同步調相機對直流逆變站運行特性的影響分析

張寧宇，劉建坤，周　前，汪成根

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

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同步調相機對直流逆變站運行特性的影響分析

張寧宇，劉建坤，周前，汪成根

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

摘要：特高壓直流換流站配置的無功補償裝置主要用于提供有功功率傳輸時消耗的無功功率，因此其動態特性對交直流混聯電網的電壓穩定性、直流運行特性產生顯著影響。基于直流逆變站的控制特性，對交流電壓大幅波動過程中同步調相機對直流逆變站的運行特性的影響進行深入分析，揭示了同步調相機的無功出力特性以及逆變站電氣量的響應特性，并通過仿真算例進行了驗證。該工作為多直流饋入電網中大容量同步調相機的接入奠定了理論基礎。

關鍵詞：特高壓直流；逆變站；同步調相機；運行特性

我國能源分布及負荷發展極不平衡，水力資源主要集中在西南數省，煤炭資源主要集中在山西、陜西和內蒙西部，而負荷主要集中在東部沿海地區，因此遠距離大容量輸電勢在必行。另一方面，我國各大區和獨立省網的互聯已進入實施階段，利用直流輸電作異步聯網在技術上、經濟上和安全性等方面的優勢已在世界范圍內得到證明。因此直流輸電技術必將以其技術上和經濟上的獨特優勢，在遠距離大容量輸電和全國聯網兩方面對我國電力工業的發展起到十分重要的作用。我國已成為世界范圍內直流輸電應用前景最為廣闊的國家。

常規直流換流站需要消耗大量的無功功率，其主要靠換流站內靜態無功補償裝置提供，當系統出現大擾動時，直流系統換流站吸收的無功功率可能顯著增加，同時無功補償裝置出力會大幅波動。可見直流饋入對受端系統電壓穩定性影響，主要取決于以逆變器和無功補償裝置為主要部件的逆變站綜合動態無功特性［ 1 ］。

目前世界上已有換流站的無功補償設備主要有三大類：電容器、動態無功裝置和同步調相機。國內外關于電容器和靜止無功補償裝置對交直流電網無功特性和電壓穩定性的影響已有較多成果，如文獻［2］分析動態無功補償裝置對多饋入直流電網無功電壓特性的影響；文獻［3］分析以直流逆變器和電容器為主要部件的直流逆變站動態無功特性。文獻［4-6］分別針對多直流饋入電網情況下，靜止無功補償器、靜止同步補償器等裝置提升暫態電壓穩定性的措施。相對于上述兩類無功補償裝置，同步調相機對于直流換流站無功電壓特性影響的成果較少。文獻［2］分析了電網發生短路故障后，同步調相機對于電網恢復運行的作用。文獻［7］從提升系統電壓穩定性和電網輸電能力、技術經濟學等不同角度對調相機的選點和選型進行了研究。但現有文獻均未對考慮同步調相機的換流綜合動態無功特性進行深入分析。

隨著我國直流工程的不斷建成投運，尤其對于東部地區電網而言，直流饋入容量不斷增加，受端交流電網相對逐漸變弱，增加同步調相機成為改善電網電壓穩定性，提供電網運行經濟性的有效措施。因此，基于同步調相機的運行特性，研究其對直流逆變站控制特性和無功電壓特性的影響，對于多饋入交直流混聯電網的穩定運行有著迫切的需求。文中在直流逆變站準穩態模型的基礎上，建立了同步調相機的動態模型，分析同步調相機的無功出力特性以及對電網電壓的支撐特性，并通過仿真算例進行了驗證。

1　直流逆變站準穩態模型和控制配置

1.1直流逆變站準穩態模型

直流逆變器是典型的非線性時變電路。在電力系統機電暫態仿真中，通常采用如圖1所示的準穩態模型描述交流基波分量與直流平直分量間的約束關系［ 8，9 ］。

圖1　逆變器準穩態模型

一個單橋6脈動逆變器的準穩態模型，可采用如下表達式模擬：

式中：ud，id分別為直流電壓和電流；ud0為無相控的理想空載電壓；T，Xc分別為換流變壓器變比及漏抗；Uc為逆變站高壓母線電壓；β，γ，μ分別為逆變器出發超前角、熄弧角和換相角；Pd，Qi，φ分別為逆變器傳輸有功、無功消耗和功率因數角。從逆變器準穩態模型可以看出，交流系統對直流系統的影響，僅取決于逆變站高壓母線電壓幅值Uc這一電氣參量。

