同步調相機故障對上海廟—臨沂特高壓直流輸電系統影響的研究

王繼豪，曹志偉，王安東，商攀峰，代海濤

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；3.國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118）

0 引言

特高壓直流輸電技術是我國實現新能源消納和資源優化配置的有效手段，隨著直流輸電容量和輸電距離的增長，電網“強直弱交”問題突出，為了維持電網穩定，在輸出直流功率的同時應該配套動態無功補償設備［1-3］。相對于靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）、精致同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等傳統無功補償設備，新型大容量同步調相機暫態和動態特性優良、輸出功率不受系統電壓影響、定轉子承受過電流的能力強［4-5］。國家電網有限公司首批調相機規劃21 站47臺調相機，已投運18 站40 臺調相機，有效支撐了特高壓直流輸電的安全穩定運行；預計十四五末，國家電網有限公司將達到80臺調相機。

同步調相機投運初期，由于安裝調試遺留缺陷或者設備質量問題，山東省外已經發生了16 次故障跳機事件。同步調相機與站內500 kV交流母線直接相連，耦合緊密，應對調相機故障足夠重視并評估調相機發生各種故障對特高壓直流輸電的影響。

目前關于同步調相機故障分析的研究主要關注調相機本體及輔助系統故障機理及對本體的影響，如勵磁系統故障分析［6］、定子繞組匝間短路故障診斷［7］、定子線棒水路堵塞溫度場分析［8］等，而針對調相機故障對特高壓直流輸電系統影響的研究較少。

為此，以±800 kV上海廟—臨沂分層接入特高壓直流輸電工程為依托，系統梳理全網調相機故障案例并進行歸類，采用PSCAD 軟件建立分層接入特高壓直流直流輸電系統仿真模型，重點研究調相機失磁、甩負荷、出口短路故障對特高壓直流輸電的影響，以期對現場運維有所幫助。

1 特高壓直流輸電系統

±800 kV 上海廟—臨沂特高壓直流輸電工程包括兩級（極Ⅰ和極Ⅱ），每一極包括2個12脈動閥廳。伊克昭換流站為送端，配置1 個交流濾波器場；沂南換流站為受端，低端、高端閥廳分別通過換流變壓器接入2個交流系統，并配置有2個交流濾波器場。此外，沂南換流站配置有3 臺300 Mvar 同步調相機［9］。基于PSCAD建模，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1.1 特高壓直流輸電原理

系統等效電路如圖2 所示，系統等效電路參數含義如表1所示。

表1 系統等效電路參數含義

圖2 系統等效電路

正常運行時，直流電流為

送端的傳輸功率為

受端接收的功率為

直流系統可以通過調節α、β，在1～10 ms 內快速大幅調節直流電流、電壓和功率［10］。

1.2 直流輸電控制策略

送端配置有帶最小觸發角（5°）控制的定電流控制，受端配備有定電流控制（電流定值比送端小10%）、電流偏差控制（Current Error Controller，CEC）和定關斷角控制。為了在系統故障時限制直流線路過電流、加快故障恢復，受端還配有低壓限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）。正常情況下，送端主要采用定電流控制，受端主要采用定關斷角控制，實現送受端的協調配合［11-12］。直流輸電控制策略如圖3所示。

圖3 特高壓直流輸電控制策略

1.3 換相失敗控制策略

常規特高壓直流輸電系統受端的低端、高端閥廳均接入相同電壓等級的交流系統，而上海廟—臨沂特高壓直流輸電系統受端高、低端閥廳分別接入2個交流系統，2個閥廳存在一定的耦合：一是2個電壓等級的交流系統存在一定的耦合，一個交流系統故障會引起另一個電網擾動；二是高端、低端閥廳通過相同的直流電流，一個閥廳換相失敗會對另一個閥廳造成沖擊，進而增大了換相失敗發生概率［13］。沂南換流站在常規換流站換相失敗預測控制措施（例如基于零序電壓、αβ變換、諧波電壓原理、等關斷面積法、六脈動橋電流判據等換相失敗預測控制措施）的基礎上進行了增加或改進［9］，下面介紹增加或改進的措施。

1.3.1 閥廳間交換換相失敗預測信息策略

當同極高端或低端閥廳換相失敗預測控制啟動后，會及時通過閥廳控制主機間通信將換相失敗預測啟動信號和預測的角度增大值傳送至同極另一個閥廳控制主機，及時增大另一閥廳的熄弧角，防止換相失敗發生。

