換相失敗下直流送端SVC無功反調(diào)機理分析及控制策略研究

李志，韓穎，李巖松，馬建軍，劉君

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

目前，高壓直流輸電技術(shù)被廣泛應(yīng)用于我國“西電東送”工程中，該技術(shù)使得我國“三北”地區(qū)清潔能源的開發(fā)與消納成為可能[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，由于含有高比例新能源的直流送出系統(tǒng)相對薄弱，直流故障引起的無功波動導(dǎo)致送端電網(wǎng)電壓劇烈變化，這會影響到送端交流電網(wǎng)新能源的運行，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)斐尚履茉吹臒o序脫網(wǎng)，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[4-5]。動態(tài)無功補償對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，直流送端系統(tǒng)投運的新能源場站均配置了大量的動態(tài)無功補償設(shè)備，但是研究表明新能源場站配置的靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)等動態(tài)無功補償和新能源換流器本身存在反調(diào)特性，在低電壓時，其發(fā)出滯相無功；故障清除，系統(tǒng)過電壓時，進相無功無法立即跟上，仍發(fā)出滯相無功，進而抬高了過電壓[6]。SVC無功反調(diào)特性不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，研究該現(xiàn)象的內(nèi)在機理并采取相應(yīng)的抑制措施至關(guān)重要。

無功反調(diào)現(xiàn)象最早被發(fā)現(xiàn)于風(fēng)電場運行中[7]，后來也有人稱之為無功錯位補償效應(yīng)[8]。風(fēng)電場無功補償普遍采用在主變壓器低壓側(cè)裝設(shè)SVC的方式，但我國多個裝設(shè)SVC的風(fēng)場出現(xiàn)“二次跳機”的現(xiàn)象，即電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，大量風(fēng)機由于低電壓穿越能力不足而脫網(wǎng)，故障切除時，又有部分風(fēng)機因高電壓保護動作脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，SVC的無功反調(diào)特性是導(dǎo)致二次跳機的原因。

針對SVC無功反調(diào)問題，文獻[7]提出電網(wǎng)故障后延遲閉鎖SVC策略，但沒有給出啟動該策略的觸發(fā)條件；文獻[8]通過修改仿真參數(shù)分析SVC暫態(tài)響應(yīng)，驗證其具備該效應(yīng)，并通過變參數(shù)調(diào)節(jié)和緊急閉鎖控制策略以抑制該效應(yīng)；文獻[9-10]指出SVC無功調(diào)節(jié)的滯后性是無功反調(diào)現(xiàn)象的根本原因，但是缺乏對滯后特性及其原因的分析與研究；文獻[11]通過合理配置FC與TCR容量，對FC的切換和TCR觸發(fā)角進行優(yōu)化控制，降低了后續(xù)換相失敗的風(fēng)險，同時一定程度上抑制了SVC反調(diào)現(xiàn)象。

除此之外，也有文獻分析證明了在直流外送系統(tǒng)中配置同步調(diào)相機可以比電力電子補償設(shè)備更有效地抑制直流故障引起的電壓無功波動[12-15]。目前，國網(wǎng)公司將在扎青、酒湖等直流工程送端系統(tǒng)中配備同步調(diào)相機[16]，隨之而來的送端系統(tǒng)的動態(tài)無功補償配置成為了直流工程中的主要研究方向之一。

綜上，針對無功反調(diào)現(xiàn)象，著重分析SVC在直流送端系統(tǒng)下的暫態(tài)無功響應(yīng)，從控制系統(tǒng)暫態(tài)特性的角度分析，揭示了SVC響應(yīng)滯后的本質(zhì)原因，為以后設(shè)計SVC控制系統(tǒng)提供參考。在此基礎(chǔ)上，針對FC/TCR型靜止無功補償器提出電容器投切控制策略，從而抑制無功反調(diào)給系統(tǒng)帶來的不利影響。

