基于同步調相機降低換相失敗風險的仿真研究

尹立敏，雷鋼，呂莉莉，齊敏

( 東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132000)

0 引 言

在高壓直流輸電系統中，換流站的正常運行需要大量的無功功率[1-2]，所以為確保換流站的安全可靠運行，必須保證其所需無功功率的供給，而無功功率不足或過剩將使得交流電壓的不穩定，嚴重時可能危及整個交、直流系統的安全穩定運行[3]。特別對于“強直弱交”的電力系統，在換流站的逆變側，交流母線電壓對負荷的變化比較敏感，負荷的變化及無功的變動均會引起交流母線電壓的波動[4-5]，大幅度的電壓波動還將造成與其相連的換流站逆變側換流閥發生換相失敗故障，嚴重的換相失敗故障還會導致工頻交流直接跨接到直流回路中，其結果會在直流回路中引起自由振蕩，此時，直流系統中將產生諧振過電壓，并中斷部分直流功率的輸送[6-7]，影響交直流系統安全穩定的互連。由于考慮到同步調相機在次暫態、暫態和穩態全時間尺度能夠提供無功補償和電壓支撐[8]的功能，因此可以在弱交流系統逆變側裝設同步調相機，利用其強勁的無功支撐能力防止換流站出現嚴重的換相失敗，為交流側母線電壓故障的切除贏得寶貴的時間。所以，同步調相機對于提高電網動態電壓穩定性、保障高壓直流輸電工程安全穩定運行具有十分重要的意義。

我國高壓直流輸電系統具有“強直弱交”的特點，這勢必對直流輸電系統無功補償的性能提出更高的要求。2016年，國家電網公司開展了首批同步調相機安裝工程的建設，擬在臨沂、皖南、錫盟、泰州、酒泉、湘潭和南京等7個特高壓直流換流站加裝同步調相機，制定了建設“暫動態特性優、安全可靠性高、運行維護方便”的國際一流精品工程目標[9]。在國外，為解決與換流站逆變側相連的弱交流系統電壓穩定問題，最典型的工程就是伊泰普直流工程逆變側換流站和納爾遜河直流工程逆變側換流站都分別接裝設了同步調相機[10-11]，其目的是利用同步調相機優良的動態特性，在逆變側交流母線電壓發生大幅波動或故障的瞬間，能減小其電壓波動，從而減少換流器換相失敗故障的發生。

首先分析了換流站逆變側換相失敗故障發生的主要原因；然后，結合換相失敗發生原因從同步調相機的次暫態、暫態和穩態特性來分析其運行特點；最后，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件仿真驗證同步調相機良好的動態特性能夠為系統提供巨大的無功支撐，既保障了系統電壓的穩定性，同時也減少了逆變側換流器換相失敗故障的發生風險。

1 換相失敗分析

1.1 換相失敗過程

換相失敗是指在換相電壓反向之前未完成換相的一種故障[12]。工程上所采用的換流單元主要為12脈動換流單元，相比于6脈動換流單元，可以諧波次數，降低濾波器成本，而12脈動換流單元由兩個6脈動換流單元串聯而成，故只需對6脈動換流單元進行換相失敗分析即可。其原理接線圖如圖1所示。

圖1 6脈動換流單元原理接線圖

一次換相失敗：當閥VT1在向閥VT3的換相過程發生失敗后，則閥VT1不會關斷接著導通，當閥VT2換相至閥VT4后，會形成閥VT1和閥VT4導通的情況，在直流側發生短路。一次換相失敗過程中，通過閥VT1和閥VT4形成的直流側短路將持續三分之一周期左右，此期間沒有反電動勢出現在逆變側。

連續換相失敗：如果閥VT1向閥VT3發生換相失敗后，閥VT2向閥VT4的換相的過程也發生失敗故障，那么將會出現連續換相失敗故障。在連續相失敗期間，閥VT1和閥VT2將持續導通近一個周波，與閥VT1和閥VT2兩端所連的交流電壓直接跨接在直流端，將工頻交流電引進到直流回路中，可能還會在直流線路電容與電感元件之間造成基波頻率的諧振，導致過電壓。如果換相失敗故障不能及時切除，多次連續換相失敗的發生會導致換流閥閉鎖，將使得直流輸送功率部分或全部中斷，在嚴重的情況下還會出現多個逆變站同時發生換相失敗故障，影響電網的安全運行。

1.2 換相失敗原因分析

逆變站的換相失敗多由交流系統故障造成[13]，而逆變器關斷角γ過小是造成逆變側換流站換相失敗常見原因，其基本公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中k為變壓器變比;Ul為逆變器交流母線電壓有效值；Id為直流電流；Xc為等效換相電抗；β為逆變側觸發超前角；Ud1、Ud2分別為整流側和逆變側直流電壓，R為直流線路電阻。

當逆變器交流側母線電壓Ul大幅度跌落時，由公式(1)可知關斷角γ減小，由公式(2)、公式(3)可知直流電流Id迅速增大，也將導致關斷角γ減小，從而引發換相失敗故障。特別是對于逆變側接弱交流系統，其負荷變動對電壓的波動影響很大，一旦負荷的變化引起交流母線電壓Ul發生大幅度波動或故障時，逆變側換流器換相失敗故障發生的可能性增大。

研究表明，當逆變側交流系統短路比小于3時，則需要考慮裝設其他無功補償設備，其比較有效的方法是裝設同步調相機[14]，利用同步調相機良好的動態特性，來支撐交流母線側電壓穩定，防止換流站出現嚴重的換相失敗而對系統造成嚴重的后果。

2 同步調相機特性

2.1 同步調相機的運行特性

同步調相機是特殊運行狀態下的同步電機，可視為不帶有功負荷的同步發電機或不帶機械負荷的同步電動機。同步電機是實現電能與機械能變換的元件，由于其動態性能非常復雜，而且其動態性能又會對電力系統的動態性能有很大的影響，因此需要對同步調相機作深入的分析。

為了直觀地進行電機暫態過程分析，根據同步電機的派克方程在dq0坐標下可以導出d軸、q軸等值電路,如圖2～圖3所示。并且選用文獻[15]中提及的Xad標幺值系統進行標幺化，從而使d、q軸轉子與定子繞組間的互感在標幺值方程中分別等于Xad或Xaq。

圖2 d軸等值電路

圖3 q軸等值電路

由d、q軸等值電路分析可知，同步電機的次暫態過程主要由d和q軸的等值阻尼繞組決定，時間常數很小。暫態過程主要由d軸上的勵磁繞組和q軸上的等值阻尼繞組g決定。由于同步調相機的次暫態、暫態以及穩態過程(見圖4)，調相機可分別發揮次暫態特性、暫態特性、穩態特性，為系統提供動態無功支撐。

圖4 調相機的次暫態、暫態、穩態過程

同步調相機的次暫態特性可以使其在故障瞬時發出大量的無功，有利于穩定電壓水平，減少換相失敗幾率。同步調相機的次暫態特性與其直軸超瞬態電抗Xd″有關，當定子繞組發生突然短路時，定子繞組A相電流為：

(4)

同步調相機的暫態特性。當系統負荷發生大幅波動或者交流系統發生嚴重故障導致電壓大幅跌落時，利用同步調相機的暫態特性能夠使調相機在短時(秒)發出2倍以上的額定容量無功，為系統提供有力的無功支撐來保持電壓的穩定，防止換流站出現嚴重的換相失敗，為故障的切除提供寶貴的時間，有助于直流功率和交流系統電壓迅速恢復，防止電壓崩潰。故為提高同步調相機的暫態特性，直軸瞬變電流衰減的時間常數Td′要盡可能小，提高調相機輸出無功功率的爬升速度。Td′的表達式為：

(5)

式中Td0為勵磁繞組的時間常數；Xd為同步調相機的直軸同步電抗；Xd′為同步調相機的直軸瞬變電抗。

同步調相機的穩態特性。之前天津北郊變160 Mvar機組是我國容量最大的同步調相機機組，而目前適用于高壓直流輸電系統中的同步調相機的額定容量為300 MVA，額定進相無功在150 Mvar～200 Mvar之間，額定遲相無功為300 Mvar，其穩定的進相和遲相運行，能夠有效保持系統電壓的穩定，真正做到“大直流輸電，強無功支撐”。同時，調相機容量的提高有也有利于降低單位造價。

2.2 增加系統短路容量

同步調相機除了可以利用上述的次暫態、暫態和穩態特性全時間尺度的給系統提供無功補償和電壓支撐外，其還有一個非常重要的作用，即增加系統的短路容量，進而提高了系統的短路比，提高了系統的穩定性。描述系統強弱的短路比一般用如下公式來定義：

(6)

式中SSC為交流系統中換流母線的短路容量;PdN為換流站輸送的額定功率。

當交流系統發生三相短路故障時，在同步調相機為系統提供無功功率的同時，也在向系統注入無功電流，忽略相關的電阻，注入的電流I為：

(7)

式中E0為同步調相機的勵磁電動勢；Xd′為直軸超瞬態電抗；Xσ為變壓器的漏電抗。

圖(5)為交流系統三相短路，同步調相機注入無功電流時的電路圖。

圖5 同步調相機注入短路電流電路圖

當系統處于穩定運行時，同步調相機的勵磁電動勢E0與其機端電壓U相等，都接近1.0 p.u.。當系統發生三相短路故障后，同步調相機強勵運行，以發出大量的無功功率來減少電壓的跌落，此時勵磁電動勢E0>1.0 p.u.，將會有更大的電流注入系統，進一步提高系統的短路容量。為了最大化的利用同步調相機提高系統短路容量這個特點，從公式(7)可知，可以合理的減小同步調相機的直軸超瞬態電抗Xd″和變壓器的漏電抗Xσ。

