同步調(diào)相機應(yīng)用于內(nèi)蒙古電網(wǎng)的仿真分析

慕騰，邢華棟，楊志國，郭裕，雷軻

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)作為我國重要的清潔能源基地，能源富集、區(qū)位優(yōu)勢明顯，具備向中東部經(jīng)濟發(fā)達省區(qū)外送電力的優(yōu)越條件。但新能源的波動性、隨機性導致電網(wǎng)穩(wěn)定特性復雜，不確定性增加[1-3]。同時，伴隨著高比例新能源接入及區(qū)域間送電容量的增大，動態(tài)無功不足的問題凸顯[4-5]。

文獻[6]研究了大規(guī)模新能源接入后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，指出無功調(diào)節(jié)的重要性。文獻[7-8]研究了直流送端系統(tǒng)發(fā)生閉鎖故障引發(fā)風機高壓脫網(wǎng)的機制及應(yīng)對措施，同時指出制約直流送端的關(guān)鍵因素，即短路容量、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及動態(tài)無功支撐。針對上述問題，調(diào)相機作為旋轉(zhuǎn)元件，對提升短路容量、無功支撐方面具有獨特優(yōu)勢[9-10]。文獻[9]基于特高壓直流工程從增大系統(tǒng)短路比、降低新能源高壓脫網(wǎng)風險、抑制穩(wěn)態(tài)過電壓等角度研究了調(diào)相機在特高壓直流送端的應(yīng)用效果。文獻[10]分析了大容量調(diào)相機接入河南電網(wǎng)的可行性。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)近年來新能源裝機容量逐年增加，轉(zhuǎn)動慣量降低，頻率變化加快，越限風險增加[11-12]。而上海廟特高壓直流系統(tǒng)由于暫態(tài)過電壓導致新能源匯集站脫網(wǎng)，從而影響直流輸送功率。同時，部分新能源匯集站由于風電波動，導致實際運行過程中調(diào)壓困難。為此，本文結(jié)合內(nèi)蒙古電網(wǎng)實際運行需求，基于上海廟特高壓直流送端系統(tǒng)與錫林郭勒電網(wǎng)灰騰梁變電站，仿真分析了調(diào)相機在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的應(yīng)用效果，為電網(wǎng)后續(xù)發(fā)展提供參考。

1 同步調(diào)相機運行原理及特性

同步調(diào)相機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，新一代大容量調(diào)相機克服了傳統(tǒng)調(diào)相機容量小、維護頻繁、瞬時無功支撐與無功響應(yīng)慢的缺點，在新能源送端、直流饋入受端得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 同步調(diào)相機結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 同步調(diào)相機運行原理

同步調(diào)相機通過調(diào)節(jié)勵磁電流來輸出相應(yīng)性質(zhì)的無功。其幾乎只輸出容性或感性無功功率，接近于零功率因數(shù)運行，吸收少量的有功功率用于自身損耗。正常運行時調(diào)相機有功功率幾乎為零，因此發(fā)電機功角為零，其穩(wěn)態(tài)電壓方程如下[13]：

式中：Eq為發(fā)電機勵磁電勢相量；U為調(diào)相機機端電壓；Xd為發(fā)電機d軸同步電抗；I為定子電流相量。

圖2為同步調(diào)相機無功相量圖，正常勵磁時I為零，Eq與U如圖2（a）所示，當勵磁電流增大，Eq隨之增大，此時調(diào)相機處于過勵磁狀態(tài)，I滯后U，調(diào)相機發(fā)出感性無功；當勵磁電流減小，Eq隨之減小，調(diào)相機處于欠勵磁狀態(tài)，I超前于U。根據(jù)勵磁電流變化，調(diào)相機實現(xiàn)感性與容性無功的輸出。

圖2 同步調(diào)相機無功相量圖

1.2 同步調(diào)相機運行特性

圖3為發(fā)生故障時，調(diào)相機在次暫態(tài)、暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)過程中為電網(wǎng)提供動態(tài)無功支撐情況。

1.2.1 次暫態(tài)特性

當系統(tǒng)故障引起交流母線電壓降低，同步調(diào)相機改變其無功輸出、維持機端電壓恒定，無功輸出公式如下[14-16]：

式中：ΔQ為無功變化量；Q為故障后無功；Q0、U0、Id0為故障前的無功、電壓、電流；ΔU為調(diào)相機機端電壓變化量；ΔId為故障后定子電流增量。

根據(jù)式（2）可知，Q、Q0、ΔQ僅與系統(tǒng)故障前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)相關(guān)，調(diào)相機在次暫態(tài)過程中的關(guān)鍵參數(shù)為定子電流增量ΔId。

1.2.2 暫態(tài)特性

調(diào)相機暫態(tài)特性與自身調(diào)節(jié)和勵磁調(diào)節(jié)器相關(guān)，故障時勵磁調(diào)節(jié)器改變其勵磁電流，實現(xiàn)機組瞬間容性/感性無功輸出調(diào)節(jié)。

當系統(tǒng)故障時，調(diào)相機進入強勵狀態(tài)，為系統(tǒng)提供無功支撐，保障系統(tǒng)暫態(tài)過程安全穩(wěn)定。同時，初始無功增量越大，對系統(tǒng)支撐能力越強。

1.2.3 穩(wěn)態(tài)特性

同步調(diào)相機穩(wěn)態(tài)情況下，穩(wěn)態(tài)無功輸出模型如下：

式中：Eq為調(diào)相機勵磁電勢值；U為機端電壓值；Xd為調(diào)相機d軸同步電抗。

2 同步調(diào)相機在內(nèi)蒙古電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

本文以規(guī)劃中的上海廟特高壓直流系統(tǒng)與錫林郭勒電網(wǎng)灰騰梁500 kV變電站為算例，對同步調(diào)相機在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的應(yīng)用前景進行探討。

2.1 上海廟特高壓直流系統(tǒng)仿真分析

上海廟特高壓直流輸電工程輸送容量為10 000 MW，送端換流站通過三回交流線路與寧夏電網(wǎng)相連，受端接入山東電網(wǎng)。其中可再生能源基地一期新能源建設(shè)布局為：阿拉善盟建設(shè)風電1600 MW（敖倫布拉格新能源匯集站），巴彥淖爾市建設(shè)風電1600 MW（海力素新能源匯集站），鄂爾多斯市建設(shè)風電600 MW（伊和烏素新能源匯集站）、光伏200 MW，新能源匯集站投資、建設(shè)、維護均由內(nèi)蒙古電網(wǎng)負責。上海廟特高壓直流系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上海廟特高壓直流系統(tǒng)網(wǎng)架簡圖

考慮配套電源建設(shè)時序，上海廟特高壓直流輸送功率為6000 MW，風電出力60%。海力素新能源匯集站位于系統(tǒng)最末端，當直流換相失敗后，風機暫態(tài)過電壓現(xiàn)象突出，嚴重制約新能源送出能力，因此，考慮在海力素新能源匯集站加裝一臺300 Mvar調(diào)相機。

2.1.1 系統(tǒng)短路容量

加裝調(diào)相機前后上海廟特高壓直流系統(tǒng)短路容量如表1所示。由表1可知，加裝調(diào)相機后，海力素新能源匯集站短路容量增加1133 MVA，短路電流增加1.25 kA?？梢娬{(diào)相機可以提升系統(tǒng)短路容量，增強交流電網(wǎng)的支撐能力。

表1 上海廟特高壓直流系統(tǒng)短路容量情況

2.1.2 抑制暫態(tài)過電壓

當系統(tǒng)發(fā)生受端線路故障時，交流母線電壓迅速跌落，引發(fā)上海廟特高壓直流系統(tǒng)換相失敗，導致送端交流濾波器盈余大量無功返送至交流系統(tǒng)，造成海力素新能源匯集站風機脫網(wǎng)。根據(jù)工程要求，風機電壓脫網(wǎng)標準為高于1.3（p.u.）[17]。

由圖5可知，交流系統(tǒng)故障引發(fā)直流換相失敗后，受無功倒送影響，無調(diào)相機時海力素新能源匯集站風機端口電壓最高升至1.36（p.u.），超出上限，導致風機脫網(wǎng)。而加裝調(diào)相機后，海力素新能源匯集站暫態(tài)電壓最高升至1.28（p.u.），有效避免了風機高電壓脫網(wǎng)。

