調(diào)相機(jī)在±800 kV特高壓直流換流站中的應(yīng)用研究

滕 輝，馬 龍，陳大慶

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

0 引言

目前，山東電網(wǎng)通過1 000 kV交流、500 kV交流和±660 kV銀東直流輸電系統(tǒng)，分別與華北電網(wǎng)和西北電網(wǎng)相連，每日接納外送交直流電力能力可達(dá)9000MW。與交流輸電系統(tǒng)相比，高壓直流輸電系統(tǒng)具有長距離、大容量、損耗小等優(yōu)點(diǎn)［1］。按照全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的國內(nèi)規(guī)劃，我國特高壓直流輸電工程的發(fā)展規(guī)律、清潔能源的大規(guī)模集約開發(fā)趨勢以及外電入魯政策的深度實(shí)施，昭沂直流和魯固直流的2個特高壓直流輸電工程在建成投運(yùn)后，給山東帶來2×10 000 MW的直流外送電力。山東電網(wǎng)作為有功電力的受端，其電網(wǎng)特性將進(jìn)一步發(fā)生顯著變化：區(qū)域內(nèi)接納外來電力規(guī)模的成倍增長和地區(qū)間的動態(tài)無功儲備下降、電壓支撐不足的矛盾將會愈發(fā)突出，如何確保受端電壓穩(wěn)定的問題逐漸被提上了大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要議程。而能源大范圍優(yōu)化配置的客觀要求，特高壓直流的大規(guī)模有功輸送，必然要匹配大容量充足的動態(tài)無功進(jìn)行補(bǔ)償，這便是“大直流輸電，強(qiáng)無功支撐”的理論要求。基于上述背景，結(jié)合國內(nèi)已運(yùn)直流輸電工程和上海廟—臨沂特高壓直流輸電的工程實(shí)踐，對特高壓換流站采用調(diào)相機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用進(jìn)行研究。

1 我國直流輸電工程的問題及解決方案

1.1 存在的問題

我國目前的直流輸電工程已逐步形成±400 kV、±500 kV、±660 kV、±800 kV 和±1 100 kV 為主的 5 個電壓等級，其在運(yùn)、在建和核準(zhǔn)的特高壓線路達(dá)到3萬km、變電（換流）容量超過3.1億 kVA。如此龐大的特髙壓直流輸電工程對高壓直流輸電的平穩(wěn)運(yùn)行以及交直流電網(wǎng)系統(tǒng)的共同穩(wěn)定提出了更高的要求［2-3］：1）無功補(bǔ)償方式不夠靈活，以固定電容器組補(bǔ)償為主，正常運(yùn)行工況時，與換流器相連的交流側(cè)電網(wǎng)需安裝大量的無功功率補(bǔ)償及濾波設(shè)備，固定式電容器組的投切速度響應(yīng)較慢，發(fā)生甩負(fù)荷情況時，換流站容易出現(xiàn)無功過?，F(xiàn)象，造成母線過電壓；2）受端電網(wǎng)的強(qiáng)度較弱，我國華北地區(qū)運(yùn)行電網(wǎng)非常復(fù)雜，部分直流落點(diǎn)附近的交流系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)，受端系統(tǒng)非常薄弱，這就容易誘發(fā)換相失敗，進(jìn)而對交流電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，造成電網(wǎng)振蕩，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)解列。

特高壓直流輸電工程可進(jìn)行大容量“點(diǎn)對點(diǎn)”式地輸送有功功率。根據(jù)直流設(shè)計原則，直流工程本身不具備向系統(tǒng)提供動態(tài)無功的功能，且會在動態(tài)過程中從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率來維持受端電壓的穩(wěn)定。這將會導(dǎo)致受端電網(wǎng)無功功率的嚴(yán)重不足。而計算和實(shí)測也表明，單一特高壓直流工程若發(fā)生換相失敗現(xiàn)象，逆變側(cè)將會從系統(tǒng)吸收4 000 Mvar以上的無功功率，給區(qū)域電網(wǎng)帶來巨大的無功功率沖擊，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)乃至崩潰。隨著直流的大規(guī)模饋入，多回直流系統(tǒng)若同時發(fā)生換相失敗，將會造成電網(wǎng)解列的惡性后果。因此，對直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)且充足的無功補(bǔ)償是非常重要的。

1.2 解決方案

電網(wǎng)中的電壓穩(wěn)定程度與其所配置的無功補(bǔ)償程度有著十分緊密的關(guān)聯(lián)，目前常用發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、靜止無功補(bǔ)償器 （SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié)，這也是動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的范疇和調(diào)節(jié)手段。各種動態(tài)補(bǔ)償裝置的指標(biāo)對比如表1所示。

