大直流弱送端系統(tǒng)的調(diào)相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)及無功策略優(yōu)化方案研究

趙琪龍

(銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

0　引言

近年來，為促進(jìn)新能源開發(fā)和實(shí)現(xiàn)能源在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置，國家大力建設(shè)特高壓大容量直流輸電通道。如西北電網(wǎng)的天中直流、酒湖直流，東北電網(wǎng)的魯固直流。這些直流的送端均建設(shè)在大規(guī)模風(fēng)電、光伏集中開發(fā)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，網(wǎng)架薄弱，短路容量不足。一方面，直流閉鎖后穩(wěn)態(tài)壓升較大，超過設(shè)備額定運(yùn)行范圍；另一方面，直流換相失敗、閉鎖引起系統(tǒng)暫態(tài)壓升過高，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致新能源大面積脫網(wǎng)[1-3]。

目前，普遍采用基于電力電子技術(shù)的無功補(bǔ)償設(shè)備來提高換流站交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功支撐能力。但大容量SVC、SVG故障率較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方電網(wǎng)每個(gè)直流換流站的SVG年平均故障次數(shù)為4次，年平均累計(jì)停運(yùn)時(shí)間為5個(gè)月。調(diào)相機(jī)基于傳統(tǒng)的同步電機(jī)技術(shù)，其設(shè)備和控制技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定性好，可以為系統(tǒng)提供短路容量，在降低直流送端暫態(tài)過電壓方面具備獨(dú)特優(yōu)勢[4-7]?！笆濉逼陂g，國家電網(wǎng)公司將在多個(gè)直流弱送端系統(tǒng)加裝調(diào)相機(jī)。大直流弱送端系統(tǒng)要求調(diào)相機(jī)不僅有足夠的無功調(diào)節(jié)范圍，更需要有良好的次暫態(tài)及暫態(tài)無功特性，因此，研究參數(shù)的優(yōu)化成為大容量調(diào)相機(jī)需要解決的問題。

濾波器根據(jù)換流站無功策略投切，調(diào)相機(jī)根據(jù)機(jī)端電壓調(diào)整無功，直流近區(qū)變電站低容低抗根據(jù)高壓母線電壓投切。這三者在各自的控制系統(tǒng)作用下，會(huì)出現(xiàn)不能充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)抑制動(dòng)態(tài)過電壓和穩(wěn)態(tài)壓升的問題，因此，研究直流及近區(qū)無功電壓協(xié)調(diào)控制策略是十分必要的。

本文結(jié)合特高壓直流輸電工程弱送端系統(tǒng)對(duì)調(diào)相機(jī)的技術(shù)需求，提煉出關(guān)鍵電氣參數(shù)，并給出優(yōu)化方向，仿真結(jié)果驗(yàn)證了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)提高調(diào)相機(jī)抑制動(dòng)態(tài)過電壓性能的有效性，然后以充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)抑制動(dòng)態(tài)過電壓及穩(wěn)態(tài)壓升作用為目的，給出直流及近區(qū)無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，最后基于某特高壓直流送端電網(wǎng)驗(yàn)證了優(yōu)化策略的應(yīng)用效果。

1　直流閉鎖電壓波動(dòng)過程及調(diào)相機(jī)運(yùn)行特性

直流雙極閉鎖有功快速歸零，交流濾波器組切除時(shí)間相對(duì)滯后，即使采用快速切除的策略，仍會(huì)有約200 ms的滯后時(shí)間。在此期間，交流濾波器向系統(tǒng)倒送大量無功，引起電壓短時(shí)大幅上升。另外，如果直流輸送功率較大，直流近區(qū)變電站投入大量電容調(diào)壓，直流閉鎖切除濾波器后線路輕載，電壓可能超過設(shè)備額定運(yùn)行范圍。對(duì)于短路容量較低的送端系統(tǒng)，電壓升高的幅度會(huì)更大。

