高壓直流輸電系統(tǒng)單極閉鎖故障下同步調(diào)相機(jī)與STATCOM 的對(duì)比研究

宋凱洋，姚 駿，汪 軍

（1.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，呼和浩特 010000；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)），重慶 400044）

由于我國(guó)能源與負(fù)荷中心呈逆向性分布，需通過(guò)遠(yuǎn)距離進(jìn)行輸電[1]。相比于交流輸電系統(tǒng)，高壓直流輸電系統(tǒng)在大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸電上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)已建成哈密-鄭州、錫盟-泰州、上海廟-臨沂等多個(gè)特高壓直流輸電系統(tǒng)。正常情況下，根據(jù)特高壓直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，直流換流站與送端交流系統(tǒng)無(wú)功功率的交換為0[2-3]。當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障后，換流站消耗的無(wú)功功率驟減，造成交流側(cè)無(wú)功功率過(guò)剩，會(huì)引起交流電網(wǎng)電壓驟升。同時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)送端多建在風(fēng)電、光伏等新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此形成了較為薄弱的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，當(dāng)換流站交流側(cè)電壓抬升時(shí)，將引起新能源發(fā)電基地并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致新能源大面積脫網(wǎng)。因此，為了改善單極閉鎖故障引起的交流側(cè)電網(wǎng)電壓驟升問(wèn)題，增強(qiáng)送端系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，客觀上需要提高送端交流系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備。

作為同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備，同步調(diào)相機(jī)既具有較好的無(wú)功出力特性，又可以為系統(tǒng)提供短路容量，在抑制直流換相失敗、降低直流送端暫態(tài)過(guò)電壓等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[4-5]結(jié)合換流站逆變側(cè)發(fā)生換相失敗的主要原因，分析了同步調(diào)相機(jī)次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性對(duì)其送端電網(wǎng)電壓的影響，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了同步調(diào)相機(jī)具有良好的無(wú)功補(bǔ)償和電壓支撐能力。文獻(xiàn)[6]結(jié)合實(shí)際工程案例，從增加系統(tǒng)短路比、降低新能源高壓脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)、抑制暫態(tài)過(guò)電壓等角度研究了同步調(diào)相機(jī)在酒泉-湖南直流風(fēng)火打捆送端的應(yīng)用效果，同時(shí)從提升嚴(yán)重故障下的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平、增加直流多饋入短路比、降低多回路同時(shí)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)等角度研究了調(diào)相機(jī)在華東多直流饋入受端電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用效果；文獻(xiàn)[7-9]討論了同步調(diào)相機(jī)的控制策略，并分析了其對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的影響關(guān)系，為同步調(diào)相機(jī)布點(diǎn)配置和參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

同時(shí)，基于成熟的大容量電力電子技術(shù)，靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC（static var compensator）、靜止同步補(bǔ)償器STATCOM（static synchronous compensator）等暫態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用愈加廣泛。文獻(xiàn)[10-11]研究了高壓直流輸電系統(tǒng)中STATCOM的配置方案，以降低HVDC 換相失敗風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[12-17] 則提出了STATCOM 與HVDC 換流站的協(xié)調(diào)控制策略，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行性能，減小了高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率；文獻(xiàn)[18-21]則討論了STATCOM 對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響關(guān)系，并結(jié)合工程實(shí)際分析了其對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐強(qiáng)度以及配置方案；文獻(xiàn)[22]研究了送、受端電網(wǎng)電壓跌落以及直流閉鎖故障下同步調(diào)相機(jī)與SVC 對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)電壓的支撐作用，并指出在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，同步調(diào)相機(jī)比SVC的無(wú)功支撐能力更優(yōu)越，而在直流閉鎖故障場(chǎng)景下，SVC 吸收的無(wú)功功率是同步調(diào)相機(jī)的2 倍，同時(shí)還主要對(duì)比了高壓直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障以及直流閉鎖場(chǎng)景下同步調(diào)相機(jī)與SVC 的無(wú)功響應(yīng)特性，但其并未從暫態(tài)調(diào)節(jié)性能方面對(duì)兩者進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，且未考慮單極閉鎖故障下送端換流站無(wú)功電容器組切除的問(wèn)題。此外，對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)單極閉鎖場(chǎng)景下同步調(diào)相機(jī)與STATCOM裝置動(dòng)、暫態(tài)特性的對(duì)比研究以及兩者對(duì)送端電網(wǎng)電壓的影響未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，因此有必要作進(jìn)一步深入研究。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖時(shí)，送端控制系統(tǒng)會(huì)切除部分無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)平衡系統(tǒng)的無(wú)功功率，但無(wú)功補(bǔ)償裝置的切除需要約200 ms 的延時(shí)，因此濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法立即切除，從而導(dǎo)致母線電壓升高。因此在這種問(wèn)題已經(jīng)發(fā)生且難以避免的情況下，本文主要討論故障后同步調(diào)相機(jī)和STATCOM 的暫態(tài)響應(yīng)能力，將為工程上應(yīng)對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)閉鎖故障以及增強(qiáng)其故障穿越運(yùn)行能力提供基礎(chǔ)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要論證了同步調(diào)相機(jī)及STATCOM在提高高壓直流輸電系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備及運(yùn)行能力上具有廣泛的應(yīng)用，但針對(duì)單極閉鎖故障下，兩類(lèi)設(shè)備對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)送端電網(wǎng)暫態(tài)電壓特性的影響鮮有研究。因此，本文從設(shè)備運(yùn)行原理、不同階段設(shè)備無(wú)功響應(yīng)特性以及設(shè)備在高壓直流輸電系統(tǒng)送端中的應(yīng)用效果等方面，對(duì)調(diào)相機(jī)和STAT-COM 進(jìn)行綜合比較，最后結(jié)合高壓直流輸電系統(tǒng)單極閉鎖故障下?lián)Q流站交流側(cè)采用切除部分無(wú)功補(bǔ)償裝置后的暫態(tài)電壓特性，論證了高壓直流輸電系統(tǒng)送端電網(wǎng)配置調(diào)相機(jī)的必要性和有效性。

1 同步調(diào)相機(jī)的技術(shù)原理與運(yùn)行特性

1.1 同步調(diào)相機(jī)的原理及運(yùn)行特性

同步調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)不帶機(jī)械負(fù)載、專門(mén)用來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率、改善電網(wǎng)功率因數(shù)的同步電動(dòng)機(jī)。調(diào)相機(jī)擁有與同步發(fā)電機(jī)相同的勵(lì)磁方式，主要分為交流勵(lì)磁和自并勵(lì)勵(lì)磁。由于自并勵(lì)勵(lì)磁方式調(diào)節(jié)容量大、速度快，因此現(xiàn)代大型同步調(diào)相機(jī)多采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式[6]。

在忽略電阻的情況下，同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)態(tài)相量如圖1 所示。其中，為同步調(diào)相機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)，為電樞電流，xs為同步電抗，為同步調(diào)相機(jī)的端電壓。通過(guò)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小和方向，從而改變調(diào)相機(jī)的無(wú)功輸出。

圖1 同步調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)相量Fig.1 Steady-state phasor of synchronous compensator

正常運(yùn)行時(shí)，同步調(diào)相機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率僅用于克服各種機(jī)械損耗，且一般不高于額定容量的1.4%。故可認(rèn)為同步調(diào)相機(jī)與電網(wǎng)之間的功角δ 約為0，所以調(diào)相機(jī)向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率為

當(dāng)系統(tǒng)母線電壓發(fā)生突變時(shí)，同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功響應(yīng)可分為兩部分，即同步調(diào)相機(jī)自身的暫態(tài)無(wú)功響應(yīng)和調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的暫態(tài)無(wú)功響應(yīng)。

在考慮同步調(diào)相機(jī)自身的暫態(tài)無(wú)功響應(yīng)時(shí)，忽略勵(lì)磁控制器的作用，同時(shí)假設(shè)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持為同步速度，當(dāng)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，由于調(diào)相機(jī)定子繞組、阻尼繞組和勵(lì)磁繞組間的磁鏈不能發(fā)生突變，機(jī)端電壓的變化將會(huì)引起暫態(tài)無(wú)功電流的大幅變化，機(jī)端電壓突變下同步調(diào)相機(jī)d 軸電流響應(yīng)為

除了同步調(diào)相機(jī)自身的無(wú)功響應(yīng)外，電網(wǎng)電壓發(fā)生變化后，調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)也會(huì)隨之響應(yīng)?？紤]同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的無(wú)功響應(yīng)，參考IEEE ST1A 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)模型，將同步調(diào)相機(jī)等效為一階慣性環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖2 所示。