3 仿真計算

仿真算例模型為單極高壓直流輸電系統，直流電壓為500 kV，系統容量為1 000 MW，該系統逆變側短路容量比SCR為2.5，換流站受端裝設同步調相機有利于系統的穩定。仿真模型主電路如圖(6)所示。

圖6 仿真模型主電路圖

圖中同步調相機經變壓器接在逆變側交流母線上，該調相機額定容量為300 MVA，額定進相無功和遲相無功分別為-150 Mvar和300 Mvar。

3.1 交流側電壓幅值跌落工況

仿真工況為在20 s時交流側電壓跌落至6.7%，23 s時恢復正常值。選擇電壓跌落6.7%是因為對文中模型進行了一系列仿真發現該值是加裝調相機后電壓跌落致使換相失敗發生的臨界值，即當逆變側交流母線電壓跌落值大于6.7%時，對于逆變側加裝調相機的系統，也會使得逆變側換流站發生換相失敗故障。在逆變側加裝同步調相機的系統，在故障時同步調相機勵磁電壓升至3.5倍強勵，切除故障后恢復正常勵磁。圖7和圖8分別為不加同步調相機與加裝同步調相機后逆變側直流電壓和直流電流波形圖。

圖7 逆變側直流電壓、電流波形圖(不加調相機)

圖8 逆變側直流電壓、電流波形圖(加裝調相機)

由圖7可知，由于20 s時刻交流側電壓發生跌落，逆變側換流站換相失敗故障發生。由于逆變側加裝了調相機，雖然交流側母線電壓跌落，但從圖8中可以看出，直流電壓、直流電流雖然有一定的波動，但并未發生換相失敗。圖9為故障時刻同步調相機的無功輸出曲線圖。

圖9 調相機的無功輸出波形圖

由圖9可以看出，電壓跌落前同步調相機的無功出力為零，電壓跌落瞬間由于同步調相機的次暫態、暫態特性迅速發出大量無功功率以支撐交流側電壓水平。

而對于不加調相機的系統，通過對該模型的仿真計算發現電壓跌落致使換相失敗故障發生的臨界值為5.3%。顯然，對于逆變側加裝同步調相機可以降低換相失敗故障發生的風險。

3.2 交流側電壓幅值升高10%工況

仿真工況為在20 s時交流側電壓升高10 %，23 s時恢復正常值。對于在逆變側加裝同步調相機的系統，在故障時同步調相機勵磁電壓降至0.7 p.u.,處于欠勵狀態，切除故障后恢復正常勵磁。

圖10、圖11則分別為電壓抬高10%后不加同步調相機與加裝同步調相機后逆變側直流電壓和直流電流波形圖。

圖10 逆變側直流電壓、電流波形圖(不加調相機)

圖11 逆變側直流電壓、電流波形圖(加裝調相機)

由圖10可看出，20 s～23 s內，因為交流側母線電壓升高原因，直流電壓和直流電流有小幅度上升， 23 s交流側電壓降低到初始值，由于電壓的降低，致使換流站發生換相失敗。從圖11可以看出，由于同步調相機的存在，交流電壓升高期間，逆變側直流電流和直流電壓的升高不如圖10明顯，且交流電壓恢復初始值后，雖然換流站的直流電流和直流電壓有小幅波動，但依然正常運行，并沒有出現換相失敗故障，顯然同步調相機的存在防止了此種工況下逆變側換流站發生換相失敗故障。圖12為同步調相機的無功功率輸出曲線。

圖12 調相機的無功輸出波形圖

從圖12可以看出，交流母線電壓升高期間，同步調相機進相運行吸收無功功率，抑制電壓升高。當交流母線電壓恢復初始值時，同步調相機又遲相運行發出無功功率來使電壓穩定。

4 結束語

高壓直流輸電系統中逆變側交流母線電壓的波動或者故障往往能夠引起逆變側換流站發生換相失敗故障。特別是弱交流系統，其負荷變動對電壓的波動影響很大，所以針對此系統需要在其逆變側換流站裝設同步調相機，利用同步調相機的次暫態、暫態和穩態特性全時間尺度提供無功補償和電壓支撐。次暫態方面，在電網電壓跌落的瞬間，同步調相機通常能夠在幾到幾十毫秒范圍內快速發出大量無功功率，來抑制電網電壓的跌落，為故障的切除爭取寶貴的時間以防止嚴重換相失敗故障。暫態方面，在故障恢復期間，利用同步調相機強勵磁特性，能夠使自身的短時過載能力達到額定容量的兩倍來穩定逆變側交流母線電壓。穩態方面，同步調相機可連續無功調節，深度進相能力使得其無功調節更加靈活。此外，同步調相機在無功補償的同時，還能增加系統的短路容量以提高電網穩定性。