同步调相机应用于内蒙古电网的仿真分析

慕腾，邢华栋，杨志国，郭裕，雷轲

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

内蒙古自治区作为我国重要的清洁能源基地，能源富集、区位优势明显，具备向中东部经济发达省区外送电力的优越条件。但新能源的波动性、随机性导致电网稳定特性复杂，不确定性增加[1-3]。同时，伴随着高比例新能源接入及区域间送电容量的增大，动态无功不足的问题凸显[4-5]。

文献[6]研究了大规模新能源接入后电力系统的稳定性问题，指出无功调节的重要性。文献[7-8]研究了直流送端系统发生闭锁故障引发风机高压脱网的机制及应对措施，同时指出制约直流送端的关键因素，即短路容量、网架结构及动态无功支撑。针对上述问题，调相机作为旋转元件，对提升短路容量、无功支撑方面具有独特优势[9-10]。文献[9]基于特高压直流工程从增大系统短路比、降低新能源高压脱网风险、抑制稳态过电压等角度研究了调相机在特高压直流送端的应用效果。文献[10]分析了大容量调相机接入河南电网的可行性。

内蒙古电网近年来新能源装机容量逐年增加，转动惯量降低，频率变化加快，越限风险增加[11-12]。而上海庙特高压直流系统由于暂态过电压导致新能源汇集站脱网，从而影响直流输送功率。同时，部分新能源汇集站由于风电波动，导致实际运行过程中调压困难。为此，本文结合内蒙古电网实际运行需求，基于上海庙特高压直流送端系统与锡林郭勒电网灰腾梁变电站，仿真分析了调相机在内蒙古电网的应用效果，为电网后续发展提供参考。

1 同步调相机运行原理及特性

同步调相机的结构如图1所示，新一代大容量调相机克服了传统调相机容量小、维护频繁、瞬时无功支撑与无功响应慢的缺点，在新能源送端、直流馈入受端得到了广泛的应用。

图1 同步调相机结构示意图

1.1 同步调相机运行原理

同步调相机通过调节励磁电流来输出相应性质的无功。其几乎只输出容性或感性无功功率，接近于零功率因数运行，吸收少量的有功功率用于自身损耗。正常运行时调相机有功功率几乎为零，因此发电机功角为零，其稳态电压方程如下[13]：

式中：Eq为发电机励磁电势相量；U为调相机机端电压；Xd为发电机d轴同步电抗；I为定子电流相量。

图2为同步调相机无功相量图，正常励磁时I为零，Eq与U如图2（a）所示，当励磁电流增大，Eq随之增大，此时调相机处于过励磁状态，I滞后U，调相机发出感性无功；当励磁电流减小，Eq随之减小，调相机处于欠励磁状态，I超前于U。根据励磁电流变化，调相机实现感性与容性无功的输出。

图2 同步调相机无功相量图

1.2 同步调相机运行特性

图3为发生故障时，调相机在次暂态、暂态、稳态过程中为电网提供动态无功支撑情况。

1.2.1 次暂态特性

当系统故障引起交流母线电压降低，同步调相机改变其无功输出、维持机端电压恒定，无功输出公式如下[14-16]：

式中：ΔQ为无功变化量；Q为故障后无功；Q0、U0、Id0为故障前的无功、电压、电流；ΔU为调相机机端电压变化量；ΔId为故障后定子电流增量。

根据式（2）可知，Q、Q0、ΔQ仅与系统故障前网架结构、运行状态相关，调相机在次暂态过程中的关键参数为定子电流增量ΔId。

1.2.2 暂态特性

调相机暂态特性与自身调节和励磁调节器相关，故障时励磁调节器改变其励磁电流，实现机组瞬间容性/感性无功输出调节。

当系统故障时，调相机进入强励状态，为系统提供无功支撑，保障系统暂态过程安全稳定。同时，初始无功增量越大，对系统支撑能力越强。

1.2.3 稳态特性

同步调相机稳态情况下，稳态无功输出模型如下：

式中：Eq为调相机励磁电势值；U为机端电压值；Xd为调相机d轴同步电抗。

2 同步调相机在内蒙古电网中的应用分析

本文以规划中的上海庙特高压直流系统与锡林郭勒电网灰腾梁500 kV变电站为算例，对同步调相机在内蒙古电网的应用前景进行探讨。

2.1 上海庙特高压直流系统仿真分析

上海庙特高压直流输电工程输送容量为10 000 MW，送端换流站通过三回交流线路与宁夏电网相连，受端接入山东电网。其中可再生能源基地一期新能源建设布局为：阿拉善盟建设风电1600 MW（敖伦布拉格新能源汇集站），巴彦淖尔市建设风电1600 MW（海力素新能源汇集站），鄂尔多斯市建设风电600 MW（伊和乌素新能源汇集站）、光伏200 MW，新能源汇集站投资、建设、维护均由内蒙古电网负责。上海庙特高压直流系统电网结构如图4所示。