1 SVC工作原理

1.1 概述

無功補償對于我國“西電東送”戰(zhàn)略至關(guān)重要，目前，我國“青海、新疆等地綠色電力送出”系統(tǒng)中投運了大量動態(tài)無功補償設(shè)備，其中SVC主要用于補償新能源場站的無功缺額。例如在風(fēng)電場中，SVC主要裝設(shè)于主變低壓側(cè)，主要的功能是可以動態(tài)調(diào)節(jié)輸出的無功電流，幫助風(fēng)場在故障后的電壓恢復(fù)，從而提高并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定性、提高輸電線路輸送能力和改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等[17-19]。

目前，直流送端系統(tǒng)投運的新能源場站所配置的動態(tài)無功補償設(shè)備存在無功反調(diào)特性，該特性會助增直流故障引起的交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓，極大地威脅了送端電網(wǎng)的運行。

1.2 SVC一次系統(tǒng)

靜止無功補償器SVC[20]有多種基于晶閘管的控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這些結(jié)構(gòu)包括晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、濾波電容器或固定電容器(FC)、機械投切電容器(MSC)等。通常SVC是這幾種裝置的組合，如TCR+FC、TCR+TSC、TCR+MSC等。其補償原理是通過一定的控制方法控制晶閘管的導(dǎo)通角度改變SVC輸出電納值，從而提供所需的無功功率[21]。

圖1 SVC結(jié)構(gòu)

1.3 控制系統(tǒng)

電壓閉環(huán)控制是常用的SVC控制方法。控制系統(tǒng)通過控制晶閘管導(dǎo)通角平滑控制TCR等效電感，從而動態(tài)調(diào)整SVC輸出的無功功率來調(diào)節(jié)所連接母線的電壓。

SVC控制系統(tǒng)檢測系統(tǒng)的電氣量，依據(jù)給定參考輸入的大小產(chǎn)生相應(yīng)的晶間管觸發(fā)角，以調(diào)節(jié)補償器吸收掉的無功功率。以電壓閉環(huán)控制為例，測量元件將系統(tǒng)電壓反饋給控制系統(tǒng)，計算所得的電壓偏差經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成控制指令，該指令可以控制SVC晶閘管觸發(fā)角度，從而最終調(diào)節(jié)無功輸出。該控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SVC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電壓調(diào)節(jié)器是SVC控制器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，作用過程為：將實時測量所得到的系統(tǒng)電壓值U，與參考信號Uref相比較，然后將誤差信號輸入到電壓控制器，輸出標(biāo)么值電納BSVC，此電納信號可以控制誤差減小，并最終達到穩(wěn)態(tài)誤差為零。電納信號BSVC送到觸發(fā)脈沖發(fā)生電路，平滑的調(diào)整TCR觸發(fā)角，從而可以調(diào)整SVC裝置的電納值，實現(xiàn)SVC無功出力的平滑調(diào)節(jié)。

2 SVC暫態(tài)運行特性研究

2.1 換相失敗引起的送端電網(wǎng)暫態(tài)電壓特性分析

對于高壓直流輸電系統(tǒng)，暫態(tài)期間送端交流系統(tǒng)母線電壓變化為：

(1)

式中 ΔU為換流站交流母線暫態(tài)電壓變化率；ΔQ為換流站與交流系統(tǒng)無功交換變化量；Sd為換流站交流母線的短路容量。

換流站消耗的無功功率為：

(2)

式中α為觸發(fā)角；μ為換相角；I為直流電流；Udio為理想空載直流電壓。交直流系統(tǒng)運行中的換相失敗故障會引發(fā)直流側(cè)短路，直流電流迅速增加，整流側(cè)換流器在此期間消耗的無功功率瞬間增大，導(dǎo)致交流系統(tǒng)出現(xiàn)無功缺額，交流母線電壓降低；整流站配備的電流控制環(huán)節(jié)使得直流電流迅速減少，換流站配備的濾波器所發(fā)出的無功全部注入整流側(cè)交流電網(wǎng)，從而出現(xiàn)暫態(tài)過電壓[22]。

因此，換相失敗引發(fā)的系統(tǒng)故障期間，直流送出交流系統(tǒng)母線電壓會呈現(xiàn)出“先低后高”的變化規(guī)律。基于CIGRE模型進行換相失敗仿真，得到的送端交流系統(tǒng)母線電壓波形如圖3所示。