圖5 加裝調(diào)相機前后海力素新能源匯集站風機端口電壓

圖6為同步調(diào)相機無功輸出曲線，調(diào)相機在故障發(fā)生后10~30 ms內(nèi)迅速增加1.5~1.6倍的額定無功，具有良好的次暫態(tài)瞬時無功響應(yīng)特性，為系統(tǒng)提供有力的動態(tài)無功支撐。

圖6 同步調(diào)相機無功功率輸出曲線

2.1.3 抑制穩(wěn)態(tài)過電壓

在系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障后，送端系統(tǒng)無功過剩，導致系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓；加裝調(diào)相機后，發(fā)生直流單極閉鎖，系統(tǒng)電壓變化情況如圖7所示。

圖7 加裝調(diào)相機前后海力素新能源匯集站風機端口電壓對比

由圖8可知，故障發(fā)生后，無調(diào)相機時海力素新能源匯集站穩(wěn)態(tài)壓約升25 kV，易造成過電壓。利用調(diào)相機進相能力可吸收多余無功，維持系統(tǒng)電壓處于合理水平，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖8 單極閉鎖故障后同步調(diào)相機無功輸出

2.2 錫林郭勒地區(qū)仿真分析

錫林郭勒東部地區(qū)（網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖9所示）以塔拉500 kV變電站為電源點，向巴彥烏拉、高力罕、九連等7座220 kV變電站供電。灰騰梁地區(qū)為風電集中區(qū)域，風電匯集至灰騰梁500 kV變電站，消納裝機容量約1 491.5 MW的清潔能源，通過500 kV汗?！滓舾呃铡因v梁—塔拉作為主網(wǎng)架外送電力。風電大發(fā)情況下，若風速產(chǎn)生波動，必然會對系統(tǒng)電壓、頻率產(chǎn)生一定的影響。

圖9 灰騰梁地區(qū)電網(wǎng)示意圖

設(shè)定灰騰梁地區(qū)風電機組受到風速擾動1 s時風速從100%開始下降，在15 s內(nèi)下降至30%，風速波動曲線與灰騰梁主變壓器上送有功功率變化曲線如圖10、圖11所示。

圖10 灰騰梁地區(qū)風速變化曲線

圖11 灰騰梁變電站主變壓器上送有功功率變化情況

在灰騰梁變電站接入容量為300 Mvar的同步調(diào)相機，以降低風功率波動對電網(wǎng)的影響。加裝調(diào)相機前后的效果對比如圖12所示。由圖12可知，風電輸出功率逐漸下降，母線電壓逐漸升高，無調(diào)相機最高升至1.05（p.u.），通過調(diào)相機進相運行，電壓波動大幅降低，系統(tǒng)電壓處于合理范圍。調(diào)相機無功輸出情況如圖13所示。

圖12 加裝調(diào)相機前后灰騰梁500 kV母線電壓變化情況

圖13 調(diào)相機無功功率輸出情況

3 結(jié)束語

本文以上海廟特高壓直流工程海力素新能源匯集站與灰騰梁變電站為算例，從短路容量、暫態(tài)過電壓、穩(wěn)態(tài)過電壓及風電波動方面進行了仿真分析，驗證了新一代調(diào)相機的動態(tài)無功特性對抑制新能源匯集站過電壓問題的有效性。

新一代大容量調(diào)相機瞬時無功支撐與暫態(tài)特性優(yōu)良，按照“碳達峰、碳中和”目標，“十四五”期間內(nèi)蒙古電網(wǎng)將加快推進可再生能源開發(fā)利用，隨著新能源成倍式增長，低抗擾性、弱動態(tài)支撐能力問題凸顯，調(diào)相機將作為電網(wǎng)動態(tài)支撐，應(yīng)對可再生能源比例逐步增加的系統(tǒng)同步特性退化問題；同時，作為穩(wěn)定可靠的無功電源，調(diào)相機在內(nèi)蒙古電網(wǎng)擁有廣闊的應(yīng)用前景。