAT-COM 系统具有更好故障暂态响应能力。但同步调相机在稳态情况下提供动态无功支撑的能力却弱于STATCOM 系统。同时，STATCOM 的无功输出能力受限于电力电子器件的通流能力，因此对于电网电压跌落和骤升两种情况下STATCOM 的稳态无功调节能力比较均衡。

3 单极闭锁场景下同步调相机与STATCOM 的应用比较

图9 高压直流输电系统送端等值电路Fig.9 Equivalent circuit of HVDC transmission system on sending side

送端系统分别接入额定容量为300 MV·A 的STATCOM 和同步调相机后在单极闭锁故障下的仿真运行结果如图10 和图11 所示。高压直流输电系统在5 s 时发生单极闭锁故障，且发生故障后不切除交流侧无功补偿装置。由图10（a）可知，当送端交流系统接入STATCOM，在故障发生后，STAT-COM 吸收约400 Mvar 的无功功率；结合图10（b）与图10（c）可知，送端交流系统公共点连接电压最终能稳定在1.02 p.u.，同时换流站交流侧母线电压稳定在1.08 p.u.，因此STATCOM 对单极闭锁故障后系统的稳态过电压有明显的抑制作用，但是其对于故障瞬间系统公共连接点与换流站交流侧母线的暂态过电压抑制效果不明显。

图10 单极闭锁故障下送端系统接入STATCOM 前后的仿真结果Fig.10 Simulation result of sending-side system with STATCOM under mono-polar blocking fault

对于同步调相机，由图11（a）可知，在单极闭锁故障发生后，调相机吸收约200 Mvar 的无功功率。根据图11（b）与图11（c）可知，送端交流系统公共连接点电压最终稳定在1.13 p.u.，换流站交流母线电压稳定在1.16 p.u.，由于系统进入稳态后调相机励磁控制系统的低励限制，使得调相机吸收无功功率的能力受限，对于系统故障后进入稳态阶段的无功支撑能力比STATCOM 弱；然而同步调相机在故障发生时具有较强的故障暂态电流支撑能力，能瞬时吸收大量无功功率，因此其相比于STATCOM 系统具有更好的故障暂态响应能力，与图10 相比，同步调相机对故障瞬间系统的过电压抑制效果比较明显。

图11 单极闭锁故障下送端系统接入调相机前后的仿真结果Fig.11 Simulation result of sending-side system with synchronous condenser under mono-polar blocking fault

为了进一步对比同步调相机与STATCOM 的应用效果，结合高压直流输电系统在单极闭锁故障下的实际应对措施进行说明。目前，高压直流输电系统发生闭锁故障后一般要通过切除部分以固定电容为主的无功补偿装置来维持系统无功平衡，但切除该部分无功补偿装置需要延时约200 ms[27]。图12 为单极闭锁故障下考虑切除部分无功补偿装置的情况对调相机和STATCOM 的应用对比仿真结果，在5.0 s 时系统发生单极闭锁故障，5.2 s 时部分送端交流侧无功补偿装置被切除。由图12（a）可知，故障发生瞬间同步调相机比STATCOM 吸收无功的能力更强；由图12（b）可知，送端系统切除部分无功补偿装置后，系统电压能够恢复到安全稳定水平，因此只需对比故障发生瞬间至无功补偿装置完成切除这段时间内系统的故障电压抑制效果。通过对比发现，在5.0 s～5.2 s 调相机和STATCOM 对稳态故障过电压能力的相差不大，但是对于故障瞬间，同步调相机对过电压的抑制能力明显优于STATCOM。因此，系统发生单极闭锁故障后，结合实际工程情况切除无功补偿装置的措施，同步调相机的无功支撑能力优于STATCOM。

图12 单极闭锁故障下考虑切除部分滤波器后送端交流系统的仿真结果Fig.12 Simulation result of sending-side AC system with removal of part of filters under mono-polar blocking fault

综上可知，在换流站单极闭锁时是否切除交流侧无功补偿装置两种场景下，相比于STATCOM，同步调相机在故障发生时具有较强的无功暂态电流支撑能力，对故障瞬间系统的过电压抑制效果更为明显。然而受励磁控制系统的低励磁限制作用，故障稳态期间同步调相机的无功调节能力弱于STATCOM。

为了进一步从经济性上考虑同步调相机的投运成本，图13 给出了不同容量的同步调相机在高压直流输电系统发生单极闭锁故障后的应用效果。可以看出，随着同步调相机额定容量的降低，其对送端公共连接点电压的抑制能力有所降低。对比容量200 MV·A 和300 MV·A 的2 组机组可以发现，其对故障瞬间的暂态过电压抑制效果相差不大，均优于STATCOM，故从经济角度考虑可适当减少装设同步调相机的容量以减小成本。

图13 单极闭锁故障下装设不同容量调相机时的送端交流系统公共连接点电压Fig.13 PCC voltage of sending-side AC system with synchronous condensers of different capacities under mono-polar blocking fault

4 结论

本文对单极闭锁故障下同步调相机和STAT-COM 在高压直流输电送端系统的应用进行了对比，得出结论如下：

（1）对于相同额定容量的调相机与STATCOM，当高压直流系统发生单极闭锁故障后，由于STATCOM 采用电压、电流双环控制，其暂态响应速度相对较慢，而同步调相机基于其固有的电磁暂态特性，在故障发生瞬间及故障后一段时间以内具有较强的故障暂态电流支撑能力，能够在故障后迅速做出响应，因此其相比于STATCOM 系统具有更好故障暂态响应能力。但在稳态情况下，由于调相机励磁控制系统的低励限制,其提供动态无功支撑的能力却弱于STATCOM 系统。

（2）实际情况下，系统发生单极闭锁后，送端控制系统会切除部分无功补偿装置来平衡系统的无功功率，但无功补偿装置的切除需要延时约200 ms，在该时间段内主要考虑暂态无功补偿装置对系统暂态过电压的抑制能力。由于STATCOM 故障暂态响应能力较差，相比之下装设同步调相机具有更好的暂态过电压抑制效果，因此在送端装设同步调相机更合适。此外，适当减小所装设同步调相机的容量也可有效抑制故障过电压，同时还可以减小经济成本。