新型大容量调相机在特高压直流输电中的应用研究

摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，我国的综合国力在不断的加强，文章结合特高压直流输电大规模应用带来的无功动态调节问题，通过调相机与其他无功装置的优缺点比较，对调相机运行特性仿真分析，以及一起受端换流站调相机应用效果分析，证明其优良的次暂态、暂态、稳态特性适合在直流输电系统发生低电压及过电压故障时，发挥其逆向无功调节特性，对于快速恢复故障作用明显。

关键词：新型调相机；特高压直流输电；运行特性；动态响应 引言

同步调相机（synchronouscondenser,SC）具备短时过载能力强、无功输出受母线电压影响小且可以为交流系统提供一定转动惯量支撑的技术优势。因此，国家电网公司计划于“十三五”期间，在多回特高压直流输电工程的送受端加装新一代大容量同步调相机，其相比于传统同步调相机，具有容量大、暂态响应快等优异的性能。

1同步调相机的特性分析

同步调相机类似于传统的同步发电机模型，在特高压直流输电系统中的用途为：1)提供无功功率支持；2)改善系统的动态电压稳定性；3)稳态交流电压控制；4)双极闭锁下控制临时过电压。同步调相机的模型可表示如下。

分别是d轴调相机暂态开环电路的时间常数、q轴暂态电压、励磁电压、d轴电抗和暂态电抗、d轴定子电流。

2新型大容量调相机在特高压直流输电中的应用 2.1直流换相失败吸收大量系统无功

单一特高压直流换相失败，逆变侧将从系统吸收4000～5000Mvar的无功。若多回直流同时换相失败，将从系统吸收大量无功，带来巨大无功冲击，甚至导致区域性电压凹陷，引发电压稳定破坏。高压直流输电系统对电压稳定性与动态无功支撑能力要求更高。目前，动态无功补偿装置主要包括发电机、调相机、并联无功补偿设备、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）。当系统运行受到较大扰动而导致换流站等枢纽站母线电压大幅波动时，电容器、静止无功补偿器等装置因受其工作原理的限制，不能及时提供足够的动态无功补偿，在特殊运行方式下可能会发生电压失稳问题，危及系统稳定。而调相机则可利用其强励特性，具有容量更大、可靠性更高、动态维持电压能力强的特点，在电网扰动的情况下，能够通过强励及时提供大容量动态无功。以直流输电受端为例说明直流系统故障时调相机的作用，直流输电系统故障，在受端表现为低电压和过电压情况，往往低电压情况更为严重，此时需要系统提供大量的无功功率，以支撑系统电压，而调相机的次暂态及暂态能力得以体现，特别是其强大的强励能力得以发挥。发生过电压故障时只需调相机进相运行即可恢复。

2.2同步调相机对分层接入特高压直流输电系统最大传输有功功率的影响 在分层接入特高压直流输电系统的500kV侧交流母线处投入同步调相机，可对母线电压提供支撑，有利于系统的稳定运行，而直流输电系统稳定极限可以用最大传输功率(MAP)指标来表征，MAP值越大，代表系统的稳定性越大。通过仿真和计算直流系统最大功率曲线(maximumpowercurve，MPC)的方法，可进一步得到MAP值，从而研究同步调相机对分层接入系统稳态运行极限的影响。

2.3暂态特性

在系统发生故障电压跌落后，由于调相机本身特性经过次暂态过程，由于该过程时间极短，电压很快就发生跌落，此时调相机励磁开始强励并真正发挥作用，体现出暂态特性。通过调相机强励作用，迅速为系统进一步提供无功，快速响应以满足支撑系统电压需求。影响该过程的响应时间主要参数是Td′（直轴短路暂态时间常数）。通过优化设计后的调相机电压强励可以达到3.5倍（机端电压为0.8Un时），电流强励达到2.5倍并持续15s。较常规发电机组励磁系统的强励倍数由以往的2倍提高至3.5倍，即能承受短时3.5倍强励电流导致的过负荷，过载能力大幅提高；同时，降低直轴短路暂态时间常数（Td'）的设计值，调相机从正常无功出力至输出最大强励无功功率的时间控制在1s以内。

2.4不同交流系统强度下高低端换流器耦合作用对高低端换流器换相失败的影响

对于低端换流器(非故障层)而言，当500kV侧交流系统SCR1为3时，低端换流器的CFII值随着1000kV侧交流系统SCR2增大而增大。当SCR1>3时，增加SCR2对低端换流器的CFII值提升不明显，直到SCR2增加到6时，低端换流器的CFII值才有显著提升。整体上来看，只有500kV侧交流系统强度比1000kV侧交流系统强度相对较弱时，提高1000kV侧交流系统强度才能显著提高低端换流器的换相失败免疫力。因为当500kV侧交流系统强度强时，高端换流器发生换相失败后，引起的故障量通过电气耦合传播至非故障层，相对较弱的1000kV侧交流系统很容易受影响，在有限范围内提高1000kV侧交流系统强度对低端换流器换相失败免疫力的影响有限。

2.5同步调相机对分层接入特高压直流输电系统静态稳定裕度的影响

接入同步调相机后的特高压直流输电系统最大传输功率不仅受交流系统强度的影响，也受同步调相机额定容量的影响，最大传输功率会进一步影响直流输电系统的静态稳定裕度。因此，有必要针对交流系统强度和同步调相机容量对特高压直流输电系统静态稳定裕度的影响进行研究。随着500kV侧交流系统SCR1的增加，投入同步调相机和不投入同步调相机时直流输电系统的静态稳定储备系数都有所提高，当SCR1相同时，投入同步调相机比不投同步调相机的静态稳定储备系数高，说明接入同步调相机可提高分层接入特高压直流输电系统静态稳定裕度。

3调相机在特高压直流换流站的应用情况及效果

以±800kV某站调相机应对电压无功突变情况的实例进行分析。2018年2月13日18h20min36s848ms，±800kV某站因交流系统侧发生了不对称故障系统电压开始下降，某站部署有2台300Mvar双水内冷型调相机，故障发生后，1号调相机机端电压开始下降，励磁系统整流桥触发开始减小，励磁电流开始增加，无功大幅上升，最大升至208.5Mvar。2号调相机同样的应对情况，迅速升励磁、升无功，无功最大升至214.4Mvar。待系统电压恢复后调相机励磁系统跟踪机端电压的恢复情况，减少无功的输出，延时投入无功稳态控制。此次新型调相机实际运行案例表明，在交流系统侧发生了不对称故障，系统电压下降、机端电压下降(不对称)，调相机为维持系统电压的稳定，次暂态迅速响应，励磁系统输出电压和电流迅速增大，机组输出无功大幅增加，调相机励磁动态响应正确，机组正常调整维持了系统电压的稳定。 结语

1）本文建立了含同步调相机的分层接入特高压直流输电系统模型，并得到了

含同步调相机的分层接入特高压直流输电系统稳态功率传输数学模型。2）研究了同步调相机容量、交流系统短路比对分层接入特高压直流系统最大传输有功功率、最大传输有功功率增加量的影响，为实际工程配置同步调相机提供了理论依据。3）提出了直流系统静态稳定储备系数指标，为研究同步调相机对分层接入特高压直流输电系统静态稳定裕度提供了一种新方法。 参考文献

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