1.2直流逆變站控制配置

直流逆變站的基本控制配置及其特性如下：

（1）定熄弧角控制。熄弧角是指從被換相的閥電流過零算起，到該閥重新被加上正向電壓為止這段時間所對應的電角度。如果熄弧角太小，以致晶閘管來不及完全恢復其正向阻斷能力，又重新加上正向電壓，它就會重新自行導通，于是將發生倒換相過程，稱之為換相失敗。為避免換相失敗，應盡量控制熄弧角處于較大范圍內，但熄弧角增大后，將導致逆變器功率因素降低，使逆變器消耗的無功功率增大。根據實際工程經驗，直流逆變器的熄弧角定值通常在15～18°的范圍內。

（2）直流電流控制。根據電流裕度控制原則，逆變器也需裝設電流調節器，不過逆變器電流調節器的整定值通常比整流器小0.1 p.u.。只有當整流側直流電壓大幅度降低或你鞭策直流電壓大幅度升高時，才變為整流側最小觸發角控制，逆變側定電流控制。

（3）直流電壓控制。逆變站采用定直流電壓控制與定熄弧角控制相比，更有利于受端交流系統的電壓穩定。另一方面，采用定電壓控制時，由于在增大直流電壓方向上往往需要留有一定的調節裕度，因而在額定工況下，這種控制方式保持的熄弧角比定熄弧角控制時要大。

（4）低壓限流控制。為了和整流側低壓限流控制的特性配合，保持電流裕度，逆變側也需要設置低壓限流控制，且其電壓定值、電流定值、時間常數都必須密切與整流側配合。

（5）最大觸發角限制。為了防止因調節器超調導致逆變器觸發角太大，造成逆變器熄弧角太小而引起換相失敗逆變器還需設置最大出發角限制，通常在150～160°之間。

2　同步調相機

同步調相機是一種專用的無功功率發電機，實質上是空載運行的同步電動機，其主要用途是供給無功功率，改善功率因素，因此其無功功率調控與同步電動機一樣，也是通過改變勵磁電流的大小。在過勵磁運行時，向新系統供給感性無功功率，提高系統電壓；在欠勵磁運行時，從系統吸取感性無功功率，降低系統電壓。當系統處于輕負荷運行時，需要將系統中某些發電機改為同步調相機，以吸收系統中多余的無功功率，以達到系統的無功平衡。

圖2　同步調相機向量圖

同步調相機的主要優點是可以連續調節無功功率的數值，但由于其主要部分和輔助系統都是旋轉電機，有功功率損耗比較大，需要從網絡中消耗其額定容量3%左右的有功功率，最大無功出力為額定出力的50%～65%，運行維護比電容器等無功源設備更高，且投資費用高。但其有利于提高系統的穩定性，尤其是對于多直流饋入混聯電網。

在PSD-BPA軟件中沒有專門的調相機模型，可用電機模型MC、MF卡即可，但其潮流計算中調相機有功出力不應為0，應為負的很小值，以考慮定子上的有功損耗。在穩定計算中，由于調相機一般無原動機，故其動能（慣性常數）比普通發電機小。

3　考慮同步調相機的直流逆變站無功電壓特性

在電力系統機電暫態仿真軟件PSD-BPA暫態穩定程序中，以華東某特高壓直流線路為例，建立如圖3所示額定電壓±800 kV、額定電流4 kA、額定功率7200 MW、無功補償容量為4760 Mvar的特高壓首端系統，分析考慮同步調相機的逆變站動態無功特性。圖中，Qi為逆變器無功消耗；Qf為濾波器輸出容性無功，Qsc為同步調相機輸出容性無功；Qc為逆變站從交流系統中吸收的無功；Et和Xt分別為交流系統等值電勢與電抗；δ為Et的相位；Pd為直流送電有功功率。

