特高壓近區(qū)系統(tǒng)不同程度電壓暫降下調(diào)相機(jī)的動態(tài)響應(yīng)

胡一平，許國瑞，劉曉芳

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特高壓近區(qū)系統(tǒng)不同程度電壓暫降下調(diào)相機(jī)的動態(tài)響應(yīng)

胡一平，許國瑞，劉曉芳

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

新型大容量同步調(diào)相機(jī)具有高、低電壓穿越能力強(qiáng)，短時(shí)過載能力大，調(diào)節(jié)特性基本不受系統(tǒng)電壓影響的優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足特高壓直流輸電系統(tǒng)（UHVDC）對暫態(tài)無功的需求。本文將300MVar同步調(diào)相機(jī)模型與特高壓直流輸電系統(tǒng)耦合，研究了受端交流系統(tǒng)發(fā)生不同程度電壓暫降故障時(shí)，調(diào)相機(jī)的動態(tài)無功響應(yīng)特性及其對交直流系統(tǒng)應(yīng)對故障能力的影響。結(jié)果表明，隨著交流系統(tǒng)電壓降落程度的增加，調(diào)相機(jī)對電壓的支撐作用更加明顯，對于交直流系統(tǒng)應(yīng)對故障能力起到積極作用。

同步調(diào)相機(jī)；特高壓直流輸電系統(tǒng)；電壓暫降；無功補(bǔ)償

0 前言

近年來，隨著大容量、遠(yuǎn)距離特高壓直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”問題突出[1-3]。直流系統(tǒng)在大規(guī)模輸送有功功率的同時(shí)，本身并不向系統(tǒng)提供無功，由此導(dǎo)致動態(tài)過程中需從系統(tǒng)中大量吸收無功，與同容量的發(fā)電機(jī)組相比，特高壓直流大規(guī)模饋入受端系統(tǒng)的動態(tài)無功儲備顯著下降，電壓穩(wěn)定問題愈顯突出[3-6]。

國標(biāo)《電能質(zhì)量電壓暫降與短時(shí)中斷》（GB/T30137-2013）規(guī)定的電壓暫降為：電壓暫降或下跌是指供電電壓有效值在短時(shí)間內(nèi)突然下降又回升恢復(fù)的現(xiàn)象[7]。在電網(wǎng)中這種現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間大多為0.1～1.5s。電壓暫降屬于二維的電磁擾動，即電壓跌落的大小（暫降深度）和時(shí)間。電壓暫降的三個(gè)特征量：暫降幅值、持續(xù)時(shí)間和暫降頻次，是衡量電壓暫降嚴(yán)重度的最重要特征量。其中幅值為0.7~0.9p.u的電壓暫降占70%。持續(xù)時(shí)間不超過1s的約占90%，不超過0.1s的約占60%；

調(diào)相機(jī)固有的無功輸出特性恰好符合故障期間電網(wǎng)對動態(tài)無功的需求[8]。調(diào)相機(jī)在系統(tǒng)電壓較低時(shí)能夠依靠強(qiáng)勵(lì)在較短時(shí)間輸出大量的無功功率，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓以及其他電氣量。

鑒于此，研究調(diào)相機(jī)在高壓直流輸電系統(tǒng)電壓暫降故障中的影響作用，對于研究高壓直流輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題具有實(shí)際意義。本文參考了“上海廟-山東”特高壓直流工程建立了800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，將同步調(diào)相機(jī)接入受端500kV交流系統(tǒng)，計(jì)算并分析了在持續(xù)0.1s不同幅度的電壓暫降故障中，調(diào)相機(jī)的運(yùn)行特性以及交直流系統(tǒng)中各電氣量的變化情況。并分別對故障持續(xù)過程中以及故障切除后調(diào)相機(jī)的無功出力以及系統(tǒng)電氣量的狀態(tài)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

1 考慮大容量調(diào)相機(jī)作用的特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型

1.1 UHVDC系統(tǒng)模型

本文建立的10000MW高壓直流雙極輸電系統(tǒng)整體如圖1所示。送端交流系統(tǒng)電壓為530kV，系統(tǒng)容量為10000MW，線路阻抗為0.754+j7.564Ω。受端交流系統(tǒng)電壓為525kV，系統(tǒng)容量為10000MW，線路阻抗為0.688+j6.911Ω。直流系統(tǒng)額定電壓為800kV，額定電流為6.25kA，額定傳輸容量為10000MW，直流輸電線路電阻為3.512Ω。額定運(yùn)行時(shí)整流側(cè)角為15.55°，逆變側(cè)角為17.01°。

1.2 送端換流站控制策略

送端換流站由四組12脈動換流器串聯(lián)而成，通過四組530kV/172.8kV的換流變壓器與交流系統(tǒng)相連接，其控制目標(biāo)是保持換流器觸發(fā)角和電流值不變，換流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)有兩個(gè)輸入端口，分別為整流輸出值（CMR）和逆變器的電流；輸出端量為。CMR未經(jīng)過大電感平波，需要經(jīng)過一階線性濾波環(huán)節(jié)1除去脈動，得到直流電流值，其與受端測量電流值的差值為電流偏差。除此之外，在PI環(huán)節(jié)中還設(shè)置的最大輸出為175°，從而將觸發(fā)角限制在5°。將觸發(fā)角的實(shí)際值輸入到換流器，從而實(shí)現(xiàn)定電流控制。

圖1 UHVDC系統(tǒng)模型

圖2 整流器控制模型

1.3 受端換流站模型

受端換流站的基本結(jié)構(gòu)與送端的類似，通過四組525kV/167.4kV的換流變壓器與交流系統(tǒng)相連接，受端的控制目標(biāo)為保持直流電壓不變。受端換流站的控制模型如圖3所示。其中，GMID與GMIS分別為受端上下兩橋的熄弧角（）的測量值，為了防止過小導(dǎo)致?lián)Q相失敗，必須選擇把最小的輸入到控制模塊中，同時(shí)輸入的還有受端測量的電壓VDCI和電流CMI。輸出的是受端的電流指令和觸發(fā)角，在模型中受端電流指令CORDER通過無線傳輸?shù)剿投?，觸發(fā)角AOI輸入到受端換流橋。通過與送端控制系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)定γ角控制以及定電壓控制。

圖3 受端控制模型

1.4 同步調(diào)相機(jī)模型

本項(xiàng)目中應(yīng)用的同步調(diào)相機(jī)的仿真模型與發(fā)電機(jī)模型相同，通常在轉(zhuǎn)子上存在四個(gè)等效繞組，即：d軸勵(lì)磁繞組f和阻尼繞組D、q軸阻尼繞組g和Q。轉(zhuǎn)子繞組的電壓方程為[9-11]：

上述方程是在假定電機(jī)磁路不飽和的條件下得出的。而同步調(diào)相機(jī)經(jīng)常會運(yùn)行在過勵(lì)情況下，定轉(zhuǎn)子鐵心處于深度飽和狀態(tài)，因此應(yīng)考慮磁路的飽和因素，將飽和修正后的瞬態(tài)電勢代入方程后得到下式：

Park方程定子繞組電壓方程為：

其中，磁鏈與瞬態(tài)電勢滿足式

將式（4）代入式（3）得出：

2 電壓暫降時(shí)調(diào)相機(jī)對交直流系統(tǒng)的影響

當(dāng)圖1所示的UHVDC系統(tǒng)運(yùn)行在額定狀態(tài)時(shí)，在受端交流系統(tǒng)母線處設(shè)置故障，使得系統(tǒng)電壓分別暫降10%、30%和100%，并持續(xù)0.1s。調(diào)相機(jī)通過20kV/525kV升壓變壓器接入受端交流系統(tǒng)母線，調(diào)相機(jī)的額定無功為300MVar，額定線電壓為20kV，調(diào)相機(jī)的模型及接線方式如圖4所示。通過對系統(tǒng)故障過程及切除后的運(yùn)行過程進(jìn)行研究，分析調(diào)相機(jī)對交直流系統(tǒng)各電氣量變化的影響。

