基于新型電力系統的退役火電機組改調相機運行研究

蔣 哲，王安東，田 浩，李 山，房 俏，王孟夏

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

我國能源資源分布極不平衡，初步形成了以超/特高壓交直流長距離輸電為主的西電東送格局，在東部負荷中心建成了若干個交直流多落點大型受端電網［1-2］。隨著大容量特高壓直流逐步投運，交直流交互影響加劇，存在交流故障引發多回直流同時閉鎖，繼而導致全網電壓崩潰的風險［3-7］，多直流受端電網電壓安全問題已嚴重威脅到特高壓電網的穩定運行。

調相機由于其多時間尺度無功支撐能力以及過載能力強，在抑制直流連續換相失敗、提高直流受端電網電壓穩定性等方面發揮著重要作用［8-10］。文獻［11］從提高直流多饋入短路比、抑制多回直流同時換相失敗、提升系統電壓穩定性等角度研究了調相機的應用效果。文獻［12］以華東電網為例，通過對比調相機加裝前后的短路電流水平以及直流換相失敗范圍，評估了調相機對受端電網的影響。文獻［13］以沂南換流站調相機實際應用為例，分析了調相機在穩定山東電網電壓水平、降低昭沂直流換相失敗概率方面的效果。文獻［14］提出一種基于同步調相機動態無功電壓特性的多饋入直流同時換相失敗風險評估方法。然而，投資高、運維成本高以及征地困難等因素在一定程度上限制了調相機的廣泛應用。

二氧化碳排放力爭2030 年前達峰、2060 年前實現中和這一“雙碳”戰略目標提出后［15］，國家電網有限公司發布了雙碳行動方案［16］，明確提出公司的首要任務是構建以新能源為主體的新型電力系統。隨著新能源裝機占比的不斷提高，大批火電機組將面臨逐步退役問題［17］。作為電網動態無功的主要來源，火電機組裝機容量的大幅下降將進一步增大電網電壓失穩風險。如何充分利用退役火電廠的機組設備以及廠址，成為構建新型電力系統必須面對的問題之一。將退役發電機組改造為調相機運行是一種較好的解決方案，目前相關研究較少。文獻［18］和文獻［19］分別針對水輪發電機和汽輪發電機，介紹了機組改調相運行的相關實踐過程，可為類似改造工程提供借鑒。文獻［20］提出了一種將退役同步發電機改為自并勵同步調相機的方法。上述文獻僅從機組本身改造的角度開展研究實踐工作，并未考慮機組改造后的接入系統方式以及對電網穩定性的影響。

針對“雙碳”目標下大批火電機組面臨的退役問題，提出了一種有效利用退役火電機組及其廠址的方法。通過分析山東電網電壓穩定風險以及調相機無功電壓特性，提出將退役火電機組改調相機運行以滿足新型電力系統電壓穩定需求的思路。從發電機本體、啟動系統、輔助系統3 個方面提出改造技術路線，并以山東電網為例驗證所提方法的有效性。

1 山東電網電壓穩定風險分析

山東—河北特高壓環網工程投產后，特高壓骨干網架逐步成為主要電力輸送通道，網內形成“三直五交”八大受電通道，潮流呈現出多點互濟，全網平衡的特性。

風電、光伏等新能源繼續保持高速增長，光伏裝機容量居全國第一，風電裝機容量居全國第五，新能源已成為山東電網的第二大電源，在清潔低碳、安全高效的能源體系建設方向的指引下，新能源還將保持高速增長，在電源結構中的比重將進一步上升。新能源機組因其固有的波動性、對頻率和電壓的敏感性、故障低電壓穿越的有功無功特性，已成為影響電網安全水平的重要因素。

因機組置換效應，山東電網內部火電機組開機減少，電網短路容量小，電壓支撐力量薄弱。經仿真計算，在山東電網內開機容量低于電壓穩定邊界時，1 000 kV 河泉雙線三相永久性故障N-2 或泉樂雙線三相永久性故障N-2時會導致山東電網電壓崩潰，如圖1 所示。其根本原因是電網電壓支撐力量薄弱，無法承受大故障導致的低電壓，進而導致銀東、魯固、昭沂直流發生連續換相失敗后閉鎖，并最終導致山東電網電壓崩潰。

圖1 山東電網電壓崩潰仿真曲線

電網故障后全網電壓崩潰過程如圖2 所示。電網故障瞬間全網電壓下降，對全網帶來的影響主要有以下4個方面。

1）電動機負荷無功消耗增加。

電力系統負荷中含有大量異步電動機，而其負荷大小會隨著端電壓的變化而變化。一方面，電網電壓降低會導致電動機負荷的無功損耗增加；另一方面低電壓可能導致感應電動機發生堵轉并吸收大量的無功功率。因此，電網電壓降低將導致電動機負荷的整體無功消耗增加。

2）無功補償裝置出力降低。

并聯電容器發出的無功功率與電壓的平方成正比，電網電壓下降將引發全網無功補償裝置的出力大幅降低，導致電網的無功缺額增大，電壓跌落程度越大，無功不平衡量越大。

3）直流換相失敗。

直流系統正常運行需要交流側提供正常的換相電壓，交流系統電壓異常可能導致直流發生換相失敗。直流系統發生換相失敗，對電網的影響主要體現在兩個方面：

無功方面。直流換相失敗恢復過程中，需要消耗一定量的無功功率，而此時電網電壓尚未恢復，濾波器的無功出力不足以滿足直流系統的無功消耗，導致直流系統從交流系統吸收大量無功功率，這將加劇全網的無功不平衡情況。

有功方面。直流換相失敗期間，其輸送的有功功率將大幅降低，導致山東電網內有功缺額增大。

4）新能源低電壓穿越。

截至2021年10月，山東新能源裝機規模已經突破46 000 MW。全網電壓降低可能引發全網大量新能源機組進入低電壓穿越甚至脫網，導致新能源有功出力大幅降低。尤其是在故障前新能源出力水平較高時，新能源大量進入低穿將導致山東電網出現較大的有功缺額。

此過程與直流換相失敗引起的有功缺額疊加，導致全網潮流的大范圍轉移，無功損耗增加，大量有功缺額需要從外部電網遠距離輸送至山東電網，進一步導致了山東電網的電壓降低，并最終導致全網的電壓崩潰。

從上述分析可見，電壓崩潰的發生，主要是由于網內動態無功支撐能力不足導致的。火電等常規機組是電網動態無功支撐的主要來源，近年來隨著“外電入魯”與新能源裝機持續增長，山東電網內常規機組的開機容量逐年減少。電壓失穩問題已經成為制約山東電網交直流受電能力的主要因素。

2 同步調相機無功電壓特性分析

為提升山東電網受電能力，需要增加山東電網無功支撐能力，提高電網電壓穩定性。無功補償裝置按能源供給分類可以分為有源和無源兩類。無源無功補償設備僅可以發出無功功率，不能吸收無功功率，主要設備為系統母線上并聯或者在線路中串聯的電容、電抗器；有源補償設備不僅能夠發出無功功率，還可以吸收無功功率，具備無功功率的雙向調節特性。主要設備有同步調相機、靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）和靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）。

早期的同步調相機相應速度慢、噪音大、損耗大，在我國電網中使用較少。隨著技術的不斷發展，我國研制的新型同步調相機較傳統調相機的性能有了大幅度提高。目前中國新設計的調相機組單機容量達到300 Mvar，進相運行能力可以達到200 Mvar，次暫態電抗由15%以上降低到10%左右，瞬時無功功率輸出能力提升50%以上。轉子具備15 s的2.5倍強勵磁要求，同時為了達到強勵磁速度要求，在強勵磁開始的前5 s 內，強勵磁達到3.5 倍。對于交流故障后電壓恢復及抑制直流換相失敗問題，新型同步調相機控制效果明顯優于同容量STATCOM和SVC。