圖3　直流逆變站動態無功特性測試系統

特高壓直流仿真模型的控制系統采用ABB開發的控保系統，即BPA中的DA/DZ卡模型。整流站具有定有功功率和定最小觸發角αmin控制方式，逆變器具有定熄弧角和定電流控制方式。如圖4所示，以直流額定電壓和額定電流為基值的低壓限流（voltage dependent current limit control， VDCOL）三段式特性曲線拐點分別設置為udh=0.8 p.u.，idh=1.0 p.u.和udl=0.4 p.u.，idh=0.55 p.u.。穩態運行條件下，Qf和Qsc完全補償無功消耗Qi，逆變站與交流系統無功交換為0。

圖4　低壓限流特性曲線

考慮到逆變站動態響應僅取決于高壓母線電壓幅值變化特性，以下將通過如式（7）所示的交流母線電壓波動情況，分析交流母線電壓波動過程中直流系統各電氣量以及逆變站各主要部件功率變化特性。式（7）中，Et0=1.05 p.u.，ΔEt0=0.65 p.u.，ωs=1.571 rad/s。

為便于考察電容器與同步調相機對逆變站運行特性的影響，在Qf=3472 Mvar、Qsc=3472 Mvar情況下，利用BPA暫態計算工具進行仿真。Uc從0.85 p.u.增加至1.05 p.u.過程中，逆變器各電氣量及同步調相機的無功出力變化情況如圖5所示。

逆變站交流側母線電壓降低時，在變壓器分接頭保持不變的情況下，直流電壓相應降低，在逆變側定熄弧角控制下，熄弧角保持不變；此時，整流側為定電流控制，直流功率與直流電壓變化趨勢一致；而調相機無功出力隨著電壓降低而迅速增加，有助于交流電網電壓的恢復。

逆變站交流側母線電壓升高時，同時使變壓器分接頭保持不變，逆變站定電壓控制下，直流側電壓保持恒定，熄弧角逐漸增加，直流功率保持不變；而調相機無功出力隨著電壓的增加而迅速減小，并從電網吸收大量無功功率，抑制了電網電壓的快速上升。

圖5　直流逆變站電氣量及同步調相機無功出力變化情況

4　結束語

在PSD-BPA中建立了特高壓直流暫態仿真計算模型，并對同步調相機投運后，交流電網電壓波動過程中，直流逆變站的電氣量變化和同步調相機無功出力情況進行了仿真計算，結果表明電壓波動過程中，同步調相機有助于電網電壓的快速恢復，保證了直流逆變站的穩定運行。

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張寧宇（1985），男，山西五臺人，工程師，從事電力系統優化與運行、柔性交直流輸電研究工作；

劉建坤（1980），男，山東濰坊人，高級工程師，從事電力系統仿真分析、電力系統規劃和運行以及柔性交直流輸電等研究工作；

周前（1978），男，江蘇宜興人，高級工程師，從事電力系統分析與計算研究工作；

汪成根（1981），男，安徽桐城人，工程師，從事電力系統安全穩定性緊急控制研究工作。

Analysis on the Impact of Synchronous Condenser on DC Inverter Operating Characteristic

ZHANG Ningyu， LIU Jiankun， ZHOU Qian， WANG Chenggen
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：The reactive power compensation devices located at high voltage DC inverter is mainly used to provide reactive power to support active power transmission. The dynamic characteristics of reactive power devices have significant influence on voltage stability and DC operating characteristics. Based on control strategy， this paper analyzes the influence of synchronous condenser on DC inverter operating characteristic during AC voltage fluctuations. The characteristics of reactive power output and the response characteristics of the inverter station are revealed and verified by simulation results. The research provides theoretical foundations to the integration of large capacity synchronous condenser to multi-infeed DC power grid.

Key words：UHVDC； inverter station； synchronous condenser； operating characteristic

中圖分類號：TM74

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0017-04

作者簡介：

收稿日期：2016 -02-26；修回日期：2016-03-28