圖2 同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖Fig.2 Block diagram of transfer function of synchronous condenser excitation control system

由圖2 可得到同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中：KA為電壓放大系數(shù)；TA為放大器時(shí)間常數(shù)；KZ為可控整流器的增益系數(shù)；TZ為可控整流器的時(shí)間常數(shù)；KG為同步機(jī)的放大系數(shù)；TG為同步機(jī)時(shí)間常數(shù)；KR為電壓比例系數(shù)；TR為電壓測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)；Uref為調(diào)相機(jī)端電壓指令值；UG為調(diào)相機(jī)機(jī)端電壓。

結(jié)合如下仿真系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析。

①直流輸電系統(tǒng)：送端交流母線額定電壓345 kV，單臺(tái)整流器直流側(cè)額定電壓250 kV，單臺(tái)整流器交流側(cè)額定電壓211.42 kV，整流器直流側(cè)額定電流1 kA。每一極由兩臺(tái)6 脈波整流器構(gòu)成一組12 脈波整流器。②同步調(diào)相機(jī)：額定容量為300 MV·A，額定端電壓為13.8 kV，直軸穩(wěn)態(tài)電抗為1.34 p.u.，直軸暫態(tài)電抗為0.33 p.u.，直軸次暫態(tài)電抗為0.185 6 p.u.，定子繞組暫態(tài)時(shí)間常數(shù)為0.017 s，直軸暫態(tài)短路時(shí)間常數(shù)為2.0 s，直軸次暫態(tài)短路時(shí)間常數(shù)為0.035 s，頻率為50 Hz，電壓放大系數(shù)KA為200，放大器時(shí)間常數(shù)TA為0，可控整流器的增益系數(shù)KZ為1.0，可控整流器的時(shí)間常數(shù)TZ為0.03 s；同步機(jī)的放大系數(shù)KG為1.0，同步機(jī)時(shí)間常數(shù)TG為8.171 s；電壓比例系數(shù)KR為1.0，電壓測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)TR為0.015 s。③STATCOM：額定容量300 MV·A，直流側(cè)電壓25 kV，直流側(cè)電容5 000 μF，連接變壓器變比13.8/220 kV，變壓器漏抗0.18 p.u.，電壓外環(huán)比例增益Kpu為0.2，電壓外環(huán)積分增益Kiu為50，電流內(nèi)環(huán)比例增益Kpc為10，電流內(nèi)環(huán)積分增益Kic為300。

根據(jù)式（3）可繪制同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的閉環(huán)伯德圖，如圖3 所示。由伯德圖可以得到同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的帶寬為6.051 Hz，勵(lì)磁控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為200 ms 左右。

圖3 同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖Fig.3 Closed-loop Bode diagram of synchronous condenser excitation control system

1.2 電網(wǎng)電壓階躍下同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功輸出

額定容量為300 MV·A 的同步調(diào)相機(jī)組在電網(wǎng)電壓突然跌落至0.8 p.u.和電網(wǎng)電壓突然驟升至1.2 p.u.后的無(wú)功響應(yīng)如圖4 所示，其分別給出了施加勵(lì)磁控制以及將勵(lì)磁電壓設(shè)為額定值時(shí)（勵(lì)磁控制器未作用）同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功響應(yīng)。由圖4（a）可知，在5 s 時(shí)電網(wǎng)電壓跌落至0.8 p.u.，在施加勵(lì)磁控制的情況下，同步調(diào)相機(jī)在故障瞬間發(fā)出約285 Mvar 無(wú)功功率，30 ms 左右衰減至230 Mvar，此后由于勵(lì)磁控制的作用使得同步調(diào)相機(jī)在6.7 s 左右輸出300 Mvar 的穩(wěn)定無(wú)功功率；在不施加勵(lì)磁控制的情況下，同步調(diào)相機(jī)在故障發(fā)生瞬間發(fā)出的無(wú)功功率將在1.2 s 內(nèi)衰減至50 Mvar 左右。對(duì)于電網(wǎng)電壓突然驟升的情況，同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功響應(yīng)亦有類(lèi)似的結(jié)果。為了確保一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕度，同步調(diào)相機(jī)受到勵(lì)磁控制系統(tǒng)的低勵(lì)磁限制作用[23]，使得其在施加勵(lì)磁控制的條件下，故障穩(wěn)態(tài)過(guò)程只能吸收約160 Mvar 的無(wú)功功率。

圖4 同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功響應(yīng)Fig.4 Reactive power response of synchronous condenser

綜上所述，在電網(wǎng)電壓跌落或者驟升瞬間，同步調(diào)相機(jī)由于定子繞組磁鏈不會(huì)發(fā)生突變，將感應(yīng)出較大的無(wú)功電流，為系統(tǒng)提供無(wú)功支撐，此時(shí)調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)作用不明顯；之后，隨著同步調(diào)相機(jī)自身電流響應(yīng)的次暫態(tài)分量、暫態(tài)分量的衰減，其無(wú)功輸出主要依靠勵(lì)磁控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)故障發(fā)生瞬間，同步調(diào)相機(jī)主要依靠自身暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行支撐；而進(jìn)入故障持續(xù)穩(wěn)態(tài)階段后，才主要依靠同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 STATCOM 的技術(shù)原理與運(yùn)行特性

2.1 STATCOM 的技術(shù)原理與運(yùn)行特性

作為一種新型的無(wú)功補(bǔ)償裝置，STATCOM 已經(jīng)在電網(wǎng)暫態(tài)無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。STAT-COM 的典型結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)向量如圖5 所示，其主體結(jié)構(gòu)一般是由IGBT 等全控型電力電子器件構(gòu)成，并采用電壓源型變流器的形式進(jìn)行控制。圖5 中，為電網(wǎng)電壓，為STATCOM 交流側(cè)出口電壓，XT 為升壓變壓器等效電抗，為輸出無(wú)功電流。

圖5 STATCOM 等值電路及穩(wěn)態(tài)相量Fig.5 Equivalent circuit and steady-state phasor of STATCOM

若STATCOM 只采用電流環(huán)控制，則其可以具有較快的響應(yīng)速度，其暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間可到數(shù)十ms級(jí)。但在實(shí)際運(yùn)行中，STATCOM 通常采用以所并節(jié)點(diǎn)的電壓為控制目標(biāo)的電壓、電流雙環(huán)控制策略，而非采用以無(wú)功電流為控制目標(biāo)的單電流環(huán)控制方式[24-26]，其控制結(jié)構(gòu)如圖6 所示，其中：內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)；外環(huán)為電壓控制環(huán)，為內(nèi)環(huán)提供電流指令；控制系統(tǒng)內(nèi)的參考角度由鎖相環(huán)提供。圖6 中，Upcc為公共連接點(diǎn)電壓，為電壓指令值，Udc為直流母線電壓，為直流母線電壓指令值，id、iq分別為d、q 軸電流分量，分別為d、q軸電流指令，Ls和Rs分別為STATCOM 進(jìn)線電感和電阻，L0和R0分別為電網(wǎng)線路等效電感和電阻。

圖6 STATCOM 的控制框圖Fig.6 Control block diagram of STATCOM

由圖6 可得到STATCOM 控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中：G1（s）為電壓外環(huán)PI 控制器的傳遞函數(shù)；G2（s）為STATCOM 的等效傳遞函數(shù)；X0為系統(tǒng)的等效電抗。兩傳遞函數(shù)表達(dá)式分別為

結(jié)合第1.1 節(jié)的仿真參數(shù)，根據(jù)式（4）可繪制STATCOM 控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖，如圖7所示。由圖7 可見(jiàn)，STATCOM 控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的帶寬為11.54 Hz，其暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為100 ms。與上文同步調(diào)相機(jī)自身能在故障瞬間提供無(wú)功支撐的能力相比，STATCOM 的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

圖7 STATCOM 控制系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖Fig.7 Closed-loop Bode diagram of STATCOM control system

2.2 電網(wǎng)電壓階躍下STATCOM 的無(wú)功輸出

額定容量為300 MV·A 的STATCOM 在電網(wǎng)電壓突然跌落至0.8 p.u.和電網(wǎng)電壓突然驟升至1.2 p.u.后的無(wú)功響應(yīng)如圖8 所示。

由圖8（a）可知，電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落后，STAT-COM 經(jīng)過(guò)140 ms 左右電壓輸出約290 Mvar 穩(wěn)定無(wú)功功率；由圖8（b）可知，在電網(wǎng)電壓驟升后，STATCOM 的暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間130 ms 左右，最終吸收約310 Mvar 的無(wú)功功率。

圖8 STATCOM 的無(wú)功響應(yīng)Fig.8 Reactive power response of STATCOM

綜上可知，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落（驟升）后，采用雙環(huán)控制的STATCOM 系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到100 ms 以上。而同步調(diào)相機(jī)在故障暫態(tài)中所提供的故障次暫態(tài)電流及暫態(tài)電流是瞬間產(chǎn)生的，由于電機(jī)固有的電磁暫態(tài)特性，其在故障發(fā)生瞬間及故障后一段時(shí)間以內(nèi)具有較強(qiáng)的故障暫態(tài)電流支撐能力，因此其相比于STAT-COM 系統(tǒng)具有更好故障暫態(tài)響應(yīng)能力。但同步調(diào)相機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的能力卻弱于STATCOM 系統(tǒng)。同時(shí)，STATCOM 的無(wú)功輸出能力受限于電力電子器件的通流能力，因此對(duì)于電網(wǎng)電壓跌落和驟升兩種情況下STATCOM 的穩(wěn)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)能力比較均衡。

3 單極閉鎖場(chǎng)景下同步調(diào)相機(jī)與STATCOM 的應(yīng)用比較

圖9 高壓直流輸電系統(tǒng)送端等值電路Fig.9 Equivalent circuit of HVDC transmission system on sending side

送端系統(tǒng)分別接入額定容量為300 MV·A 的STATCOM 和同步調(diào)相機(jī)后在單極閉鎖故障下的仿真運(yùn)行結(jié)果如圖10 和圖11 所示。高壓直流輸電系統(tǒng)在5 s 時(shí)發(fā)生單極閉鎖故障，且發(fā)生故障后不切除交流側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。由圖10（a）可知，當(dāng)送端交流系統(tǒng)接入STATCOM，在故障發(fā)生后，STAT-COM 吸收約400 Mvar 的無(wú)功功率；結(jié)合圖10（b）與圖10（c）可知，送端交流系統(tǒng)公共點(diǎn)連接電壓最終能穩(wěn)定在1.02 p.u.，同時(shí)換流站交流側(cè)母線電壓穩(wěn)定在1.08 p.u.，因此STATCOM 對(duì)單極閉鎖故障后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓有明顯的抑制作用，但是其對(duì)于故障瞬間系統(tǒng)公共連接點(diǎn)與換流站交流側(cè)母線的暫態(tài)過(guò)電壓抑制效果不明顯。

圖10 單極閉鎖故障下送端系統(tǒng)接入STATCOM 前后的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of sending-side system with STATCOM under mono-polar blocking fault

對(duì)于同步調(diào)相機(jī)，由圖11（a）可知，在單極閉鎖故障發(fā)生后，調(diào)相機(jī)吸收約200 Mvar 的無(wú)功功率。根據(jù)圖11（b）與圖11（c）可知，送端交流系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓最終穩(wěn)定在1.13 p.u.，換流站交流母線電壓穩(wěn)定在1.16 p.u.，由于系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的低勵(lì)限制，使得調(diào)相機(jī)吸收無(wú)功功率的能力受限，對(duì)于系統(tǒng)故障后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段的無(wú)功支撐能力比STATCOM 弱；然而同步調(diào)相機(jī)在故障發(fā)生時(shí)具有較強(qiáng)的故障暫態(tài)電流支撐能力，能瞬時(shí)吸收大量無(wú)功功率，因此其相比于STATCOM 系統(tǒng)具有更好的故障暫態(tài)響應(yīng)能力，與圖10 相比，同步調(diào)相機(jī)對(duì)故障瞬間系統(tǒng)的過(guò)電壓抑制效果比較明顯。

圖11 單極閉鎖故障下送端系統(tǒng)接入調(diào)相機(jī)前后的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation result of sending-side system with synchronous condenser under mono-polar blocking fault