圖3 送端系統(tǒng)典型電壓波形“先低后高”

2.2 控制系統(tǒng)特性分析

針對典型的SVC控制系統(tǒng)模型進行特性分析，該控制系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 SVC控制系統(tǒng)模型

其中參考電壓與系統(tǒng)電壓有效值作差后得到電壓偏差，經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)、兩個超前滯后環(huán)節(jié)和快速調(diào)控模塊得到SVC等效電納值。其中，快速調(diào)控模塊作用相當(dāng)于一個分段函數(shù)，在電壓偏差介于閾值DVLO和DVHI之間時，該模塊輸出的SVC等效電納值等于超前滯后環(huán)節(jié)的輸出值；而當(dāng)電壓偏差超過閾值DVLO和DVHI時，迅速調(diào)節(jié)SVC等效電納值為極值，以達到電壓急劇跌落或上升時快速響應(yīng)目的。表1給出了控制系統(tǒng)典型控制參數(shù)數(shù)值。

根據(jù)表1給出的SVC控制系統(tǒng)典型參數(shù)及SVC控制框圖可見：兩個超前滯后環(huán)節(jié)分子分母相等；若電壓偏差介于閾值-0.2～0.2之間，則快速調(diào)控模塊輸出值等于輸入值。當(dāng)電壓偏差不超過±0.2時，可以得到SVC控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)表達式如下：

表1 控制系統(tǒng)典型參數(shù)

(3)

選取典型的控制參數(shù)帶入傳遞函數(shù)表達式，可以計算得到控制系統(tǒng)傳函幅頻特性與相頻特性，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)傳函的波特圖

從圖5中可以看出，該參數(shù)下控制系統(tǒng)傳函在各個頻段下均呈現(xiàn)出負(fù)相頻特性，對于不同頻率的正弦輸入信號，在該控制系統(tǒng)作用下會產(chǎn)生不同程度的滯后效應(yīng)。接下來推導(dǎo)滯后時間與輸入信號頻率的關(guān)系，以頻率為自變量，可得傳函表達式如下：

(4)

從而得到滯后相位為：

(5)

根據(jù)式(5)，不同頻率的輸入信號在控制系統(tǒng)作用下的滯后時間可以由下式確定：

(6)

將典型參數(shù)T1= 0.02 s、T2= 0.06 s帶入式(6)，可得控制系統(tǒng)滯后時間和輸入信號之間的關(guān)系，如圖6所示。對“先低后高”型電壓波形進行傅里葉分解，結(jié)果如圖7所示。

圖6 滯后時間隨輸入信號頻率變化關(guān)系

圖7 電壓波形傅里葉分解結(jié)果

圖6、圖7表明：輸入信號頻率越低，在SVC控制系統(tǒng)作用下的滯后效應(yīng)越明顯；而“先低后高”型電壓諧波分量主要集中在低頻頻段。因此當(dāng)該電壓誤差信號作為SVC控制系統(tǒng)輸入信號時，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后。由此可知，當(dāng)直流系統(tǒng)換相失敗引起的送端電網(wǎng)電壓波動時，SVC無功電壓響應(yīng)滯后，從而可能會助增送端交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓[23]。

2.3 SVC無功反調(diào)機理分析

由于SVC響應(yīng)滯后，故障期間SVC先是保持其晶閘管觸發(fā)角不變，根據(jù)式(10)可知SVC的等效電納也保持不變，因此電壓跌落會導(dǎo)致SVC輸出無功功率減少；故障消除后系統(tǒng)電壓恢復(fù)期間，SVC開始低壓響應(yīng)，增發(fā)的無功功率助增了系統(tǒng)過電壓，威脅到送端系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

暫態(tài)期間FC-TCR型SVC所發(fā)無功由式(7)確定，其中QSVC為SVC所發(fā)無功，QC為固定電容器所發(fā)無功，QTCR為TCR所吸收無功：

QSVC(t)=QC(t)-QTCR(t)

(7)

進一步的，式(7)可表示成式(8)，其中BC為固定電容器的電納值，BTCR為TCR等效電納值，U為SVC并網(wǎng)點電壓：

QSVC(t)=[BC-BTCR(t)]·U2(t)

