調相機接入對浙江電網的影響研究

趙一琰，華 文，鄧 暉，黃弘揚，宋春燕

（1．國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2．國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

“十三五”期間，隨著特高壓交直流輸電技術的發展與完善，我國電網將逐步形成長距離大容量交直流并列運行、多直流在受端電網集中饋入的基本特征[1]，電網規模日益擴大，交直流系統電氣聯系更為緊密，交互影響特性更為復雜多變[2-4]。當特高壓直流受電比例不斷提高，區外直流功率取代了大量常規機組，將導致交流電網動態無功支撐能力減弱，存在一定的安全隱患[5-7]。

在交流系統發生故障或直流系統恢復過程中，交直流系統間將產生較大的無功交換，若電網無功支撐不足可能導致直流系統連續換相失敗[8]。近年來，我國電網曾經發生數起因交流系統故障引發多回直流同時換相失敗的案例[9-10]，嚴重情況下甚至導致直流閉鎖[11]，對電網造成較大沖擊。此外，直流系統故障也可能引發交流系統電壓穩定問題[12-13]。因此，為進一步保障交直流混聯電網的安全穩定運行，必須采取有效的無功補償手段[14]。

調相機作為電力系統重要的動態無功補償設備，能快速向電網提供無極連續調節的容性或感性無功，可用于改善功率因數、降低網絡損耗、調節地區電壓、提高電壓穩定水平[15]。相比于電容器等常規靜態無功補償裝置，動態無功補償設備不受電壓約束，響應速率快，可進一步提高暫態電壓穩定性[16]。因此，在交直流系統故障中可以快速提供無功支撐，加快電壓恢復速率并降低換相失敗風險。

根據“十三五”規劃，華東電網將在特高壓直流換流站引入調相機，提高交直流電網風險抵御能力。對此，以賓金、靈紹兩大特高壓直流接入后的浙江交直流混聯電網為例，根據浙江電網的基本運行特征，分析調相機接入后對電網安全穩定水平的影響，研究成果將為今后調相機的實際運行提供參考。

1 浙江電網運行特性及仿真方法

1.1 浙江交直流混聯電網運行概況

隨著浙江省國民經濟和電力工業的快速增長，特高壓交直流電網發展迅速。2016年夏季，浙江省內第二個特高壓直流輸變電工程—±800 kV靈紹特高壓直流輸變電工程投運。至此，浙江電網已形成“兩交兩直”特高壓網架結構。隨著區外直流饋入功率的提高，浙江電網特高壓直流受電比重進一步提高：2015年僅賓金單回直流接入時，特高壓直流受電比例達到全省統調最高負荷的12.8%；預計2017年靈紹直流滿功率送電后該比例將進一步提升至23.1%。

對于浙江交直流混聯電網而言，交直流系統間電氣聯系緊密，某些交流線路故障可能引發單回直流連續換相失敗，嚴重情況下會導致兩回特高壓直流同時換相失敗，存在風險隱患[17]。國家電網就換相失敗保護動作作出規定：“若賓金直流連續發生3次換相失敗將執行雙極閉鎖指令”。此外，特高壓直流輸電系統中設備元件多、系統復雜、線路距離長，容易由于環境或設備原因導致故障，僅2015年內賓金直流已發生2起閉鎖事故。一旦發生直流雙極閉鎖事故，將造成浙江電網潮流大范圍轉移，可能出現局部地區低電壓等穩定問題[18]。

1.2 交直流混聯輸電系統問題的物理機理

當換流站交流母線電壓快速跌落時，直流系統將發生換相失敗，從而導致直流功率的大幅下降，繼而影響交直流系統的穩定運行[19]。

工程上習慣采用換相失敗臨界電壓Ucritical近似描述換相失敗發生的條件。由于換相失敗是由換流站交流母線電壓的瞬間跌落造成的，非瞬間跌落式電壓下降不會引起換相失敗。

根據直流輸電系統準穩態數學模型，可以近似推導得到Ucritical的解析式[20]：

加裝調相機后，可在交直流系統故障過程中快速提供動態無功支撐，提高母線運行電壓并加快電壓恢復速率，在一定程度上避免故障后電壓低于Ucritical，從而降低換相失敗發生幾率。

1.3 調相機參數及運行方式

根據“十三五”規劃，華東電網將于2017年在各特高壓直流落點換流站加裝2臺300 Mvar調相機，每臺調相機通過22/525 kV專用升壓變壓器（以下簡稱升壓變）接入對應換流站的交流母線。調相機及其升壓變參數均采用上海電機廠提供的典型參數，如表1所示。

表1 調相機及其升壓變主要參數

為進一步提高交直流電網風險抵御能力，安排調相機在電網正常運行時不參與換流站無功調節，僅在交直流故障過程中提供動態無功支撐。

1.4 浙江電網模型及相關參數

以下研究基于浙江電網2017年夏季平均高峰運行方式，考慮全省負荷水平約65 000 MW，賓金、靈紹直流落地功率7 500 MW。采用換流站近區小開機方式，即關停換流站近區內抽蓄機組、天然氣機組和水電機組，負荷中心區域動態無功儲備大幅下降，系統運行條件較為嚴苛。

利用BPA仿真軟件，負荷采用電動機模型，包含60%的電動機模型以及40%的恒阻抗模型。發電機采用六繞組模型，勵磁及PSS系統均采用實測參數。直流采用新型DA模型，采用整流側定功率控制、逆變側定關斷角控制，與實際運行工況保持一致。

2 調相機接入對交流系統故障的影響

考慮500 kV線路主保護動作時間為近端90 ms切除，遠端100 ms切除。對浙江省內500 kV線路進行N-2故障掃描可知：若喬司—涌潮線路發生三相永久性短路故障，容易導致靈紹直流連續換相失敗。調相機接入前后，靈紹直流在該故障下的暫態仿真結果如圖1所示。

圖1 喬司—涌潮N-2三相永久性故障靈紹直流仿真結果

由圖1仿真結果可知：未加裝調相機時線路故障將造成靈紹直流連續8次換相失敗，換相失敗持續時間達到1.45 s，存在換相失敗保護動作風險。在紹興站接入調相機后，靈紹直流僅在短路接地過程中發生換相失敗，故障切除后能夠快速從換相失敗中恢復。

因此，調相機接入可增強特高壓直流連續換相失敗抵御能力，在一定程度上避免因直流連續換相失敗引起的直流閉鎖事故。

3 調相機接入對直流系統故障的影響

3.1 調相機對直流系統重啟動的影響

當直流線路發生瞬時性故障時，引起直流控制的再啟動動作。若全壓重啟動失敗，則直流系統會進入降壓重啟動，并設置直流運行電壓為降壓后的電壓。由于保護降壓重啟動過程時間短，換流變壓器分接頭和濾波器均不能及時響應，使得換流器需要吸收更多無功功率，近區母線電壓迅速降低。

根據賓金直流金華站控制保護定值單，賓金直流全壓重啟動的次數為2次，當賓金直流處于單極運行且通信正常時，賓金直流采用1次全壓重啟動，去游離時間為150 ms；若第1次全壓重啟動不成功，再進行一次降壓啟動，去游離時間為200 ms。

若賓金直流單極運行時正極線路發生瞬時性故障，第1次全壓重啟不成功，第2次降壓重啟動成功，直流運行電壓為560 kV，仿真結果如圖2所示。

由仿真結果可得：保護降壓運行后金華站需要從交流系統吸收大量的無功功率，若不加裝調相機，金華站需向交流系統吸收無功功率約1 290 Mvar；加裝調相機后，單臺調相機的無功功率提升至200 Mvar，金華站從交流系統吸收的無功功率降低至930 Mvar；加裝調相機可使得故障后的金華站母線電壓提升約5 kV。

保護降壓運行期間金華換流站近區蘭溪發電廠無功響應特性如圖3所示。若無調相機，蘭溪發電廠機組在故障后穩態無功功率達到了350 Mvar，超過了機組的額定無功功率319 Mvar，容易引起機組的過無功、過勵限制等動作；加裝調相機后，機組穩態無功功率降至297 Mvar，低于機組的額定無功。

因此，加裝調相機可以減輕直流重啟動對近區母線電壓的影響，同時降低近區發電廠機組的無功輸出，避免機組各種限制動作。

3.2 調相機接入對換流站大組濾波器母線故障的影響

圖2 賓金直流保護降壓運行金華站仿真結果

圖3 賓金直流保護降壓運行蘭溪電廠仿真結果

由于特高壓換流站大組母線包含4—5小組濾波器，以金華站為例，金華站內濾波器共分為4個大組，其中第1—3大組濾波器母線下掛4小組濾波器，第4大組濾波器母線下掛5小組濾波器，每小組濾波器對應的無功容量為287 Mvar，大組濾波器母線故障后將導致換流站出現較大的無功缺額。

當金華換流站第4大組濾波器母線三永故障后，金華站失去5小組共計1 435 Mvar容量的濾波器，仿真結果如圖4所示。

圖4 賓金直流大組濾波器故障金華站仿真結果

根據圖4可知：若未加裝調相機，金華站需從交流系統吸收無功功率約1 887 Mvar；加裝調相機后，單臺調相機可在故障后迅速提供約235 Mvar無功支撐，則金華站從交流系統吸收的無功功率降低至1 725 Mvar。對比母線電壓可知，加裝調相機可使故障后的金華站母線電壓提升約8.25 kV。

因此，調相機的接入可在直流站大組濾波器故障后提供動態無功支撐，提高事故后運行電壓。

4 結論

基于浙江交直流混聯電網基本運行特征，通過交流系統和直流系統故障仿真分析，研究了調相機接入對浙江電網安全穩定的影響，得到調相機對交直流混聯電網的主要影響如下：

（1）調相機的接入有效提高了交流系統對換流站的動態無功支撐能力，增強了特高壓交直流混聯電網的電壓穩定性。

（2）調相機的接入能夠有效降低交流系統故障導致的直流系統連續換相失敗，增強特高壓直流的連續換相失敗抵御能力，降低交流系統故障連鎖導致直流換相失敗保護動作閉鎖直流的風險。

（3）調相機的接入可有效補償由于直流系統自身故障導致的換流站無功缺額，提高故障后交流系統電壓水平，同時在一定程度上降低因發電機過無功帶來的運行風險。

研究成果可用于調相機運行管理，并為調相機接入后的交直流電網穩定分析提供技術支撐。

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