調(diào)相機(jī)無功調(diào)節(jié)在弱電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用分析

劉麗娜，代海濤，陳大慶，陳洪萍

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

隨著特高壓直流遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用，國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力顯著提高。隨著直流輸電距離越來越遠(yuǎn)，負(fù)荷中心受電比例不斷增高，“強(qiáng)直弱交”現(xiàn)象日益明顯，位于負(fù)荷中心的受端站接入的交流電網(wǎng)相對直流輸電系統(tǒng)逐漸減弱，短路容量降低；直流送端的換流站往往接入到“長鏈?zhǔn)健苯涣麟娋W(wǎng)中，隨著風(fēng)能、太陽能等新能源的接入，送端缺乏常規(guī)能源的支撐，系統(tǒng)短路容量也降低。系統(tǒng)短路容量降低帶來一系列問題：動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償不足；電壓穩(wěn)定問題突出；受端直流換相失敗比率增加等。由于受端換相失敗會(huì)存在送端交流系統(tǒng)電壓大幅度跌落，風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)等風(fēng)險(xiǎn)。

換流站側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備的裝設(shè)影響換流站與交流系統(tǒng)的無功平衡和交流系統(tǒng)電壓水平。目前我國已建換流站普遍采用的無功補(bǔ)償設(shè)備是機(jī)械投切的電容器和電抗器。由于無功補(bǔ)償設(shè)備受交流系統(tǒng)電壓的影響很大，薄弱電網(wǎng)由于電壓穩(wěn)定問題突出，該無功補(bǔ)償設(shè)備的缺陷日益凸顯。由于調(diào)相機(jī)具有動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償能力和提高系統(tǒng)短路容量以及無功調(diào)節(jié)受電網(wǎng)電壓影響較小的優(yōu)勢，推薦其在弱電網(wǎng)側(cè)的換流站應(yīng)用［1］。

1 調(diào)相機(jī)簡介

同步調(diào)相機(jī)（又稱同步補(bǔ)償機(jī)）是一種無功補(bǔ)償設(shè)備，是運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、向電力系統(tǒng)提供或吸收無功功率的同步電機(jī)，不帶機(jī)械負(fù)載和原動(dòng)機(jī)。調(diào)相機(jī)主要運(yùn)行在空載、進(jìn)相、遲相（強(qiáng)勵(lì)）3種工況，如圖1 所示［2］。

空載：調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)既不吸收無功也不發(fā)出無功的運(yùn)行方式。

進(jìn)相：隨著勵(lì)磁電流降低，調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)吸收無功的運(yùn)行方式。

遲相：隨著勵(lì)磁電流增加，調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出無功的運(yùn)行方式。

強(qiáng)勵(lì)：遲相的一種工況，調(diào)相機(jī)勵(lì)磁電壓快速變大，勵(lì)磁電流迅速增加的過程，強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流一般為額定勵(lì)磁電流的數(shù)倍。

圖1 調(diào)相機(jī)相量圖

調(diào)相機(jī)的無功傳輸取決于E0與U是否相等。一般調(diào)相機(jī)并入電網(wǎng)后，在額定勵(lì)磁狀態(tài)下，E0=U，此時(shí)調(diào)相機(jī)既不發(fā)出也不吸收無功。影響無功傳輸大小的因素是E0和U，增大E0或減小U都會(huì)增大無功發(fā)出。E0的大小取決于勵(lì)磁電流大小，從而也可以得出勵(lì)磁電流直接影響無功的傳輸。

