調(diào)相機對特高壓換流站無功支撐作用研究

劉坤，陳茜茜

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇南京，211102）

隨著大量特高壓直流工程投運，大電網(wǎng)進入了特高壓網(wǎng)架形成的過渡期，“強直弱交”矛盾突出，受端站的無功支撐問題成了困擾電網(wǎng)安全運行的一個難題，為保證大電網(wǎng)的安全可靠運行，保證頻率可靠、電壓穩(wěn)定，選擇運行靈活的無功支撐手段迫在眉睫，相比于傳統(tǒng)的濾波器，新一代的調(diào)相機具備響應(yīng)快，工況靈活，無功支撐效果好等優(yōu)勢，逐步成為了大電網(wǎng)安全綜合防御體系的重要組成部分，實現(xiàn)了大直流輸電與強無功支撐的匹配。

1 特高壓換流站無功需求分析

■1.1 無功需求分析

特高壓換流站輸電具備距離遠、功率損耗小、經(jīng)濟投資小等優(yōu)點，但是換流器在工作中，需要消耗大量無功，從無功需求角度分析，已投運的直流輸電工程中，換流器無功消耗占輸送功率的30%-50%。根據(jù)無功補償“分層分區(qū)、就地平衡”的原則，換流站的無功需求必須就地滿足，傳統(tǒng)的手段是投切濾波器。根據(jù)運行工況的不同，無功消耗也會有所變化。換流站在運行過程中，控制保護程序根據(jù)當前運行工況，投切交流濾波器，從而實現(xiàn)換流站的無功平衡，同時，也抑制換流器工作中產(chǎn)生的諧波。

■1.2 換相失敗分析

換相失敗是特高壓直流輸電中危險性較大的故障之一，該故障一般發(fā)生在受端，受端交流電網(wǎng)電壓跌落，觸發(fā)脈沖丟失、換流閥短路等都可能導(dǎo)致該故障。該故障的成因主要是兩橋臂換相結(jié)束后，在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，從而導(dǎo)致?lián)Q相過程未能完成，承受正電壓的閥向應(yīng)該退出的閥進行倒換相，這種現(xiàn)象就是換相失敗。

由于電容器的容量與電壓平方成正比，特高壓直流饋入的受端電網(wǎng)電壓跌落時，受端換流站將從系統(tǒng)吸收無功，特高壓換流站受端發(fā)生換相失敗，換流器將從受端電網(wǎng)吸收500MVar左右無功，如果交流電網(wǎng)無法提供充裕的無功，則會發(fā)生連續(xù)換相失敗，從而導(dǎo)致直流閉鎖，造成負荷瞬時跌落。

2 調(diào)相機無功支撐作用

■2.1 調(diào)相機原理

同步調(diào)相機運行于電動機狀態(tài)，運行過程中處于空載狀態(tài)，不產(chǎn)生有功，只產(chǎn)生和消耗無功功率。

調(diào)相機主要由三部分組成：

(1)調(diào)相機主機：由定子、轉(zhuǎn)子、隔音罩、軸承等組成。

(2)調(diào)相機二次系統(tǒng)：由控制系統(tǒng)（DCS）、保護系統(tǒng)、故障錄波、同期裝置、禁止變頻器啟動系統(tǒng)（SFC）、勵磁系統(tǒng)組成。

(3)調(diào)相機輔助系統(tǒng)：由內(nèi)冷水系統(tǒng)、外冷水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、盤車系統(tǒng)、循環(huán)水處理系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)組成。

■2.2 調(diào)相機優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)無功手段，調(diào)相機主要技術(shù)優(yōu)勢：

圖1 調(diào)相機結(jié)構(gòu)圖

(1)調(diào)相機具備過載能力。且調(diào)相機對交流電網(wǎng)電壓要求較低。同時，運行于強勵磁工況時，可以在極短的時間內(nèi)，發(fā)出大量無功，該特性對于換相失敗和持續(xù)時間較長的故障具有很好的支撐作用。

(2)運行穩(wěn)定性好。調(diào)相機是一項成熟的技術(shù)，在設(shè)備制造、邏輯制定、建設(shè)維護等方面，都有配套的標準和規(guī)范，具備良好的運行穩(wěn)定性。