調(diào)相機(jī)調(diào)壓過程按時(shí)間順序可分為次暫態(tài)調(diào)壓階段、暫態(tài)調(diào)壓階段和穩(wěn)態(tài)調(diào)壓階段[8]。次暫態(tài)調(diào)壓階段為系統(tǒng)故障后的十幾個(gè)周波內(nèi)，調(diào)相機(jī)次暫態(tài)電勢保持不變，可瞬時(shí)吸收大量無功，抑制交流濾波器組滯后，切除產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓；暫態(tài)過電壓階段，調(diào)相機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器起主要作用，2～3 s內(nèi)可將勵(lì)磁電流減至最低，吸收電網(wǎng)因輕載和電容產(chǎn)生的多余無功；穩(wěn)態(tài)調(diào)壓過程利用調(diào)相機(jī)深度進(jìn)相能力抑制穩(wěn)態(tài)過電壓。

圖1　直流閉鎖母線電壓及調(diào)相機(jī)出力曲線

2　調(diào)相機(jī)模型及關(guān)鍵參數(shù)

2.1　調(diào)相機(jī)靜態(tài)模型及關(guān)鍵參數(shù)

同步調(diào)相機(jī)無靜態(tài)模型如式(1)：

(1)

式中：Eq為空載電動(dòng)勢標(biāo)幺值；U為機(jī)端電壓標(biāo)幺值；If為勵(lì)磁電流標(biāo)幺值，以上電氣量以調(diào)相機(jī)額定值為基準(zhǔn)值；Sn為額定容量；Xd為調(diào)相機(jī)d軸同步電抗標(biāo)幺值；Xaf為勵(lì)磁繞組與定子繞組互阻抗標(biāo)幺值。調(diào)相機(jī)的輸出功率隨勵(lì)磁電流的變化而變化，同步調(diào)相機(jī)的額定勵(lì)磁電流Ifn確定后，額定容量Sn和最大進(jìn)相能力取決于Xd。當(dāng)If=0時(shí)，調(diào)相機(jī)的極限進(jìn)相功率如式(2)所示，提高調(diào)相機(jī)調(diào)相機(jī)容量的設(shè)計(jì)方向是減少Xd。

(2)

式中Ql為調(diào)相機(jī)極限進(jìn)相功率。

另外，減小Xd可以提高調(diào)相機(jī)對(duì)系統(tǒng)短路容量的貢獻(xiàn)，系統(tǒng)短路容量增大，抑制電壓波動(dòng)的能力就越強(qiáng)。

2.2　調(diào)相機(jī)次暫態(tài)無功特性及其關(guān)鍵參數(shù)

同步發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)提供的無功功率為[9]

Q=UqId-UdIq，

(3)

式中：Ud、Uq分別是發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓d軸、q軸的分量；Id、Iq分別是發(fā)電機(jī)定子輸出電流d軸、q軸的分量。如圖2所示，調(diào)相機(jī)定子電流基本為純?nèi)ゴ烹娏骰蚣冊(cè)龃烹娏鳎詑軸電流基本為0。由于調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)有功功率可以忽略，功角δ幾乎為0，根據(jù)Ud=Usinδ、Uq=Ucosδ，可知Ud=0，Uq=U。所以調(diào)相機(jī)向系統(tǒng)注入的無功為

Q=UqId=UId。

(4)

圖2　同步調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)向量圖

系統(tǒng)故障時(shí)的無功變化量為

ΔQ=Q-Q0=UId-U0Id0=

(U0+ΔU)(Id0+ΔId)-U0Id0=

U0ΔId+ΔUId0+ΔUId≈

U0ΔId+ΔUId0，

(5)

式中U0、Id0為系統(tǒng)故障前調(diào)相機(jī)初始電壓和電流。ΔU與故障類型和系統(tǒng)容量有關(guān)，只有ΔId與調(diào)相機(jī)參數(shù)有關(guān)，調(diào)相機(jī)調(diào)節(jié)性能優(yōu)異體現(xiàn)在ΔId的數(shù)值和變化速率上。

不考慮勵(lì)磁系統(tǒng)作用，發(fā)電機(jī)機(jī)端短路時(shí)的定子電流d軸分量變化量為[10]：

(6)

式中：U0、Uq0為短路前發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及其q軸分量；ω為電角速度；δ0為短路前發(fā)電機(jī)功角；Xd″、Xd′分別為d軸次暫態(tài)電抗和暫態(tài)電抗；Td′為d軸暫態(tài)短路時(shí)間常數(shù)；Td″為d軸次暫態(tài)短路時(shí)間常數(shù)；Ta為定子繞組暫態(tài)時(shí)間常數(shù)。

該式是根據(jù)疊加定理認(rèn)為發(fā)電機(jī)機(jī)端短路相當(dāng)于在短路點(diǎn)施加反向電壓-U0獲得的。同理，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升高可以認(rèn)為在機(jī)端疊加電壓ΔU，同時(shí),結(jié)合調(diào)相機(jī)電壓與其q軸分量相等的特點(diǎn)，調(diào)相機(jī)定子電流變化量為：

ΔId(t)=-

(7)

2.3　調(diào)相機(jī)暫態(tài)無功特性及其關(guān)鍵參數(shù)

以上是發(fā)電機(jī)本身對(duì)壓升的抑制作用，在暫態(tài)過程中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)揮主要作用，減少勵(lì)磁電流，從而減少無功輸出。為了簡化分析，忽略阻尼繞組，調(diào)相機(jī)定子d軸電壓平衡方程和轉(zhuǎn)子電壓平衡方程為

(8)

(9)

式中：Eq′為q軸暫態(tài)電動(dòng)勢；Td0′為定子繞組開路時(shí)勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)；Efq為假想空載電勢。

式(8)解出Id帶入式(9)并寫成增量形式，

(10)

對(duì)快速勵(lì)磁系統(tǒng)采用簡單線性環(huán)節(jié)描述，

ΔEfq=-KΔU，

(11)

式中K為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)。

對(duì)式(10)進(jìn)行拉氏變換，

(12)

將式(12)帶入式(8)的增量形式得電流變化量為

(13)

綜上可知，Xd是決定調(diào)相機(jī)容量的關(guān)鍵參數(shù)，另外，降低此值還能提高系統(tǒng)短路容量；Xd″是決定調(diào)相機(jī)次暫態(tài)特性的關(guān)鍵參數(shù)；Xd′、Td0′、K是決定調(diào)相機(jī)暫態(tài)特性的關(guān)鍵參數(shù)。在電機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器廠家設(shè)計(jì)制造能力的前提下，應(yīng)降低Xd、Xd′、Xd″、Td0′參數(shù)值，提高K參數(shù)值。提高K值還應(yīng)兼顧考慮電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

2.4　仿真論證

本文以某特高壓直流送端系統(tǒng)為例，如圖3所示，仿真采用PSCAD程序，以2017年底為研究工況。設(shè)調(diào)相機(jī)容量300 Mvar，原始參數(shù)為Xd=2.0、Xd′=0.22、Xd″=0.17、Td0′=8.0、K=20；優(yōu)化后參數(shù)為Xd=1.5、Xd′=0.14、Xd″=0.11、Td0′=6.8、K=30，圖4～5驗(yàn)證了上述關(guān)鍵參數(shù)對(duì)調(diào)相機(jī)抑制壓升的效果。

圖3　某特高壓直流送端電網(wǎng)示意圖

圖4　優(yōu)化前后母線電壓對(duì)比

3　大直流弱送端系統(tǒng)無功優(yōu)化策略[12-15]