(8)

考慮在電壓最高點所對應(yīng)的時刻對式(8)求導(dǎo)，再聯(lián)立式(9)、式(10)可得式(11)。

(9)

(10)

(11)

式中BTCR為TCR等效電納；α為晶閘管觸發(fā)角度；XL為TCR最大電感值。觀察式(11)可知QSVC的導(dǎo)數(shù)與晶閘管觸發(fā)角的導(dǎo)數(shù)同號，因此在電壓最高點時刻，當(dāng)TCR觸發(fā)角變化率為正時將產(chǎn)生無功反調(diào)現(xiàn)象。

3 電容器投切控制策略

3.1 電容器投切控制邏輯

針對SVC無功反調(diào)帶來的不利影響，提出一種抑制直流換相失敗故障下弱送端系統(tǒng)FC-TCR型SVC無功反調(diào)控制策略，其控制邏輯如圖8所示。故障發(fā)生，當(dāng)檢測到FC-TCR型SVC接入點電壓低于某一值時，滿足策略啟動的初步條件；故障結(jié)束后電壓恢復(fù)期間，當(dāng)檢測到FC-TCR型SVC接入點電壓恢復(fù)至Umax以上且電壓有效值變化率為正時，斷開固定電容器；在接入點電壓恢復(fù)穩(wěn)定后，將固定電容器投入運行。

圖8 電容器投切控制邏輯

3.2 仿真驗證

3.2.1 無功反調(diào)現(xiàn)象仿真

基于CIGRE直流輸電模型[24]，在整流母線處加裝FC-TCR型SVC提供無功補償，在逆變側(cè)交流母線增設(shè)單相接地故障引發(fā)單次換相失敗，故障發(fā)生時刻為2 s，持續(xù)時間0.1 s，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 仿真電路模型

整流側(cè)交流母線電壓有效值及FC-TCR型SVC發(fā)出的無功波形如圖10所示，暫態(tài)期間TCR觸發(fā)角變化波形如圖11所示，其中系統(tǒng)電壓在2.077 s到達峰值，而TCR觸發(fā)角在該時刻變化率為正，仿真結(jié)果符合3.3節(jié)理論解釋。

圖10 送端系統(tǒng)電壓及SVC發(fā)出無功

圖11 TCR觸發(fā)角波形

3.2.2 電容器投切控制策略仿真

當(dāng)采用電容器投切控制策略時，整流側(cè)交流母線電壓有效值及FC-TCR型SVC發(fā)出的無功波形如圖12所示，從圖中可見2.05 s左右電容器控制策略啟動，SVC所發(fā)無功瞬間減少，從而避免助增了系統(tǒng)暫態(tài)過電壓。從圖13可以看出，未采取電容器投切控制策略時，整流母線暫態(tài)電壓數(shù)值達到1.17 p.u.，采取電容器投切控制策略時，整流母線暫態(tài)電壓數(shù)值降至1.13 p.u.，說明該策略可以有效抑制SVC無功反調(diào)助增過電壓的現(xiàn)象，有利于送端電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

圖12 采用該策略時送端系統(tǒng)電壓及SVC發(fā)出無功

圖13 SVC并網(wǎng)點電壓對比曲線

4 結(jié)束語

(1)直流換相失敗故障會引發(fā)送端交流系統(tǒng)電壓呈現(xiàn)“先低后高”的變化規(guī)律，該信號諧波分量主要集中在低于50 Hz的低頻段；

(2)SVC典型控制系統(tǒng)在低頻段呈現(xiàn)負(fù)相頻特性，輸入低頻信號時會產(chǎn)生一定的滯后效應(yīng)，滯后時間可達80 ms；

(3)滯后效應(yīng)使得SVC在電壓恢復(fù)期間響應(yīng)較慢，在過電壓階段的低壓響應(yīng)使得SVC增發(fā)無功，從而助增了系統(tǒng)過電壓；

(4)投切電容器的控制策略通過在電壓恢復(fù)階段切除部分電容器，可以有效地抑制SVC無功反調(diào)現(xiàn)象，并降低送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓。