MGP提高直流送端新能源動態(tài)無功補(bǔ)償能力研究

付文啟，黃永章,2，管 飛，楊 鑫，谷昱君

MGP提高直流送端新能源動態(tài)無功補(bǔ)償能力研究

付文啟1，黃永章1,2，管 飛1，楊 鑫1，谷昱君1

（1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2. 華電(煙臺)功率半導(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司，山東 煙臺 264000）

高壓直流輸電線路送端常伴隨一定比例的新能源電源接入，新能源占比過高會導(dǎo)致電網(wǎng)動態(tài)無功補(bǔ)償能力不足，并降低送端系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)能力和直流線路有功功率傳輸穩(wěn)定性。同步電機(jī)對系統(tǒng)（motor-generator pair, MGP）具備動態(tài)無功補(bǔ)償能力，能較好滿足新能源電場與直流輸電線路送端暫態(tài)無功需求。本文根據(jù)MGP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，分析了MGP提供動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)過程，得出適當(dāng)減小d″、d′、d0′與勵磁調(diào)節(jié)器勵磁增益倍數(shù)可以增強(qiáng)MGP無功輸出能力的結(jié)論。對比了交流系統(tǒng)不同程度電壓降落下MGP的動態(tài)無功響應(yīng)能力；在此基礎(chǔ)上，還研究了改善MGP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)后其無功補(bǔ)償能力的提升表現(xiàn)。仿真結(jié)果表明：交流系統(tǒng)電壓跌落幅值越大，MGP的動態(tài)無功補(bǔ)償能力越強(qiáng)，更有利于維持直流線路功率傳輸穩(wěn)定；改善MGP系統(tǒng)參數(shù)后，其動態(tài)無功響應(yīng)能力得以進(jìn)一步增強(qiáng)。

動態(tài)無功補(bǔ)償；高比例新能源；同步電機(jī)對系統(tǒng)；直流輸電

0 前言

由于資源條件和人口特點(diǎn)，我國能源與負(fù)荷呈逆向分布，大容量、遠(yuǎn)距離輸電的需求促進(jìn)了特高壓直流輸電工程的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)呈現(xiàn)“強(qiáng)直弱交”特點(diǎn)[1]。同時隨著新能源市場的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電經(jīng)直流線路送出的容量逐步提升，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)[2]。

高壓直流送端通常建設(shè)在邊遠(yuǎn)地區(qū)，網(wǎng)架薄弱，新能源占比過高會導(dǎo)致系統(tǒng)短路容量和動態(tài)無功補(bǔ)償能力不足[3-4]，提高送端新能源動態(tài)無功補(bǔ)償能力是保障高壓直流輸電“強(qiáng)無功支持”的重要手段。新能源接入電力系統(tǒng)的規(guī)定導(dǎo)則要求新能源電場具備一定的無功補(bǔ)償能力[5-6]，能既滿足場站本身需要，還可滿足補(bǔ)償變壓器和輸電線路的無功需求。新能源電場可以通過配置SVC與SVG來補(bǔ)償無功，然而在實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場中，這些無功補(bǔ)償裝置可能存在運(yùn)行可靠性差、動態(tài)無功響應(yīng)時間不滿足要求等問題，使得故障期間難以發(fā)揮足夠的無功電壓調(diào)節(jié)能力[7-8]，并且這些補(bǔ)償設(shè)備受系統(tǒng)電壓影響，在系統(tǒng)電壓降低時該問題在含直流送端的區(qū)域尤為突出[9]。在直流送端配置同步調(diào)相機(jī)可以大幅改善該地區(qū)無功電壓調(diào)節(jié)水平，同時具備次暫態(tài)特性，可瞬時吸/發(fā)大量無功，抑制直流線路故障引起的暫態(tài)過電壓[10-12]，但調(diào)相機(jī)集中在送端換流站并不能有效抑制各新能源并網(wǎng)的暫態(tài)過電壓，與“就地平衡”無功補(bǔ)償原則相悖。為此，文獻(xiàn)[13]提出了分層分散配置調(diào)相機(jī)的方法，化整為零，在更低電壓等級的新能源并網(wǎng)點(diǎn)配置小容量同步調(diào)相機(jī)，仿真結(jié)果顯示分布式調(diào)相機(jī)能更好抑制新能源暫態(tài)過電壓的問題，但是調(diào)相機(jī)接入地點(diǎn)距新能源電場始終存在一定的電氣距離，當(dāng)系統(tǒng)電壓不穩(wěn)時，新能源并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動依然較大，機(jī)組仍存在脫網(wǎng)風(fēng)險。