大直流弱送端系統(tǒng)電壓運(yùn)行有以下特點(diǎn)：

1)直流閉鎖暫態(tài)壓升較大。換流站的無功電壓控制模式有兩種：一種是投切濾波器控制換流站交流母線電壓為設(shè)定值；另一種是定無功，濾波器投入量補(bǔ)償換流閥消耗無功，使換流站與系統(tǒng)無功交換接近0。無論是哪種電壓控制策略，直流功率越大，投入的濾波器組數(shù)越多，直流閉鎖有功迅速降至0，換流站濾波器過剩無功也越多，暫態(tài)壓升也越大，尤其是定電壓控制策略，直流大功率運(yùn)行時(shí)除了補(bǔ)償換流閥消耗無功，還需多投入濾波器進(jìn)行調(diào)壓，這樣故障期間的暫態(tài)壓升會(huì)更高。

圖5　優(yōu)化前后調(diào)相機(jī)出力對(duì)比

2)直流閉鎖后穩(wěn)態(tài)壓較大。直流大功率運(yùn)行，大量潮流匯入換流站，使直流近區(qū)變電站母線電壓大幅度降低，變電站投入電容調(diào)壓，直流閉鎖后線路輕載穩(wěn)態(tài)壓升較大，可能超過設(shè)備額定的運(yùn)行范圍。

3)穩(wěn)態(tài)時(shí)投切濾波器，電壓波動(dòng)較大。根據(jù)《高壓直流換流站無功補(bǔ)償與配置技術(shù)導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定，投切濾波器組引起的換流母線穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)應(yīng)不大于1%。

所以，針對(duì)大直流弱送端系統(tǒng)制訂一種協(xié)調(diào)調(diào)相機(jī)、換流站濾波器和直流近區(qū)變電站低容、低抗的控制策略，原則如下：

1)參與日常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，直流換流站交流母線及近區(qū)變電站高壓母線的電壓控制目標(biāo)為滿足電網(wǎng)安全要求的較低值。

2)為保證濾波器投切母線電壓波動(dòng)不大于1%，調(diào)相機(jī)需保留一定靜態(tài)無功儲(chǔ)備，

(Qf-ΔQ)k=Un×1%，

(13)

式中：Qf為單個(gè)濾波器容量；k為電壓與注入系統(tǒng)無功功率之比，即無功電壓靈敏度系數(shù)；Un為換流站交流母線電壓額定值。所以，調(diào)相機(jī)無功出力的最大值和最小值分別為

Qmax=Sn-ΔQ，

(14)

Qmin=Qjx+ΔQ，

(15)

式中Qjx為調(diào)相機(jī)的最大進(jìn)相深度。

通過調(diào)相機(jī)和濾波器組的協(xié)調(diào)控制，保證濾波器投切時(shí)換流母線電壓符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3)大容量弱送端系統(tǒng)過壓問題突出，為保證調(diào)相機(jī)在直流閉鎖期間能夠吸收大量的過剩無功功率，降低故障后的穩(wěn)態(tài)壓升，調(diào)相機(jī)需保持充足的回降無功儲(chǔ)備。如果換流站的無功電壓控制模式為定電壓，設(shè)置調(diào)相機(jī)無功輸出為式(14)，然后投入濾波器使母線電壓達(dá)到控制范圍為目標(biāo)；如果模式是定無功，同樣令調(diào)相機(jī)無功輸出為式(14)，濾波器投入量為

Qfs=Qd-Sn，

(16)

式中：Qfs為濾波器需發(fā)無功；Qd為換流閥吸收無功。濾波器投入量為換流閥吸收無功減去調(diào)相機(jī)的設(shè)置出力。換流站和調(diào)相機(jī)作為整體對(duì)系統(tǒng)交換無功接近0。圖6為換流站濾波器和調(diào)相機(jī)接線示意圖。

這樣，直流濾波器投入量減少，從而直流閉鎖過剩的無功量減少，調(diào)相機(jī)瞬時(shí)無功吸收量得以保證，暫態(tài)過電壓值進(jìn)一步被抑制。避免了濾波器和調(diào)相機(jī)獨(dú)立控制調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)回降儲(chǔ)備不足的問題。