勵(lì)磁系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)。勵(lì)磁系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If來改變轉(zhuǎn)子直軸上的勵(lì)磁磁通，進(jìn)而改變定子上的感應(yīng)電動(dòng)勢E0大小。If的變化影響定子側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢E0或轉(zhuǎn)子的直軸磁場，定子側(cè)的端電壓U影響定子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的條件是：定轉(zhuǎn)子在直軸上的磁場大小相等、方向相反。額定勵(lì)磁對應(yīng)E0=U，此時(shí)勵(lì)磁電流If為額定勵(lì)磁電流 If0。 如果 If＞If0，E0會(huì)增大，此時(shí)要想維持定、轉(zhuǎn)子在直軸上的磁場大小相等、方向相反，就必須在定子繞組流過去磁效應(yīng)的電流，該電流為容性電流，對應(yīng)的電勢設(shè)為A，使E0+A=U，對應(yīng)機(jī)組發(fā)出無功如圖2所示。去磁效應(yīng)A越大，說明發(fā)出無功越大。如果此時(shí)發(fā)出的無功正好等于負(fù)荷吸收的無功時(shí)，端電壓U不變（參考無功靜態(tài)電壓特性圖）。需要維持電網(wǎng)電壓U為額定電壓恒定不變，這時(shí)調(diào)節(jié)無功只能是通過改變勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)E0。如果電網(wǎng)出現(xiàn)電壓降落的現(xiàn)象，說明網(wǎng)上無功負(fù)荷出現(xiàn)了突增，輸出無功不足，電網(wǎng)的自行調(diào)節(jié)功能通過降低電壓將無功維持在一個(gè)新的平衡點(diǎn)上，這時(shí)就需要增加勵(lì)磁來改變電動(dòng)勢E0從而增加無功的輸出來替代電網(wǎng)自行調(diào)節(jié)增加的電網(wǎng)無功，從而使電壓回到額定值［3］。

圖2 調(diào)相機(jī)的運(yùn)行模式

2 調(diào)相機(jī)的控制功能

調(diào)相機(jī)的無功調(diào)節(jié)過程分次暫態(tài)過程、暫態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)過程。每個(gè)過程對系統(tǒng)電壓的響應(yīng)速度和無功輸出量都有所不同，每個(gè)階段也有其相應(yīng)作用。

次暫態(tài)過程（階段1）如圖3所示。調(diào)相機(jī)本體的阻尼特性，在勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)功能未啟動(dòng)時(shí)即發(fā)揮作用，在系統(tǒng)電壓波動(dòng)后幾十到上百毫秒內(nèi)，即能提供接近額定無功支持。調(diào)相機(jī)次暫態(tài)電抗Xd越小，提供的次暫態(tài)無功功率越大，但由于調(diào)相機(jī)動(dòng)穩(wěn)和熱穩(wěn)的要求，Xd不能過小。該過程與調(diào)相機(jī)自身特性相關(guān)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。主要用于快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓支撐，降低受端站換相失敗的概率，加快故障后交流電壓恢復(fù)速度。

暫態(tài)過程（階段2）如圖4所示。系統(tǒng)電壓波動(dòng)后1 s內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)功能發(fā)揮作用，勵(lì)磁電流達(dá)到強(qiáng)勵(lì)最大值或低勵(lì)最小值，與交流系統(tǒng)進(jìn)行大量的無功交換。一般強(qiáng)勵(lì)時(shí)的勵(lì)磁電流是額定勵(lì)磁電流的2.5倍，通過提高勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，能提高無功輸出快速性。同時(shí)通過減少Td的設(shè)計(jì)值，提高無功輸出快速性。該過程可通過勵(lì)磁系統(tǒng)的控制功能實(shí)現(xiàn)，通過改變勵(lì)磁電壓來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流從而改變動(dòng)態(tài)無功的輸出值，與過程1配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的支撐，降低受端站換相失敗的概率，加快故障后交流電壓恢復(fù)速度。

圖3 調(diào)相機(jī)次暫態(tài)過程波形

圖4 調(diào)相機(jī)暫態(tài)過程波形

穩(wěn)態(tài)過程（階段3）如圖5所示。穩(wěn)態(tài)過程可穩(wěn)定輸出300 Mvar額定無功，穩(wěn)定吸收-150 Mvar無功，送端電網(wǎng)具備深度進(jìn)相能力，長期運(yùn)行可穩(wěn)定吸收200 Mvar無功功率。該過程可通過勵(lì)磁系統(tǒng)的控制功能實(shí)現(xiàn)，改變系統(tǒng)電壓或無功功率參考值即可改變穩(wěn)態(tài)無功輸出值。