當電網出現電壓跌落時，調相機會產生較大的勵磁電流，以保證定子磁鏈不變，并快速釋放大量無功功率，即調相機的自發無功響應特性。由于調相機電網之間為電磁連接，自發無功功率響應時間極短，通常會在幾到幾十毫秒內發出超過其額定值的無功功率，實現大量無功功率的快速釋放，從而有效抑制故障后電網電壓跌落的幅度和速度。然而，作為無源信號的自發無功功率響應必然有一個衰減過程，調相機的無功功率輸出在約100 ms 時達到最低值，之后勵磁控制器的強勵磁效應開始顯現。

正常運行時調相機的無功輸出功率為

式中：Ud和Uq分別為d軸電壓和q軸電壓；id和iq分別為d軸電流和q軸電流。正常運行時，調相機消耗的有功功率僅為自身損耗，因此Ud約等于0，Uq約等于機端電壓U。

故障時同步調相機無功變化量為

式中：ΔU為機端電壓增量；Δid為d軸電流增量，與調相機參數有關；U0為故障前機端電壓；id0為d軸電流初始值，取決于調相機初始運行狀態。因此，故障后調相機無功功率與電網電壓跌落程度密切相關。

3 火電機組改造技術可行性分析

調相機與汽輪發電機均屬于隱極同步電機，但調相機屬于電動機，只承載無功負荷，不承載有功負荷（機械負載），對轉子強度的要求較低，汽輪發電機改為調相機運行技術上是可行的，但需要做相應的改造。

1）發電機本體。

當前國家電網有限公司所轄電力系統所用調相機是為滿足電網動態穩定需求而專門設計的，與常規汽輪發電機最大不同之處在于其暫態電氣參數和定轉子電流過載能力要求較高。現有的300 Mvar 調相機總體來說與400 MW 汽輪發電機相當，部分部件尺寸與600 MW 機組相近。當汽輪發電機改為調相機時，須降低容量使用，如300 MW 發電機可改為240 Mvar 調相機（按短路時過載能力折算），改造后穩態性能相近，暫態性能稍差。

為提高暫態響應速度，調相機出口升壓變壓器的短路阻抗（標幺值低于12%）比發電機出口升壓變壓器的短路阻抗小（標幺值約為14%），當發電機汽輪發電機改為調相機降容使用時，如就地改造可不更換升壓變，發電機本體及中性點、勵磁系統等也可基本維持現狀。

2）啟動系統。

調相機是同步電動機，不具備自啟動能力［21］，須增添啟動設備將其拖動到額定轉速并網，啟動設備可采用汽輪機、靜止變頻器、同軸電機3 種。同軸電機啟動無論從可靠性和效率上都劣于變頻啟動，該啟動方式已趨于淘汰；使用汽輪機啟動，可不增加設備，但啟動時鍋爐需投入運行，啟動后汽輪機轉子長期被拖動運轉，可靠性及效率得不到保障。因此，改造時宜拆除汽輪機，使用靜止變頻器進行啟動。同時，為滿足運維及啟動需要，發電機還須加裝盤車裝置。

3）輔助系統。

油、循環水、除鹽水（如有）、廠用電等系統因用油、水、電量大幅減少（循環水量約為原流量的1/10），系統須進行簡化，做較大幅度改造；改為調相機后，發電機變為電動機運行，分散控制系統（Distributed Control System，DCS）、繼電保護均須做適應性改造。

4 仿真分析

采用2021 年全國聯網數據，山東電網網供負荷53 000 MW，新能源出力20 000 MW，交直流受電14 000 MW。山東電網交直流受電斷面示意如圖3 所示。其中，交流受電斷面包括：6 回1 000 kV 線路（A—B 雙回、A—E 雙回、F—B 雙回）和4回500 kV 線路（1—2 雙回、3—4 雙回）；直流受電通道包括：從同步電網2 饋入的1 回直流通道和從同步電網3 饋入的2回直流通道。

圖3 山東電網交直流受電斷面

以將十里泉電廠5 號機組改為調相機運行為例，基于中國電科院PSASP 仿真軟件開展仿真分析。十里泉電廠5 號機組額定裝機容量為140 MW，改造前通過220 kV 系統并入山東電網。為分析火電機組改調相機運行后對電網電壓穩定性的影響，分別考慮對山東電網受電能力的影響以及對新能源場站低穿特性的影響。

