調相機參與多直流饋入受端電網緊急控制策略研究

黃 慧，吳雪蓮，樓伯良，華 文，王龍飛

（1.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），南京 211106；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

特高壓直流輸電以其獨特優點成為我國大區互聯和遠距離大容量輸電的重要形式，為我國大范圍資源優化配置發揮了重要作用。直流輸電容量、電壓等級越高，直流故障對送、受端交流電網沖擊越大。對于多直流饋入受端電網，直流受入替代常規發電機組，系統動態無功電壓支撐不足，惡化了受端系統電壓調節特性，直流故障將給系統帶來巨大的無功功率沖擊[1-4]。

為了增強特高壓交直流系統的穩定性，特別是多直流饋入受端電網，需要配備大規模動態無功。目前應用比較廣泛的動態無功補償裝置主要有同步調相機、SVC（靜止無功補償器）和STATCOM（靜止同步補償器）等。相比于SVC 和STATCOM 等基于電力電子技術的動態無功補償裝置，大容量新型調相機具有更好的無功出力特性，又可為系統提供短路容量，無功功率輸出受系統電壓影響較小，同時在抑制直流受端換相失敗方面具有一定的優勢，對改善多直流饋入受端電網的穩定性和支撐電壓效果更優[5-13]。

目前，我國已生產出新一代300 Mvar 調相機并大規模投產應用，截至2018 年底已投產17臺調相機[1]，針對調相機的接入和對電網特性影響已有專家作了深入研究。文獻[14]深入分析了同步調相機的無功出力特性及對直流逆變側的影響特性。文獻[15]結合直流換流站無功電壓綜合控制需求，針對調相機勵磁控制特點，研究了調相機勵磁控制策略，并提出了調相機無功電壓協調控制策略。文獻[16]通過分析常規調相機控制方式在抑制直流連續換相失敗方面的不足，提出了基于直流換相失敗信息觸發的調相機緊急控制策略，并給出了實現方法及實現架構。調相機具有良好的調節無功性能，現有研究主要集中在調相機的無功特性及對電壓改善效果，鮮有針對計及調相機參與多直流饋入受端電網故障后緊急控制的研究和工程應用實例。

本文首先分析了調相機運行特性及對多直流饋入受端電網運行的影響，分析了電網故障后調相機參與緊急控制以抑制直流連續換相失敗的必要性，然后重點研究了調相機參與緊急控制的策略思想和架構，并通過實際省級電網仿真驗證了策略的可行性和有效性。

1 新一代調相機運行特性及對受端電網影響

1.1 新一代調相機運行特性

新一代調相機具有更強的過載能力和更快的響應速度，其次暫態、暫態和穩態特性可以提供更強的電壓支撐能力和無功補償能力。加裝于直流受端時，可在故障瞬時發出大量無功，當電壓大幅跌落時，進入強勵狀態，新一代調相機勵磁系數強勵倍數達到3.5 倍，為系統提供緊急無功電壓支撐，防止電壓崩潰；300 Mvar 調相機具有300 Mvar 遲相和150～200 Mvar 的進相持續運行能力，在交流系統故障清除后當系統電壓無法恢復至穩態電壓范圍時，調相機進入遲相運行，從而提高系統穩態電壓水平[7，17]。

1.2 新一代調相機對受端電網影響

以賓金、靈紹特高壓直流的受端——浙江電網為例，說明調相機對受端電網影響，研究采用機電暫態仿真軟件PSD-BPA 潮流及暫態穩定程序作為主要仿真工具，數據中直流模型采用基于ABB 實際直流控制系統的DA 準穩態模型。調相機主要參數直軸次暫態電抗0.111 p.u.，直軸暫態電抗0.165 p.u.，直軸暫態開路時間常數7.46 s。目前，浙江電網已形成“兩交兩直”特高壓混聯電網格局，區外直流規模提升對浙江電網常規電源置換效應進一步加劇，出現“大受電、小開機”運行方式，直流換流站近區缺乏大電源支撐，電網存在暫態電壓穩定問題，若交流系統發生嚴重故障，將導致直流連續換相失敗，對浙江電網最小火電機組開機要求進一步提高。

（1）對受端電網電壓穩定水平影響

由于調相機具有較好的動態電壓支撐能力，能在系統電壓跌落時提供動態無功支撐，有利于提高暫態電壓穩定水平。基于2019 年夏季高峰方式，500 kV 丹溪—永康雙線發生三相永久“N-2”故障，靈紹直流近區暫態電壓曲線如圖1 所示，賓金、靈紹直流換流站加裝調相機后對母線電壓有抬升作用。

圖1 有無調相機對交流故障后直流近區電壓影響

（2）對受端電網直流換相失敗影響

調相機可在故障瞬時發出大量無功，從而降低受端電網直流換相失敗次數，一定程度上避免因直流連續換相失敗引起的直流閉鎖故障。基于2019 年夏季高峰方式，對浙江電網內500 kV 線路進行三相永久“N-2”故障掃描，表1 為加裝調相機前后導致賓金、靈紹直流連續3 次換相失敗的故障數目。可以看出加裝調相機后，兩大直流換相失敗次數明顯減少。

其中，以500 kV 金華—萬象雙線三相永久“N-2”故障為例，投入調相機和未投調相機相比，賓金直流換相失敗次數由3 次降為2 次，如圖2所示。

表1 不同方案下導致直流連續3 次換相失敗故障數

圖2 調相機對換相失敗次數的影響

1.3 調相機常規控制策略不足

調相機增加了系統的動態無功儲備，對直流連續換相失敗有一定抑制效果，暫態過程中，直流或交流系統故障瞬間，調相機主要通過自主響應及勵磁系統強勵控制，通過跟蹤機端電壓快速調節勵磁系統輸出的無功功率。但電網中大部分故障后電壓并不會持續維持在同一水平，而是隨著故障的發生而波動。對于多直流饋入受端電網，直流故障后電壓恢復慢，易發生直流多條、連續換相失敗，因此需要補償裝置提供盡量多的無功支撐以輔助電壓恢復[3]，調相機無法持續維持在強勵水平，對后續直流連續換相失敗抑制效果不佳。圖3 為浙江電網發生500 kV 丹溪—永康雙線三相永久“N-2”故障后，靈紹直流發生連續3 次換相失敗，直流換流站母線電壓及調相機出力曲線。

由圖3 可見，靈紹直流換流站母線電壓跌落嚴重，電壓振蕩明顯，紹興站調相機輸出無功也隨之振蕩，不能始終維持在強勵水平，對直流發生連續換相失敗無法起到足夠的支撐作用。

2 調相機參與緊急控制策略研究

2.1 總體設計思想

圖3 換流站母線電壓與調相機無功功率曲線

在我國現有的電網三道防線綜合防御體系中，利用第二道防線采取基于故障的緊急控制，用于保障系統快速恢復穩定，是解決電網穩定問題的有效手段。因此，亟需研究調相機參與緊急控制措施，通過事故信息緊急觸發調相機勵磁系統，令調相機進入強勵狀態，為系統提供緊急無功支撐并持續一定的時間，從而有效改善系統直流連續換相失敗情況。

2.2 設計架構

調相機參與緊急控制架構包括緊急控制主站、換流站母線電壓控制子站及調相機控制執行站[18-19]。以換流站母線電壓為控制目標，實時監測母線電壓，當跌落至啟動門檻值時，將告警信息發送至緊急控制主站，緊急控制主站基于網內可調用調相機運行信息，將控制信號發送至調相機控制執行站，由執行站向調相機勵磁系統發送修改勵磁參考電壓及持續時間指令，完成調相機緊急控制。系統設計架構如圖4 所示。

圖4 調相機緊急控制系統架構

2.3 控制策略

在緊急控制策略中，調相機緊急控制信號為直流換流站母線電壓，如發生接地故障，故障發生期間或故障消除瞬間，母線電壓幅值可能存在突變。為了降低電壓監測誤差，防止誤動，策略重點針對直流換流站母線電壓跌落條件，通過發出電壓告警信息緊急控制調相機勵磁系統，實現調相機強勵并持續一定時間，快速恢復系統電壓水平[20]。

（1）為了提高測量精度，基于滑動窗口技術的數據處理方式，選取電壓波動曲線上任意一段作平均值處理，即：

式中：UA為滑動窗口中電壓幅值的平均值；i 為當前窗口中第一個數據對應的采樣時間；N 代表滑動窗口中數據的個數；Ut1=n為采樣時刻t1等于n 時的電壓幅值。

（2）對滑動窗口中電壓數據取方差，當方差最小時，即隨采樣時刻t1而變化的電壓幅值曲線波動最小，則此電壓平均值為故障期間電壓幅值最終值，即：

（3）通過式（3）判斷換流站母線電壓是否低于緊急控制啟動門檻值并滿足一定的延遲時間：

式中：UGate為緊急控制啟動電壓門檻值；Ti為換流站母線電壓低于門檻電壓時間；TDelay為低電壓延時門檻值。當故障后換流站母線電壓幅值UA低于UGate，同時延時大于TDelay，則將電壓告警信息發至緊急控制主站，緊急強勵調相機參與緊急控制，其中UGate和TDelay選值可根據DL/T 1773—2017《電力系統電壓和無功電力技術導則》以及不同電網實際需求制定。

2.4 控制流程

緊急控制主站獲取換流站母線電壓、網內調相機運行信息（投運、停運信息），根據母線電壓實時信息和告警信息，并綜合調相機運行信息，通過匹配控制策略表，發送給各調相機控制執行站，由調相機控制執行站向調相機勵磁系統發送修改勵磁電壓及持續時間指令，完成調相機緊急控制。當持續時間或觸發勵磁系統過勵保護限制后，調相機勵磁系統進入退熱期[16]，正常情況下調相機勵磁系統具有2.5 倍勵磁電流，并持續時間15 s，該過載能力是反時限能力，當過載倍數超過2.5 倍時，持續時間縮短，但此持續時間足以應對直流連續換相失敗[3]。系統控制流程如圖5所示。

圖5 調相機緊急控制系統流程

3 仿真算例

以浙江電網2019 年夏季高峰方式為仿真算例，目前賓金、靈紹兩大直流滿功率運行為16 000 MW，在直流受端規劃投產金華、紹興站各2 臺300 Mvar 調相機。對于多直流饋入受端電網，嚴重故障情況下可能發生多回直流同時多次換相失敗，造成直流相繼閉鎖，對受端電網產生嚴重影響[21-22]，目前靈紹直流控制目標為連續換相失敗次數不超過4 次，賓金直流換相失敗次數不超過3 次。

（1）調相機常規控制方式

根據前文所述，直流換流站安裝調相機后，且調相機處于常規控制方式時，仍有一定量交流線路發生三相永久“N-2”故障后導致直流發生連續3 次換相失敗，如圖6 所示，調相機輸出無功未維持在強勵水平上，對系統電壓未起到足夠支撐作用。

圖6 調相機常規控制下直流換相失敗情況

（2）調相機參與緊急控制

對金華、紹興站調相機采取緊急控制，以直流換流站母線電壓作為調相機緊急控制啟動信號。目前新一代調相機具有更強的過載能力，強勵電壓響應倍數更高（3.5 倍）[3]，在交流線路發生三永“N-2”故障后，換流站母線電壓跌落至門檻值，仿真中設置UGate為0.9 p.u.，延時門檻值TDelay為200 ms，發送緊急控制信息給調相機執行站，強勵調相機至3.5 倍勵磁電流。同樣故障下，靈紹直流由連續3 次換相失敗降為2 次換相失敗，調相機采用不同控制方式下的直流單極功率曲線如圖7 所示，緊急控制下調相機無功出力曲線如圖8 所示。由圖可見，故障后緊急強勵調相機使其始終保持在強勵水平，有效減少了故障后直流連續換相失敗次數；同時，調相機緊急強勵后，雖然近區電壓有所升高，但并未超過安全范圍，調相機強勵多發出的無功對于系統電壓提升效果很小，調相機退出強勵時電壓跌落也非常小，不足以對電網運行狀態產生影響。

4 結語

針對多直流饋入受端電網，多直流同時和連續換相失敗已成為當前影響電網安全穩定運行的重要因素，為了提高系統動態無功儲備，預防或減少多直流同時或連續換相失敗情況發生，同步調相機等動態無功補償設備已得到廣泛應用。目前大量仿真分析表明，雖然調相機的配置一定程度上改善了系統直流的換相失敗概率，但僅僅依靠調相機自身響應無法充分發揮其動態無功支撐能力。因此本文在研究調相機對多直流饋入受端電網運行特性影響基礎上，提出將調相機納入電網緊急控制的策略及系統架構，通過實時監測直流換流站母線電壓，當故障后母線電壓跌落滿足門檻值即觸發調相機參與緊急控制，使調相機在一定時間內維持強勵水平，從而有效抑制直流連續換相失敗，保障多直流饋入受端電網的安全穩定運行。

圖7 調相機不同控制下直流換相失敗情況

圖8 調相機不同控制下無功出力及電壓響應情況