1.3.2 配置雙重換相失敗預測控制模塊

沂南換流站控制程序中將基于零序電壓判據、αβ變換電壓判據的換相失敗預測控制措施封裝在一個控制模塊（定義為換相失敗預測控制模塊，其他換相失敗預測控制措施不在該控制模塊中）。2 個不同電壓等級交流電網的母線電壓測量值同時接入高端和低端閥廳，每個閥廳均配置兩個換相失敗控制模塊，同步檢測兩個交流系統異常，熄弧角的增加量取兩個模塊的最大值。

1）零序電壓判據。

當受端交流系統發生不對稱故障時，交流母線電壓中的零序電壓分量滿足判據啟動條件時，則增大熄弧角，避免換相失敗。

啟動判據的條件及熄弧角增量為

式中：Ua、Ub、Uc為交流母線三相相電壓標幺值；U0為零序電壓分量標幺值；?γ為熄弧角增量；k1為增益。

2）αβ變換電壓判據。

該判據用于檢測交流系統三相接地短路故障。首先利用式（6），通過αβ變換將相電壓映射到αβ平面；然后將擾動時αβ變換輸出值與穩態時αβ變換輸出值比較，當滿足啟動條件時及時增加熄互角，啟動判據的條件及熄弧角增量如式（6）所示。

式中：Uα、Uβ分別為αβ變換后的兩個分量；?Uαβ為αβ變換的變化量；t為判斷周期；?γ為熄弧角增量；k2為增益。

3）基于諧波電壓原理的換相失敗預測控制措施。

啟動判據：交流電網中2 次、3 次、5 次諧波的任一個值大于8 kV（500 kV 交流電網）或16 kV（1 000 kV 交流電網）。

動作策略：與其他換流站動作策略不同（例如青州換流站根據諧波大小增大γ角），沂南換流站在諧波超過定值時僅鎖定交流電壓換相失敗預測模塊中所增大的γ角，防止γ角度頻繁波動。

以高端閥為例：采集的高端閥組對應的交流系統電壓諧波超過定值，則鎖定高端閥組換相失敗預測模塊輸出的γ角；采集的低端閥組對應的交流電壓諧波超過定值，則鎖定低端閥換相失敗預測模塊輸出的γ角。

4）配置直流電流上升率檢測模塊。

單個閥廳換相失敗會導致直流電流瞬間升高，可能導致另一個閥廳隨之發生換相失敗。因此，可通過檢測直流電流上升的速度判斷是否發生換相失敗，及時增加觸發角，防止換相失敗［14］。該判據啟動條件為滿足式（7）且保持2 ms時，增大γ角5°。

式中：Id為直流電流實測值的標幺值；Iorder為直流電流指令值。

綜上，受端換流閥換相失敗預測控制策略如圖4所示。

圖4 沂南站換向失敗預測控制策略

1.4 換流變壓器

送端換流變壓器容量為508 MVA，阻抗為21%，變比為530 kV/172.8 kV；受端換流變壓器容量為493.1 MVA，阻抗為20%，低端閥廳對應的換流變壓器變比為1 030 kV/167 kV，高端閥廳對應的換流變壓器變比為530 kV/164.7 kV。換流變壓器的空載特性曲線如圖5所示。

圖5 換流變壓器空載特性曲線

1.5 交流濾波器

受端換流站500 kV、1 000 kV 交流濾波器場包括雙調諧濾波器HP12/24、三次諧波濾波器HP3、并聯電容器SC 3種類型的交流濾波器。交流濾波器等效電路如圖6，參數如表2所示。

圖6 交流濾波器等效電路

表2 交流濾波器參數

1.6 直流濾波器

送端和受端換流站每極各有兩小組直流濾波器，其中一組為HP6/30 型雙調諧濾波器，另一組為HP12/24 型雙調諧濾波器，等效電路如圖7 所示，參數如表3 所示。

表3 直流濾波器參數

圖7 直流濾波器

1.7 同步調相機勵磁控制

同步調相機動態無功補償特性的發揮受勵磁系統控制，沂南換流站調相機勵磁系統起主要作用的是快速無功電壓環和慢速無功環，勵磁系統策略如圖8 所示。穩態運行時慢速無功環起主要作用，通過檢測調相機無功出力QF、機端電壓幅值UT與設定值（Qref、Uref）的偏差，慢速調節調相機輸出功率；當檢測到系統電壓跌落超過限值時，切除慢速無功環，通過快速電壓環比較機端電壓與設定值，在幾十毫秒的時間內快速調節無功功率，維持系統電壓［15-16］。

圖8 同步調相機勵磁控制

2 同步調相機故障仿真研究

山東省外調相機投運以來先后發生了16 次跳機，故障類型主要分為勵磁系統故障、油水系統故障、調相機出口短路故障（升壓變低壓側封閉母線凝露跳機、升壓變高壓側套管閃絡跳機）和熱工保護誤動。下面重點研究調相機失磁（反映勵磁系統嚴重故障）、甩負荷（反映油水系統故障、熱工保護誤動）、調相機出口短路故障對分層接入特高壓直流輸電的影響。

2.1 調相機失磁

令1臺調相機滿負荷運行，在30 s時失磁。為定性分析調相機的失磁性特性，暫不考慮保護跳閘，調相機無功輸出波形如圖9（藍色）所示。分析可知，由于調相機轉子呈感性，失磁瞬間勵磁電流不能突然變為0，無功功率將緩慢下降。調相機失磁性后將由遲相運行變為進相進行，功率從1.0 pu到-0.5 pu大約需要5 s，即失磁導致無功功率波動是一個相對緩慢的過程。

圖9 調相機無功功率仿真波形

進一步分析調相機失磁對母線電壓波動的影響，在故障發生0.5 s后跳閘，調相機輸出無功功率及交流母線電壓分別如圖9（紅色）和圖10 所示。分析可知，調相機失磁后輸出無功功率首先由1.0 pu 下降到0.5 pu，跳閘后快速下降到0；交流母線電壓跌落幅值小于1%，直流輸電幾乎不受影響。極端情況下，若調相機故障跳閘導致無功功率損失過大觸發控制投入交流濾波器組（秒級），將進一步減弱調相機故障的影響。綜上，調相機失磁故障的影響很小。

圖10 500 kV交流母線仿真波形

2.2 調相機甩負荷

令1 臺調相機運行在1.0 pu 和-0.5 pu 下甩負荷，統計故障瞬間母線電壓跌落最低值或上升的最高值（交流濾波器投退均需要秒級，故暫不考慮），仿真計算結果如表4所示。

表4 調相機甩負荷仿真計算結果

研究表明，調相機甩負荷會造成交流母線電壓輕微波動，對直流輸電幾乎沒有影響。

2.3 調相機出口短路

在30 s 時設置A 相接地短路，在0.05 s 后切除故障調相機（交流濾波器投退均需要秒級，故暫不考慮）。通過調整接地電阻的大小，模擬不同嚴重程度的單相接地故障。

1）升壓變壓器低壓側單相接地。

接地電阻大小影響：當只有1 臺調相機掛網滿載運行時，主變壓器低壓側單相接地不會導致換相失敗，但可能導致直流功率的降低；當接地電阻大于1 Ω 時，主變壓器低壓側接地電阻對直流的影響很小，仿真數據如表5所示。

表5 仿真計算數據

投運機組數量影響：當分別有1～3臺調相機滿載運行時，令其中1臺機發生故障（接地電阻為0），研究表明，投運調相機數量越多，500 kV母線電壓、直流電壓、直流功率下降程度和直流過電流程度越小，故障后系統恢復速度越快，仿真波形如圖11所示。

圖11 升壓變壓器低壓側接地短路時的仿真波形

2）升壓變壓器高壓側單相接地。

接地電阻大小影響：當只有1 臺機掛網滿載運行時，接地電阻小于20 Ω 會引起換相對失敗；接地電阻大于20 Ω 一般不引起換相失敗，但會引起母線電壓和直流功率大幅波動，數據如表6 所示。

表6 仿真計算數據

投運機組數量影響：當分別有1～3 臺調相機滿載運行時，令1 臺機組發生接地短路故障。研究表明，當發生換相失敗時（接地電阻5 Ω，圖12），直流電壓和電流大跌落程度較大，即便有多臺機組同時運行，也無法削弱電壓跌落的程度。但在電壓恢復階段，掛網運行機組數量越多，直流電流和直流功率恢復越快。

圖12 接地電阻為5 Ω發生換相失敗時的波形

當未發生換相失敗時（接地電阻20 Ω，如圖13），掛網運行機組數量越多，直流功率損失和直流電流波動越小，故障恢復越快。

圖13 接地電阻為20 Ω未發生換相失敗時的波形

3 結語

基于PSACD 仿真平臺及現場設備實際參數，建立了上海廟—臨沂分層接入特高壓直流輸電工程的計算模型，研究表明：調相機失磁及甩負荷對直流輸電影響很小；主變壓器低壓側接地短路故障一般不會導致換相失敗，但可能導致直流功率大幅下降；主變壓器高壓側短路故障大概率會導致換相失敗。當發生故障時有2 臺以上調相機運行時，能夠減少交流母線和直流功率跌落程度，加快故障恢復過程，充分發揮調相機緊急無功支撐作用。因此，現場人員應該加強運維檢修，采取措施重點避免調相機出線罩至主變壓器升壓側區間出現接地短路故障。