圖5 調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)過程波形

針對階段2和階段3的無功調(diào)節(jié)對勵(lì)磁控制功能策略介紹。

2.1 調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制策略

調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用 “快速電壓環(huán)＋慢速無功環(huán)”相結(jié)合的控制策略，兩者的聯(lián)合控制構(gòu)成了調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的主要控制方式如圖6～8所示。

圖6 就地控制

圖7 AVC開環(huán)控制

圖8 AVC閉環(huán)控制

1）快速電壓環(huán)，最基本的勵(lì)磁控制方式，是勵(lì)磁運(yùn)行的主要控制方式。特點(diǎn)是以調(diào)相機(jī)端電壓作為調(diào)節(jié)變量，調(diào)節(jié)方式采用串聯(lián)PID模式，目的為維持機(jī)端電壓與電壓參考值一致，實(shí)現(xiàn)在故障情況下快速輸出調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無功的目的?？焖匐妷涵h(huán)主要用于過程2交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)后15 s內(nèi)的強(qiáng)勵(lì)功能。

2）慢速無功環(huán)，采集調(diào)相機(jī)組無功出力作為無功環(huán)控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)調(diào)相機(jī)無功輸出在指定范圍內(nèi)，以確保調(diào)相機(jī)具備足夠的動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備。例如在直流側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，如果調(diào)相機(jī)無功出力額定300 Mvar，則當(dāng)出現(xiàn)短時(shí)系統(tǒng)電壓跌落情況下，此時(shí)調(diào)相機(jī)已無儲(chǔ)備無功出力；在直流側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，如果調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行在-150 Mvar，則當(dāng)出現(xiàn)短時(shí)系統(tǒng)電壓抬升情況下，調(diào)相機(jī)吸收無功能力不足。因此如果無法控制穩(wěn)態(tài)時(shí)無功出力，則調(diào)相機(jī)會(huì)失去對系統(tǒng)電壓的支撐作用。無功環(huán)存在的意義在于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定情況下，保證調(diào)相機(jī)無功輸出在指定值，不至于過大影響動(dòng)態(tài)無功輸出或過小影響動(dòng)態(tài)無功吸收。慢速無功環(huán)主要用于過程3與交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無功的交換。

無功環(huán)采用“就地控制”和“AVC主站控制”兩種模式。

就地控制時(shí)，運(yùn)行人員需要在DCS的OWS頁面設(shè)置無功參考值，調(diào)相機(jī)控制系統(tǒng)將根據(jù)無功參考值和系統(tǒng)電壓偏離系統(tǒng)電壓參考值的大小確定調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)無功輸出。就地控制如圖6所示。

AVC主站控制時(shí)，調(diào)相機(jī)的DCS將從AVC主站獲取無功參考值，此時(shí)又有兩種控制模式，AVC閉環(huán)控制和AVC開環(huán)控制。當(dāng)采用AVC閉環(huán)控制時(shí)，調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)將直接進(jìn)行增減磁操作，保證調(diào)相機(jī)無功出力與AVC指令值一致。當(dāng)采用AVC開環(huán)控制時(shí)，則僅從AVC主站獲取無功參考值，調(diào)相機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)無功參考值和系統(tǒng)電壓偏離系統(tǒng)電壓參考值的大小確定調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)無功輸出。AVC主站控制如圖7、圖8所示。

3）PSVR系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，為機(jī)端電壓環(huán)的附加控制，以網(wǎng)側(cè)高壓母線電壓為調(diào)節(jié)目標(biāo)，在電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生變化時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)可以快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持電網(wǎng)側(cè)電壓在較高水平，不僅提高發(fā)電機(jī)輸出的無功功率極限，也提高了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。該功能為選投功能，需要人為選擇投入退出。該功能與無功環(huán)作用相似，但主要目的是快速實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)電壓的支撐。PSVR系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)如圖9所示。