4)直流閉鎖后，如果換流站或近區(qū)變電站穩(wěn)態(tài)壓升較大，超過設(shè)備的額定運(yùn)行值，迅速切除變電站低容或投入低抗。

圖6　換流站濾波器和調(diào)相機(jī)示意圖

表1為直流運(yùn)行功率4 000 MW，換流站定電壓控制模式，換流站及近區(qū)無功設(shè)備協(xié)調(diào)優(yōu)化前后抑制壓升效果對(duì)比。

表1　協(xié)調(diào)控制前后抑制壓升效果對(duì)比

4　結(jié)語

本文通過公式推導(dǎo)得出電機(jī)參數(shù)Xd、Xd′、Xd″、Td0′、K是調(diào)相機(jī)提高容量及改善性能的關(guān)鍵參數(shù)，給電機(jī)制造廠家在設(shè)計(jì)大容量優(yōu)異性能的調(diào)相機(jī)上提供了理論依據(jù)，為國網(wǎng)公司于十三五中后期在特高壓弱送端系統(tǒng)投入大型調(diào)相機(jī)奠定了理論基礎(chǔ)。

本文還針對(duì)大直流弱送端系統(tǒng)提出一種協(xié)調(diào)控制策略，該策略減少了直流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓波動(dòng)，同時(shí)還能有效抑制直流閉鎖瞬時(shí)過電壓，降低了直流近區(qū)新能源高壓脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了直流輸送能力。但該協(xié)調(diào)控制策略只是充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，直流輸送能力的進(jìn)一步提升依賴于近區(qū)新能源耐壓能力的提升和網(wǎng)架的加強(qiáng)。

[1] 賀靜波，莊偉，許濤，等.暫態(tài)過電壓引起風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40(6)：104-107.

[2] 羅煦之，張健，賀靜波，等.計(jì)及暫態(tài)過電壓約束的直流閉鎖安控與極控協(xié)調(diào)控制研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，38(9)：2526-2531.

[3] 葉希，魯宗相，喬穎.大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故機(jī)理初探[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，35(8)：11-17.

[4] 崔正湃，王皓靖，馬鎖明，等.大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行現(xiàn)狀及提升措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(7)：1873-1878.

[5] Sercan Teleke，Tarik Abdulahovic，Torb?rn Thiringer，et al.Performance comparison of synchronous condenser and SVC[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(3)：1606-1612.

[6] KatsuyaY，MitaniY，Tsuji K.Power system stabilization by synchronous condenser with fast excitation control[C]// Proceedings International Conference on Power System Technology.Perth，Australia：IEEE，2000：1563-1568.

[7] 劉振亞，張啟平，王雅婷，等.提高西北新甘青750 kV送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的無功補(bǔ)償措施研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(5)：1015-1022.

[8] 王雅婷，張一馳，周勤勇，等.新一代大容量調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，41(1)：1873-1878.

[9] 王錫凡，方萬良，杜正春.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社,2015：240-262.

[10] 夏道止.電力系統(tǒng)分析[M].北京：中國電力出版社，2011：185-215.

[11] 孫揚(yáng)聲，張永立，孫雅明.自動(dòng)控制理論[M].北京：中國電力出版社,2004：44-62.

[12] 丁立國，沈陽武，許加柱，等.連接弱交流系統(tǒng)的高壓直流換流站無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2017，41(8)：22-29.

[13] 王彬，郭慶來，孫宏斌，等.交流特高壓近區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制研究與實(shí)踐[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(21)：99-105.

[14] 唐曉駿，王鐵強(qiáng)，賈京華，等.特高壓聯(lián)網(wǎng)條件下自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的功能定位及應(yīng)對(duì)策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(21)：106-110.

[15] TANG Xiaojun，WANG Tieqiang，JIA Jinghua，et al.Funcion and corresponding strategy for AVC sysem under interconnection of ultra-high voltage power grid[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37(21)：106-110.