SVC與STATCOM同屬于并聯(lián)型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，前者的阻抗特性通過控制晶閘管的通斷來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而提供需求量的無功功率；后者具備響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以提高電網(wǎng)電壓的動態(tài)穩(wěn)定性，可以認(rèn)為是前者的升級和換代。

電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式時，其系統(tǒng)的電壓主要由發(fā)電機(jī)、電容器、電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)。但當(dāng)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)受到較大擾動而處于暫態(tài)運(yùn)行方式時，會導(dǎo)致?lián)Q流站等樞紐站的母線電壓產(chǎn)生較大幅度的波動。由于自身工作原理的限制，電壓波動時的電容器、電抗器等傳統(tǒng)靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置及方式不能及時地向電網(wǎng)提供足量的無功功率以進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，在特殊工況時還會發(fā)生電壓失穩(wěn)現(xiàn)象，使整個區(qū)域的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行受到較大影響。因此，足量地配備無功補(bǔ)償設(shè)備且滿足動態(tài)無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，以保證母線電壓穩(wěn)定的能力顯得十分重要。

2 特高壓沂南換流站調(diào)相機(jī)應(yīng)用

2.1 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)

目前，大容量的調(diào)相機(jī)采用隱極機(jī)的方式進(jìn)行生產(chǎn)制造，其構(gòu)造主要由調(diào)相機(jī)本體、勵磁系統(tǒng)、升壓變壓器、啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)和控制保護(hù)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

表1 動態(tài)補(bǔ)償裝置對比

圖1 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)組成

調(diào)相機(jī)的勵磁系統(tǒng)采用自并勵的勵磁方式，無旋轉(zhuǎn)部件，穩(wěn)定性好，勵磁電壓響應(yīng)速度快；伴有電壓調(diào)節(jié)通道易出現(xiàn)負(fù)阻尼作用的現(xiàn)象，但可以通過PSS進(jìn)行解決。其具有的強(qiáng)勵磁能力，能在母線電壓急劇下降的2 s內(nèi)將自身輸出的無功功率容量提升到額定容量的2倍，迅速拉升母線電壓，防止電壓崩潰和電網(wǎng)解列等惡事件的發(fā)生，具有良好的無功調(diào)節(jié)魯棒性能。除此之外，調(diào)相機(jī)具備過載能力且無功輸出受系統(tǒng)電壓影響較小，在強(qiáng)勵作用下可短時發(fā)出超過額定容量的無功并可長時提供強(qiáng)無功支撐；具備多達(dá)2／3額定容量的進(jìn)相能力；在運(yùn)行穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在過勵磁情況下，發(fā)出感性無功；在欠勵磁情況下，發(fā)出容性無功。但也存在著增加短路電流、運(yùn)維復(fù)雜和響應(yīng)速度相對較慢的劣勢。

2.2 調(diào)相機(jī)接入效果

特高壓沂南換流站采用3×300 Mvar的調(diào)相機(jī)接入方案，接入前后的效果比對如表2所示。

通過比對，可以發(fā)現(xiàn)：接入調(diào)相機(jī)后，沂南換流站的短路電流、短路容量和直流有效短路比均獲得不同程度的提高，且接在沂南換流站500 kV側(cè)的優(yōu)化效果較沂南換流站1 000 kV側(cè)更為明顯，提升了作為受端的山東電網(wǎng)對直流系統(tǒng)的支撐能力。此刻，在山東電網(wǎng)小負(fù)荷狀態(tài)和上海廟—臨沂特高壓直流工程滿功率運(yùn)行時，以及特高壓交流天津南—濟(jì)南線路發(fā)生N-1故障時，系統(tǒng)也可保持穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 調(diào)相機(jī)接入前后效果比對

直流輸電工程中換相失敗主要由交流側(cè)電壓波動造成，接入調(diào)相機(jī)后，可以維持交流側(cè)電網(wǎng)的母線電壓，從根本上降低直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，有助于上海廟—臨沂特高壓直流系統(tǒng)功率的快速恢復(fù)和電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

除此之外，接入的調(diào)相機(jī)發(fā)出的無功功率可以維持和大幅降低故障發(fā)生后電網(wǎng)母線電壓的波動程度，有利于電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)。

3 結(jié)語

3×300 Mvar調(diào)相機(jī)系統(tǒng)接入特高壓沂南換流站后，提高了逆變側(cè)的受端電網(wǎng)對上海廟—臨沂特高壓直流輸電工程的支撐能力，提高了系統(tǒng)抗干擾和故障快速恢復(fù)能力，穩(wěn)定了山東電網(wǎng)的電壓水平，并大大降低了直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率，取得了很好的應(yīng)用效果。