圖9 PSVR系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)

2.2 調(diào)相機(jī)控制功能應(yīng)用

快速實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)電壓支撐，降低受端站換相失敗概率。當(dāng)逆變器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí)，因換相過程未能進(jìn)行完畢，或者預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥關(guān)斷后，在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)加在該閥上的電壓為正時(shí)，立即重新導(dǎo)通，則發(fā)生了倒換相，使預(yù)計(jì)開通的閥重新關(guān)斷，這種現(xiàn)象稱為換相失敗。換相失敗是逆變器常見的故障，逆變器多種故障如閥短路、丟失觸發(fā)脈沖、交流系統(tǒng)故障等等均會(huì)引起換相失敗。計(jì)算和實(shí)測表明，單一直流換相失敗，逆變側(cè)從系統(tǒng)吸收400萬～500萬kvar的無功。若多回直流同時(shí)換相失敗，將從系統(tǒng)吸收大量無功，帶來巨大無功沖擊，甚至導(dǎo)致區(qū)域性電壓凹陷，引發(fā)電壓穩(wěn)定破壞。

系統(tǒng)薄弱的交流電網(wǎng)短路容量降低，電壓的穩(wěn)定性水平降低，電壓波動(dòng)頻繁，從而直接增加了接入其中的逆變站換相失敗的概率。調(diào)相機(jī)接入交流電網(wǎng)后，通過自身的次暫態(tài)功能和快速強(qiáng)勵(lì)功能能夠快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的抬升，從而直接降低了因交流電壓波動(dòng)帶來的換相失敗概率。如圖10試驗(yàn)波形是交流母線電壓發(fā)生0.5 pu電壓跌落情況下，接入調(diào)相機(jī)和未接調(diào)相機(jī)時(shí)系統(tǒng)電壓的變化情況。由波形圖可以看出，發(fā)生交流電壓跌落0.5 pu情況下，調(diào)相機(jī)最大輸出無功約200 Mvar，支撐交流電壓跌落減少8%。

維持交流電壓水平，加快故障后交流電壓恢復(fù)速度。直流系統(tǒng)故障單極閉鎖或雙極閉鎖時(shí)，由于交流濾波器組和電容器組無法立即切除會(huì)產(chǎn)生瞬間的過電壓現(xiàn)象。此時(shí)調(diào)相機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行吸收大量無功功率，抑制交流母線過電壓水平。當(dāng)交流系統(tǒng)故障引發(fā)電壓大幅度跌落時(shí)，調(diào)相機(jī)啟動(dòng)強(qiáng)勵(lì)功能，提供3倍的無功支撐，能有效抑制電壓的降落。如圖11試驗(yàn)波形是1.0 pu直流雙極閉鎖情況下調(diào)相機(jī)的出力情況和系統(tǒng)電壓的抬升情況。由波形圖可以看出調(diào)相機(jī)瞬間吸收最大無功300 Mvar，交流系統(tǒng)電壓抬升減少15 kV，有效地抑制電壓波動(dòng)，提高了系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度。

圖10 受端換相失敗交流母線電壓變化

圖11 雙極閉鎖后母線電壓及調(diào)相機(jī)動(dòng)作情況

3 結(jié)語

目前研究及試驗(yàn)表明調(diào)相機(jī)在無功調(diào)節(jié)和電壓支撐發(fā)面有其優(yōu)越性，但相比于現(xiàn)有的無功調(diào)節(jié)方法也存在其自身缺陷：增加短路電流，故障時(shí)調(diào)相機(jī)將向系統(tǒng)輸出短路電流，因此調(diào)相機(jī)不適用于強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)維相對復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)量大，且功率損耗較大；調(diào)相機(jī)調(diào)節(jié)速度相對較慢，從開始到發(fā)出最大無功需1～2 s。因此在實(shí)際應(yīng)用中，各種無功調(diào)節(jié)方法配合來實(shí)現(xiàn)無功調(diào)節(jié)和系統(tǒng)電壓支撐顯得尤為重要。