(3)經(jīng)濟效益突出。調(diào)相機建設(shè)面積一般為同容量SVC的1/3，且使用年限達到40年，具備良好的經(jīng)濟效益。

■2.3 調(diào)相機運行工況

調(diào)相機日常處于空載運行，隨時監(jiān)測站端無功交換情況，并采取相應(yīng)策略：

(1)遲相運行。處于該運行狀態(tài)時，調(diào)相機的勵磁電流將會增加，定子電流相位滯后于電壓，調(diào)相機向交流電網(wǎng)發(fā)出無功功率，提高電網(wǎng)電壓，此時功率因數(shù)為正。

(2)進相運行。處于該運行狀態(tài)時，調(diào)相機的勵磁電流將會減小，定子電流相位超前于電壓，調(diào)相機從交流電網(wǎng)吸收無功功率，降低電網(wǎng)電壓，此時功率因數(shù)為負。

圖2 調(diào)相機遲相運行

圖3 調(diào)相機進相運行

(3)強勵運行。處于該運行狀態(tài)時，控制系統(tǒng)將會立刻提高勵磁電壓到最大值，調(diào)相機的勵磁電流將會迅速增大，一般為額定電流的數(shù)倍，該種狀態(tài)一般出現(xiàn)在交流電網(wǎng)電壓瞬時快速跌落時，定值一般為額定電壓的85%，調(diào)相機運行于該狀態(tài)，將有效支撐交流電網(wǎng)電壓。

■2.4 調(diào)相機控制策略

(1)調(diào)相機運行于穩(wěn)態(tài)時，由調(diào)相機母線電壓和無功控制策略實現(xiàn)控制目標。

(2)調(diào)相機運行于暫態(tài)時，由電壓閉環(huán)進行快速控制，從而快速實現(xiàn)強勵和減勵，實現(xiàn)無功支撐的作用。

(3)調(diào)相機和濾波器配合實現(xiàn)快速無功控制環(huán)節(jié)，當濾波器投入運行時，調(diào)相機減少無功出力，保留充足的無功裕度，當濾波器無功調(diào)節(jié)能力不足時，調(diào)相機快速輸出無功，此時調(diào)相機無功出力越大，對受端換流站無功支撐作用越明顯。

3 案例分析

2021年1月8日，下午13：12，某換流站雙極四換流器大地回線運行，輸送功率1860MW。由于其他特高壓交流站1000千伏線路因故障跳閘，之后重合閘動作，重合于故障，線路溝通三跳。交流電網(wǎng)電壓出現(xiàn)兩次瞬時跌落，該站極1高端換流器三套保護檢測到任一橋換相失敗一次。同時，極1高、極2高、極2低各報2次換相失敗預(yù)測。OWS報警信息如表1所示。

表1 OWS后臺報警

如圖4、圖5所示，1000kV電壓跌落至858.9kV，500kV電壓跌落至483.2kV。此時，如圖6、圖7所示，調(diào)相機動作，向站端輸出大量無功，1號調(diào)相機輸出無功額定值的29.7%，及89.1MVar,2號調(diào)相機輸出無功額定值的29.2%，及87.6MVar。

圖4 1000kV交流電網(wǎng)波形

圖5 500kV交流電網(wǎng)波形

圖6 1號調(diào)相機無功輸出波形

圖7 2號調(diào)相機輸出波形

從上述波形可以發(fā)現(xiàn)，交流電網(wǎng)出現(xiàn)兩次瞬時跌落時，調(diào)相機均立刻動作，發(fā)出大量無功，為交流電網(wǎng)提供支撐，確保交流電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)，避免了換流器連續(xù)換相失敗的產(chǎn)生，提高了輸電可靠性。

4 結(jié)語

調(diào)相機的運行特性和發(fā)電機相似，調(diào)相機一直運行于空載狀態(tài)，發(fā)出和吸收無功，并且具備進相能力，即吸收無功的能力，調(diào)相機動態(tài)處于強勵狀態(tài)時，無功輸出最高可以達到額定值的2倍，因此，調(diào)相機技術(shù)適合解決大容量直流系統(tǒng)接入弱交流系統(tǒng)引起從而導(dǎo)致的無功支撐不足的問題，在本文的案例分析部分，通過實際案例，驗證了調(diào)相機無功支撐的重要作用。