图4 上海庙特高压直流系统网架简图

考虑配套电源建设时序，上海庙特高压直流输送功率为6000 MW，风电出力60%。海力素新能源汇集站位于系统最末端，当直流换相失败后，风机暂态过电压现象突出，严重制约新能源送出能力，因此，考虑在海力素新能源汇集站加装一台300 Mvar调相机。

2.1.1 系统短路容量

加装调相机前后上海庙特高压直流系统短路容量如表1所示。由表1可知，加装调相机后，海力素新能源汇集站短路容量增加1133 MVA，短路电流增加1.25 kA。可见调相机可以提升系统短路容量，增强交流电网的支撑能力。

表1 上海庙特高压直流系统短路容量情况

2.1.2 抑制暂态过电压

当系统发生受端线路故障时，交流母线电压迅速跌落，引发上海庙特高压直流系统换相失败，导致送端交流滤波器盈余大量无功返送至交流系统，造成海力素新能源汇集站风机脱网。根据工程要求，风机电压脱网标准为高于1.3（p.u.）[17]。

由图5可知，交流系统故障引发直流换相失败后，受无功倒送影响，无调相机时海力素新能源汇集站风机端口电压最高升至1.36（p.u.），超出上限，导致风机脱网。而加装调相机后，海力素新能源汇集站暂态电压最高升至1.28（p.u.），有效避免了风机高电压脱网。

图5 加装调相机前后海力素新能源汇集站风机端口电压

图6为同步调相机无功输出曲线，调相机在故障发生后10~30 ms内迅速增加1.5~1.6倍的额定无功，具有良好的次暂态瞬时无功响应特性，为系统提供有力的动态无功支撑。

图6 同步调相机无功功率输出曲线

2.1.3 抑制稳态过电压

在系统发生直流闭锁故障后，送端系统无功过剩，导致系统出现过电压；加装调相机后，发生直流单极闭锁，系统电压变化情况如图7所示。

图7 加装调相机前后海力素新能源汇集站风机端口电压对比

由图8可知，故障发生后，无调相机时海力素新能源汇集站稳态压约升25 kV，易造成过电压。利用调相机进相能力可吸收多余无功，维持系统电压处于合理水平，保障系统的稳定运行。

图8 单极闭锁故障后同步调相机无功输出

2.2 锡林郭勒地区仿真分析

锡林郭勒东部地区（网架结构如图9所示）以塔拉500 kV变电站为电源点，向巴彦乌拉、高力罕、九连等7座220 kV变电站供电。灰腾梁地区为风电集中区域，风电汇集至灰腾梁500 kV变电站，消纳装机容量约1 491.5 MW的清洁能源，通过500 kV汗海—白音高勒—灰腾梁—塔拉作为主网架外送电力。风电大发情况下，若风速产生波动，必然会对系统电压、频率产生一定的影响。

图9 灰腾梁地区电网示意图

设定灰腾梁地区风电机组受到风速扰动1 s时风速从100%开始下降，在15 s内下降至30%，风速波动曲线与灰腾梁主变压器上送有功功率变化曲线如图10、图11所示。

图10 灰腾梁地区风速变化曲线

图11 灰腾梁变电站主变压器上送有功功率变化情况

在灰腾梁变电站接入容量为300 Mvar的同步调相机，以降低风功率波动对电网的影响。加装调相机前后的效果对比如图12所示。由图12可知，风电输出功率逐渐下降，母线电压逐渐升高，无调相机最高升至1.05（p.u.），通过调相机进相运行，电压波动大幅降低，系统电压处于合理范围。调相机无功输出情况如图13所示。

图12 加装调相机前后灰腾梁500 kV母线电压变化情况

图13 调相机无功功率输出情况

3 结束语

本文以上海庙特高压直流工程海力素新能源汇集站与灰腾梁变电站为算例，从短路容量、暂态过电压、稳态过电压及风电波动方面进行了仿真分析，验证了新一代调相机的动态无功特性对抑制新能源汇集站过电压问题的有效性。

新一代大容量调相机瞬时无功支撑与暂态特性优良，按照“碳达峰、碳中和”目标，“十四五”期间内蒙古电网将加快推进可再生能源开发利用，随着新能源成倍式增长，低抗扰性、弱动态支撑能力问题凸显，调相机将作为电网动态支撑，应对可再生能源比例逐步增加的系统同步特性退化问题；同时，作为稳定可靠的无功电源，调相机在内蒙古电网拥有广阔的应用前景。