提升新能源電場自身無功補(bǔ)償能力是一個解決思路。文獻(xiàn)[14]提出了新能源通過驅(qū)動同步電動機(jī)-同步發(fā)電機(jī)對（MGP）的并網(wǎng)技術(shù)，通過引入同步電機(jī)的優(yōu)良屬性來彌補(bǔ)電力電子換流器存在的不足。文獻(xiàn)[15]提出了適用于MGP的源網(wǎng)相位差控制方法，實(shí)現(xiàn)了新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[16]和[17]研究表明MGP可以增強(qiáng)慣性，提升新能源電網(wǎng)頻率的支撐能力。文獻(xiàn)[18]利用小干擾模型驗(yàn)證了MGP能提供比相同質(zhì)量塊的發(fā)電機(jī)更大的阻尼。文獻(xiàn)[19]從MGP的隔離作用角度出發(fā)，通過仿真與實(shí)驗(yàn)證明了新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)使得新能源場站具備良好的高/低電壓穿越能力。本文首先分析了MGP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)同步電機(jī)運(yùn)行理論，得出MGP提供動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)脑恚⑼ㄟ^光伏經(jīng)MGP接直流輸電線路并網(wǎng)的仿真結(jié)論驗(yàn)證了MGP具備良好的動態(tài)無功響應(yīng)能力。

1 MGP動態(tài)無功補(bǔ)償機(jī)理分析

1.1 MGP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)對系統(tǒng)由一對參數(shù)完全相同的同步電機(jī)組成，兩臺電機(jī)分別作為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)，通過一個機(jī)械軸串接運(yùn)行，因而各運(yùn)行工況下都保持同轉(zhuǎn)速和同轉(zhuǎn)向運(yùn)行。其工作模式為：新能源發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)，電動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，并入交/直流電網(wǎng)，新能源經(jīng)MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MGP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MGP由于機(jī)械傳動軸的存在解耦了兩端的電氣系統(tǒng)，新能源端或電網(wǎng)端發(fā)生故障擾動時，另一端會因?yàn)楦綦x作用而幾乎不受影響，因而MGP的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)分別配有一套獨(dú)立的勵磁系統(tǒng)。

1.2 MGP無功調(diào)壓特性分析

MGP的兩臺電機(jī)除了工作模式不同，數(shù)學(xué)模型基本相同，此處以同步發(fā)電機(jī)為例，分析派克變換下，MGP無功輸出的過程。

同步發(fā)電機(jī)輸出無功功率為：

式中，d、q分別是發(fā)電機(jī)直軸定子電流和交軸定子電流；d、q分別是電機(jī)直軸定子電壓和交軸定子電壓；SG為發(fā)電機(jī)輸出有功功率。

在電網(wǎng)強(qiáng)度薄弱的直流送端地區(qū)，當(dāng)電網(wǎng)故障時，MGP不僅能憑借其隔離作用保障電動機(jī)側(cè)新能源的正常運(yùn)行，還能增強(qiáng)發(fā)電機(jī)側(cè)電網(wǎng)的動態(tài)無功補(bǔ)償能力。MGP發(fā)電機(jī)側(cè)的動態(tài)無功響應(yīng)原理可以從同步電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析，以電壓暫降為例，設(shè)故障后系統(tǒng)母線電壓從0下降為1，發(fā)電機(jī)端電壓突變量Δ=0－1，由式（1）可知，增發(fā)的無功ΔSG為：

設(shè)故障前電流為0，故障后發(fā)電機(jī)發(fā)出電流為1，則短路電流增量Δd=1-0，上式可以化為：

分析可知，系統(tǒng)初始母線電壓0由該系統(tǒng)的短路容量、等值阻抗和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性所決定。電壓突變量Δ取決于故障點(diǎn)的電氣距離及其故障類型。0主要取決于系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)，因此MGP發(fā)電機(jī)動態(tài)無功響應(yīng)能力主要由Δd體現(xiàn)，通過增大Δd及其變化速率就可增大發(fā)電機(jī)的無功響應(yīng)能力。

MGP動態(tài)無功響應(yīng)特性可以從時間尺度上劃分為次暫態(tài)和暫態(tài)特性。在電力系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落瞬間，MGP發(fā)電機(jī)側(cè)定子繞組感生出大量電流，增發(fā)無功功率來抑制系統(tǒng)電壓進(jìn)一步跌落，該階段為強(qiáng)勵控制啟動前發(fā)電機(jī)自發(fā)的無功響應(yīng)，即發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)特性。

分析次暫態(tài)下發(fā)電機(jī)定子電流d軸分量的突變量：

式中，1=d″+T；2=d′+T；3=d+T；d″、d′、d分別為發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗、直軸暫態(tài)電抗、直軸穩(wěn)態(tài)電抗；d″、d′分別為發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)短路時間常數(shù)、直軸暫態(tài)短路時間常數(shù)；a為定子繞組的非周期分量衰減時間常數(shù)；T為恒定值，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)；Δ0、Δ分別為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢與端電壓之差、發(fā)電機(jī)端電壓故障前后變化量。

在暫態(tài)特性下，考慮勵磁調(diào)節(jié)器作用，MGP發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子暫態(tài)電壓增量形式方程為：

式中，q′、q分別為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電動勢和空載電動勢；d0′為定子繞組開始時勵磁繞組時間常數(shù)。

發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 勵磁調(diào)節(jié)器模型

采用線性化處理后可簡化描述為：

式中，A是發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的增益倍數(shù)。

對式（5）進(jìn)行拉普拉斯變換后可得暫態(tài)電動勢變化量為：

式中，為拉普拉斯算子。

將式（7）與式（5）聯(lián)立可得：

式中第一項(xiàng)為慣性環(huán)節(jié)，是發(fā)電機(jī)暫態(tài)特性下的自發(fā)無功響應(yīng)，第二項(xiàng)與勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用相關(guān)。

由式（4）和式（8）可知，在電力系統(tǒng)電壓波動的過程中，MGP無功補(bǔ)償能力主要與發(fā)電機(jī)端電壓變化幅度，發(fā)電機(jī)d″、d′、d0′參數(shù)與勵磁調(diào)節(jié)器增益倍數(shù)A有關(guān)。

2 仿真模型的建立

為驗(yàn)證MGP提高新能源動態(tài)無功補(bǔ)償能力的作用，本文利用PSCAD仿真軟件搭建了如圖3所示的新能源接入高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真模型。該高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極對稱運(yùn)行方式，換流站和逆變站分別由兩個250kV六脈動換流器串聯(lián)而成，直流傳輸線路額定容量為1000MW，額定電壓為500kV，直流送端額定電壓為345kV，由能傳輸有功功率780MW的交流系統(tǒng)和一個發(fā)電容量為220MW的光伏電站構(gòu)成，光伏電站通過相同容量的MGP系統(tǒng)并入直流電網(wǎng)，受端為額定電壓230kV的交流系統(tǒng)。

MGP的電動機(jī)與發(fā)電機(jī)均為相同的同步電機(jī)模型，采用PSCAD軟件系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)，具體數(shù)值見表1。

圖3 新能源經(jīng)MGP接入高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真模型

表1 同步電機(jī)參數(shù)

勵磁電壓調(diào)節(jié)器采用AC1A模型，增益倍數(shù)A為系統(tǒng)默認(rèn)值300。

2.1 MGP動態(tài)無功響應(yīng)能力驗(yàn)證

控制MGP的同步電機(jī)運(yùn)行在功率因數(shù)接近1的狀態(tài)下，在仿真中設(shè)置交流系統(tǒng)在5s時發(fā)生暫態(tài)電壓跌落，持續(xù)時間為0.1s，電壓下降比例為10%，分別測量MGP兩端電動機(jī)與發(fā)電機(jī)以及交直流系統(tǒng)各電氣量的改變情況，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，交流系統(tǒng)電壓在5.1s時達(dá)到最低后故障切除，系統(tǒng)經(jīng)過0.6s后恢復(fù)到故障前水平。電壓跌落及恢復(fù)的暫態(tài)過程中，MGP的發(fā)電機(jī)在自發(fā)性的無功響應(yīng)與勵磁調(diào)節(jié)器作用下，增發(fā)無功功率抑制了交流電壓的進(jìn)一步跌落。在系統(tǒng)電壓最低時，多發(fā)的無功達(dá)到了最多的92Mvar，并在故障切除0.7s后恢復(fù)到了原來的無功功率輸出水平。

由1.2節(jié)的無功調(diào)壓原理分析可知，MGP的動態(tài)無功響應(yīng)能力還受系統(tǒng)電壓跌落程度的影響，為此，進(jìn)一步對比了在MGP接入高壓直流輸電系統(tǒng)后，不同電壓跌落幅值下MGP的動態(tài)無功響應(yīng)能力。在仿真中設(shè)置在5s時，交流系統(tǒng)電壓分別跌落10%、20%、30%，持續(xù)0.1s，MGP動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著交流系統(tǒng)電壓從345kV跌落到315kV、275kV和245kV，在勵磁控制作用下的MGP動態(tài)無功響應(yīng)能力也逐步增強(qiáng)，分別增發(fā)到了穩(wěn)態(tài)時輸出的無功功率的4倍、7.7倍和9.8倍。由此可知，隨著電壓降落幅值增大，MGP能為交流系統(tǒng)提供更強(qiáng)的暫態(tài)無功支撐能力。

2.2 MGP系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化

由式（4）和式（8）可知，MGP無功響應(yīng)能力與發(fā)電機(jī)端電壓下降程度、勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)及發(fā)電機(jī)自身的參數(shù)有關(guān)，而MGP端電壓下降幅度受交流系統(tǒng)故障嚴(yán)重程度決定，不受自身控制。從改善勵磁參數(shù)和發(fā)電機(jī)參數(shù)角度出發(fā)，適當(dāng)改變同步電機(jī)的d″、d′、d0′數(shù)值大小與勵磁調(diào)節(jié)器勵磁增益倍數(shù)可以增強(qiáng)MGP動態(tài)無功響應(yīng)能力。改善后同步電機(jī)模型的參數(shù)見表2。

表2 同步電機(jī)參數(shù)

將發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器增益倍數(shù)A改為400。在仿真中設(shè)置5s時，交流系統(tǒng)電壓跌落30%，持續(xù)0.1s，并與電機(jī)參數(shù)改善前的系統(tǒng)電氣量參數(shù)變化進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，MGP的發(fā)電機(jī)在參數(shù)改變后動態(tài)無功響應(yīng)能力得到有效改善，在同樣故障情況下，無功響應(yīng)峰值由原來的280Mvar增至了320Mvar；增發(fā)的無功進(jìn)一步抑制了交流系統(tǒng)電壓降落，電壓跌落的最低點(diǎn)由原來的240kV增至245kV；直流線路有功功率傳輸?shù)淖畹椭涤?50MW增至468MW，電壓恢復(fù)過程中的功率波動程度也有所降低。

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以得出，在改善電機(jī)參數(shù)和勵磁調(diào)節(jié)器增益倍數(shù)后，MGP對系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)能力和動態(tài)無功補(bǔ)償能力得以進(jìn)一步加強(qiáng)，并能增強(qiáng)對暫態(tài)過程中直流線路傳輸功率波動的抑制效果。

3 結(jié)論

由于直流送端的高比例新能源地區(qū)常常存在動態(tài)無功補(bǔ)償能力不足的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐能力薄弱，威脅高壓直流線路大容量功率輸送的穩(wěn)定性。本文首先分析MGP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和MGP增發(fā)無功功率的原理，而后通過仿真驗(yàn)證光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)可以提高該地區(qū)動態(tài)無功響應(yīng)能力，增強(qiáng)高壓直流輸電線路功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性。并得出以下結(jié)論：

（1）MGP動態(tài)無功響應(yīng)能力主要與發(fā)電機(jī)端電壓跌落程度、勵磁系統(tǒng)控制參數(shù)和發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，隨著系統(tǒng)故障程度加深，MGP能增發(fā)更多無功功率來抑制電壓跌落。

（2）相同故障情況下，通過改善電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)系數(shù)，可以有效增強(qiáng)MGP動態(tài)無功響應(yīng)能力，進(jìn)一步抑制交流系統(tǒng)暫態(tài)電壓降落，并提高直流線路暫態(tài)故障下的有功功率傳輸穩(wěn)定性。

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Study on Improving the Dynamic Reactive Power Compensation Ability of Renewable Energy on DC Transmisson Sending System via Motor-generator Pair (MGP)

FU Wenqi1, HUANG Yongzhang1,2, GUAN Fei1,YANG Xin1,GU Yujun1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 2. NCEPU(Yantai) Power Semiconductor Technology Research Institute Co., Ltd., Yantai 264000, China)

The sending end of HVDC transmission line is often accompanied by a certain penetration of renewable energy power access. If the penetration of renewable energy is too high, the dynamic reactive power compensation capacity of the power grid will be insufficient. This problem would reduce the voltage regulation capability and the power transmission stability of the sending end system. Motor-generator pair (MGP) has dynamic reactive power compensation capability, which can better meet the transient reactive power demand of the renewable energy electric field and the transmission end of the DC transmission line. Based on the system structure and mathematical model of MGP, this paper analyzes the response process of MGP to provide dynamic reactive power compensation, and concludes that properly reducingd″,d′,d0′ and the excitation regulator's excitation gain coefficient can enhance the reactive output capability of MGP. We compare the dynamic reactive power response capability of MGP under different voltage drops of AC system, and then study the improvement performance of the reactive power compensation ability after improving the structural parameters of MGP on this biasis. The simulation results show that the greater the voltage drop amplitude of the AC system, the stronger the MGP dynamic reactive power compensation capability, which is conducive to maintaining the stability of DC line power transmission. After the MGP system parameters are improved, the dynamic reactive power response capability can be further enhanced.

dynamic reactive power compensation; high penetration of renewable energy; motor-generator pair; direct-current transmission

TM712

A

1000-3983(2021)01-0034-06

貴州電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（067600KK52180007）

2020-05-17

付文啟（1997-），華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電氣工程專業(yè)，碩士研究生在讀，主要研究方向?yàn)楦邼B透率新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。