4.1 對電網受電能力的影響

當前制約山東電網受電能力的主要因素為主網架層面無功支撐能力不足，存在網內常規機組開機容量低于穩定臨界值時，1 000 kV 河泉雙線（圖3 中紅色線路）發生N-2故障后山東電網電壓崩潰問題。

為最大限度發揮調相機的電壓調節能力，將十里泉電廠5 號機組就地升壓至500 kV，新建一回500 kV 線路至1 000 kV 微山湖站的500 kV 側，線路長度按照機組至微山湖站的直線距離考慮，約為35 km。

圖4 為1 000 kV 河泉雙線發生三相永久性N-2故障后調相機的無功出力變化情況。通過仿真發現，調相機在電網故障瞬間通過自發無功響應特性發出250 Mvar的無功功率，約為額定容量的2 倍。之后，隨著強勵磁作用顯現，調相機最大無功出力達到370 Mvar，約為其額定容量的2.6 倍，為故障后系統恢復提供了有效的電壓支撐。

圖4 故障后調相機無功出力

圖5 和圖6 分別為河泉雙線N-2 故障后，有調相機和無調相機時微山湖站母線電壓波動情況。可以看出，無調相機接入時，微山湖站母線電壓未能恢復至正常范圍，發生了電壓崩潰；接入調相機后，母線電壓能夠快速恢復，有效避免電壓崩潰。經校核，調相機接入微山湖站后，以1 000 kV 河泉雙線N-2 故障后山東電網電壓崩潰為制約條件，山東電網交直流受電能力提高了250 MW。

圖5 故障后微山湖站500 kV母線電壓對比

圖6 故障后微山湖站1 000 kV母線電壓對比

4.2 對新能源場站低穿特性的影響

電網側發生故障后可能導致新能源進入低電壓穿越，甚至脫網。在新能源并網點增加調相機，有助于提高并網點的電壓控制能力，改善新能源場站并網特性。山東電網作為受端電網，新能源運行存在的風險主要為故障后低穿脫網問題，發生高穿脫網的概率較低，因此，僅分析調相機對新能源場站低穿特性的影響。

將十里泉5 號機升壓至220 kV，新建1 回30 km的220 kV 線路至附近的山亭中廣風電場。該風電場通過220 kV系統并網，裝機容量為230 MW。

圖7對比了1 000 kV河泉雙線N-2故障后，風電場并網點電壓變化情況。可以看出，接入調相機后，并網點電壓跌落深度和恢復速度均有所改善。圖8對比了有無調相機接入時風電場的并網線有功功率變化情況。河泉雙線N-2 故障后，沒有調相機時，低電壓導致風電場進入低穿進而脫網；而接入調相機后，風電場能夠保持連續并網運行。

圖7 故障后風電場并網點電壓變化情況

圖8 故障后風電場并網線有功變化情況

5 結語

論證將退役火電機組改調相機運行的技術可行性，為破解以新能源為主體的新型電力系統電壓穩定問題提供了新的解決思路。

火電機組改調相機后，在電網故障后能夠發出最大約自身額定裝機2.5倍以上的無功出力，為故障后系統恢復提供了有效電壓支撐。

機組改調相機就近接入500 kV 系統，可以為山東主網架提供有效的無功電壓支撐，提升山東電網電壓穩定性和交直流受電能力。

機組改調相機就近接入新能源場站，有助于提高并網點的電壓控制能力，改善新能源場站并網特性，降低新能源脫網的風險。

在研究過程中，發現仍有部分問題有待進一步研究：并網電壓等級對系統穩定性的影響，本文僅分析了火電機組改調相機后就近接入500 kV系統對電網穩定性的影響，考慮到無功的分層平衡特性，有必要進一步分析其并網電壓等級的影響；火電機組改調相機對抑制直流換相失敗的作用，分析了火電機組改調相機運行對電網受電能力、新能源并網特性的影響，考慮到直流換相失敗也是導致電壓崩潰的重要影響因素，有必要進一步分析火電機組改調相機運行對抑制直流換相失敗的影響。