圖4 同步調(diào)相機(jī)模型及連接方式

2.1 交流系統(tǒng)電壓暫降10%

在圖1所示的系統(tǒng)運(yùn)行到5s時(shí)，受端交流系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降故障，暫降幅度為10%，持續(xù)0.1s。換流站接入調(diào)相機(jī)與未接入調(diào)相機(jī)時(shí)，交直流系統(tǒng)各電氣量的變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出，接入調(diào)相機(jī)后交流系統(tǒng)電壓在故障過程中比未接調(diào)相機(jī)時(shí)少下降10kV，直流系統(tǒng)電壓則少下降近80kV，直流系統(tǒng)傳輸有功在故障中要少下降1000MW；調(diào)相機(jī)在0.03s后輸出的無功功率達(dá)到40MVar，將機(jī)端電壓提升接近額定電壓。故障切除后，機(jī)端電壓經(jīng)過0.012s就回升到20kV，交流系統(tǒng)電壓在0.03s內(nèi)回升到正常運(yùn)行狀態(tài)。在短時(shí)間小幅度的電壓暫降故障中，調(diào)相機(jī)接入能夠提升交、直流系統(tǒng)電壓，并且提高故障切除后系統(tǒng)各電氣量恢復(fù)正常狀態(tài)的速度。

2.2 交流系統(tǒng)電壓暫降30%

在圖1所示的系統(tǒng)運(yùn)行到5s時(shí)，受端交流系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降故障，暫降幅度為30%，持續(xù)0.1s。換流站接入調(diào)相機(jī)與未接入調(diào)相機(jī)時(shí)，交直流系統(tǒng)各電氣量的變化情況如圖6所示。

從圖6可以看出，接入調(diào)相機(jī)后交流系統(tǒng)電壓在故障過程中比未接調(diào)相機(jī)時(shí)少下降20kV，直流系統(tǒng)電壓則少下降近50kV，直流系統(tǒng)傳輸有功在故障中要少下降800MW；調(diào)相機(jī)在0.06s后輸出的無功功率達(dá)到190MVar，將機(jī)端電壓提升接近額定電壓。故障切除后，機(jī)端電壓在0.036s回升到20kV，交流系統(tǒng)電壓在0.04s內(nèi)回升到正常運(yùn)行狀態(tài)。在暫降幅度達(dá)到30%后，調(diào)相機(jī)能在故障中對系統(tǒng)電氣量起到一定支撐作用。并且在故障切除后能夠保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定地恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 交流系統(tǒng)電壓暫降100%

在圖1所示的系統(tǒng)運(yùn)行到5s時(shí)，受端交流系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降故障，暫降幅度為100%，持續(xù)0.1s。換流站接入調(diào)相機(jī)與未接入調(diào)相機(jī)時(shí)，交直流系統(tǒng)各電氣量的變化情況如圖7所示。

從圖7可以看出，無論系統(tǒng)是否接入調(diào)相機(jī)，故障中交流系統(tǒng)電壓都將下降至0%，直流系統(tǒng)電壓都將下降至60kV，直流系統(tǒng)傳輸有功都將下降至0MW。通過分析調(diào)相機(jī)對故障切除后各電氣量變化，可以得出如下結(jié)論：

（1）調(diào)相機(jī)在故障發(fā)生后0.07s可輸出200MVar無功功率，但調(diào)相機(jī)對故障過程中系統(tǒng)電壓的影響較小，而對故障切除后交流電壓的恢復(fù)影響較大。接入調(diào)相機(jī)時(shí)，調(diào)相機(jī)經(jīng)過0.056s就將機(jī)端電壓恢復(fù)到了20kV。交流系統(tǒng)電壓在故障切除后0.06s內(nèi)恢復(fù)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，而未接入調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)，交流電壓僅回升到額定電壓的70%；

（2）當(dāng)系統(tǒng)接入調(diào)相機(jī)后，故障切除后直流系統(tǒng)發(fā)生了一次90kV的電壓波動，直流系統(tǒng)電壓在0.236s內(nèi)恢復(fù)到額定電壓的90%。當(dāng)系統(tǒng)未接入調(diào)相機(jī)時(shí)，直流系統(tǒng)電壓在故障切除后發(fā)生了兩次大幅度波動，電壓波動分別為300kV和260kV，直流系統(tǒng)電壓在0.236s內(nèi)恢復(fù)到額定電壓的45%；

（3）調(diào)相機(jī)對直流系統(tǒng)有功傳輸?shù)幕謴?fù)速度具有重要影響，當(dāng)系統(tǒng)接入調(diào)相機(jī)時(shí)，故障切除后直流系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β试?.2s內(nèi)達(dá)到了的額定功率的90%，而系統(tǒng)不接調(diào)相機(jī)時(shí)，故障切除后直流系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β试?.2s內(nèi)僅達(dá)到了額定功率的50%；

（4）在系統(tǒng)故障較為嚴(yán)重時(shí)，調(diào)相機(jī)的作用主要在故障切除后的恢復(fù)階段，接入調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)在故障恢復(fù)速度及穩(wěn)定性上要遠(yuǎn)好于未接入調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)。

綜合比較不同程度電壓暫降后系統(tǒng)電氣量的變化情況，可以得出：隨著故障程度的加劇，調(diào)相機(jī)輸出的無功功率會增加。而相對于未接入調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)，接入調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)在故障后的穩(wěn)定性更好，且回升速度更快。

3 結(jié)論

同步調(diào)相機(jī)的動態(tài)響應(yīng)特性使其在HVDC交流系統(tǒng)故障中更好的穩(wěn)定系統(tǒng)各電氣量，本文計(jì)算了額定無功為300MVar調(diào)相機(jī)接入對受端交流系統(tǒng)不同程度電壓暫降故障的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）隨著故障程度的加深，調(diào)相機(jī)在故障中將輸出更多的無功，對故障中的系統(tǒng)電壓提供更多的支撐。電壓暫降10%時(shí)，接入調(diào)相機(jī)后故障過程中的交流電壓比未接調(diào)相機(jī)時(shí)增加了10kV。電壓暫降30%時(shí)，接入調(diào)相機(jī)后故障過程中的交流電壓比未接調(diào)相機(jī)時(shí)增加了20kV；

（2）調(diào)相機(jī)的作用主要體現(xiàn)在故障切除后系統(tǒng)的恢復(fù)過程。接入調(diào)相機(jī)后，交直流系統(tǒng)的各電氣量能夠在故障切除后更快的恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)相機(jī)的接入提高了系統(tǒng)在故障后恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

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Dynamic Response of Synchronous Condenser in Different Voltage Sag of UHVDC Near Area System

HU Yiping, XU Guorui, LIU Xiaofang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The new large capacity synchronous condenser has the advantages of large voltage regulation range, short time overload capacity and not influenced by system voltage. Its operation characteristics can better meet the reactive power demand of UHVDC transmission system. In this paper, the 300MVar synchronous condenser model and UHVDC transmission system are coupled to study the dynamic reactive power response characteristics of the synchronous condenser and its influence on the ability of AC/DC system to deal with fault in voltage sags with different amplitude of receiving end AC system. The conclusion proves that with deepening of the fault degree, the effect of synchronous condenser is more obvious, which can play an active role in dealing with the fault of UHVDC systems.

synchronous condenser; UHVDC system; voltage sag; reactive power compensation

TM342

A

1000-3983(2018)06-0032-05

國家自然科學(xué)基金（51507059和51477049）中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目2018MS010

2018-05-20

胡一平 (1994-)，碩士研究生，就讀于華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)運(yùn)行特性及參數(shù)計(jì)算。