為了進(jìn)一步對(duì)比同步調(diào)相機(jī)與STATCOM 的應(yīng)用效果，結(jié)合高壓直流輸電系統(tǒng)在單極閉鎖故障下的實(shí)際應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行說(shuō)明。目前，高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖故障后一般要通過(guò)切除部分以固定電容為主的無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)維持系統(tǒng)無(wú)功平衡，但切除該部分無(wú)功補(bǔ)償裝置需要延時(shí)約200 ms[27]。圖12 為單極閉鎖故障下考慮切除部分無(wú)功補(bǔ)償裝置的情況對(duì)調(diào)相機(jī)和STATCOM 的應(yīng)用對(duì)比仿真結(jié)果，在5.0 s 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障，5.2 s 時(shí)部分送端交流側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置被切除。由圖12（a）可知，故障發(fā)生瞬間同步調(diào)相機(jī)比STATCOM 吸收無(wú)功的能力更強(qiáng)；由圖12（b）可知，送端系統(tǒng)切除部分無(wú)功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)電壓能夠恢復(fù)到安全穩(wěn)定水平，因此只需對(duì)比故障發(fā)生瞬間至無(wú)功補(bǔ)償裝置完成切除這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的故障電壓抑制效果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在5.0 s～5.2 s 調(diào)相機(jī)和STATCOM 對(duì)穩(wěn)態(tài)故障過(guò)電壓能力的相差不大，但是對(duì)于故障瞬間，同步調(diào)相機(jī)對(duì)過(guò)電壓的抑制能力明顯優(yōu)于STATCOM。因此，系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障后，結(jié)合實(shí)際工程情況切除無(wú)功補(bǔ)償裝置的措施，同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功支撐能力優(yōu)于STATCOM。

圖12 單極閉鎖故障下考慮切除部分濾波器后送端交流系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation result of sending-side AC system with removal of part of filters under mono-polar blocking fault

綜上可知，在換流站單極閉鎖時(shí)是否切除交流側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置兩種場(chǎng)景下，相比于STATCOM，同步調(diào)相機(jī)在故障發(fā)生時(shí)具有較強(qiáng)的無(wú)功暫態(tài)電流支撐能力，對(duì)故障瞬間系統(tǒng)的過(guò)電壓抑制效果更為明顯。然而受勵(lì)磁控制系統(tǒng)的低勵(lì)磁限制作用，故障穩(wěn)態(tài)期間同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力弱于STATCOM。

為了進(jìn)一步從經(jīng)濟(jì)性上考慮同步調(diào)相機(jī)的投運(yùn)成本，圖13 給出了不同容量的同步調(diào)相機(jī)在高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障后的應(yīng)用效果?？梢钥闯?，隨著同步調(diào)相機(jī)額定容量的降低，其對(duì)送端公共連接點(diǎn)電壓的抑制能力有所降低。對(duì)比容量200 MV·A 和300 MV·A 的2 組機(jī)組可以發(fā)現(xiàn)，其對(duì)故障瞬間的暫態(tài)過(guò)電壓抑制效果相差不大，均優(yōu)于STATCOM，故從經(jīng)濟(jì)角度考慮可適當(dāng)減少裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)的容量以減小成本。

圖13 單極閉鎖故障下裝設(shè)不同容量調(diào)相機(jī)時(shí)的送端交流系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓Fig.13 PCC voltage of sending-side AC system with synchronous condensers of different capacities under mono-polar blocking fault

4 結(jié)論

本文對(duì)單極閉鎖故障下同步調(diào)相機(jī)和STAT-COM 在高壓直流輸電送端系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比，得出結(jié)論如下：

（1）對(duì)于相同額定容量的調(diào)相機(jī)與STATCOM，當(dāng)高壓直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障后，由于STATCOM 采用電壓、電流雙環(huán)控制，其暫態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，而同步調(diào)相機(jī)基于其固有的電磁暫態(tài)特性，在故障發(fā)生瞬間及故障后一段時(shí)間以內(nèi)具有較強(qiáng)的故障暫態(tài)電流支撐能力，能夠在故障后迅速做出響應(yīng)，因此其相比于STATCOM 系統(tǒng)具有更好故障暫態(tài)響應(yīng)能力。但在穩(wěn)態(tài)情況下，由于調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的低勵(lì)限制,其提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的能力卻弱于STATCOM 系統(tǒng)。

（2）實(shí)際情況下，系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖后，送端控制系統(tǒng)會(huì)切除部分無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)平衡系統(tǒng)的無(wú)功功率，但無(wú)功補(bǔ)償裝置的切除需要延時(shí)約200 ms，在該時(shí)間段內(nèi)主要考慮暫態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓的抑制能力。由于STATCOM 故障暫態(tài)響應(yīng)能力較差，相比之下裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)具有更好的暫態(tài)過(guò)電壓抑制效果，因此在送端裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)更合適。此外，適當(dāng)減小所裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)的容量也可有效抑制故障過(guò)電壓，同時(shí)還可以減小經(jīng)濟(jì)成本。