同步調(diào)相機(jī)故障對(duì)上海廟—臨沂特高壓直流輸電系統(tǒng)影響的研究

王繼豪，曹志偉，王安東，商攀峰，代海濤

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

特高壓直流輸電技術(shù)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)新能源消納和資源優(yōu)化配置的有效手段，隨著直流輸電容量和輸電距離的增長(zhǎng)，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”問(wèn)題突出，為了維持電網(wǎng)穩(wěn)定，在輸出直流功率的同時(shí)應(yīng)該配套動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備［1-3］。相對(duì)于靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）、精致同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，新型大容量同步調(diào)相機(jī)暫態(tài)和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良、輸出功率不受系統(tǒng)電壓影響、定轉(zhuǎn)子承受過(guò)電流的能力強(qiáng)［4-5］。國(guó)家電網(wǎng)有限公司首批調(diào)相機(jī)規(guī)劃21 站47臺(tái)調(diào)相機(jī)，已投運(yùn)18 站40 臺(tái)調(diào)相機(jī)，有效支撐了特高壓直流輸電的安全穩(wěn)定運(yùn)行；預(yù)計(jì)十四五末，國(guó)家電網(wǎng)有限公司將達(dá)到80臺(tái)調(diào)相機(jī)。

同步調(diào)相機(jī)投運(yùn)初期，由于安裝調(diào)試遺留缺陷或者設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題，山東省外已經(jīng)發(fā)生了16 次故障跳機(jī)事件。同步調(diào)相機(jī)與站內(nèi)500 kV交流母線直接相連，耦合緊密，應(yīng)對(duì)調(diào)相機(jī)故障足夠重視并評(píng)估調(diào)相機(jī)發(fā)生各種故障對(duì)特高壓直流輸電的影響。

目前關(guān)于同步調(diào)相機(jī)故障分析的研究主要關(guān)注調(diào)相機(jī)本體及輔助系統(tǒng)故障機(jī)理及對(duì)本體的影響，如勵(lì)磁系統(tǒng)故障分析［6］、定子繞組匝間短路故障診斷［7］、定子線棒水路堵塞溫度場(chǎng)分析［8］等，而針對(duì)調(diào)相機(jī)故障對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)影響的研究較少。

為此，以±800 kV上海廟—臨沂分層接入特高壓直流輸電工程為依托，系統(tǒng)梳理全網(wǎng)調(diào)相機(jī)故障案例并進(jìn)行歸類，采用PSCAD 軟件建立分層接入特高壓直流直流輸電系統(tǒng)仿真模型，重點(diǎn)研究調(diào)相機(jī)失磁、甩負(fù)荷、出口短路故障對(duì)特高壓直流輸電的影響，以期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維有所幫助。

1 特高壓直流輸電系統(tǒng)

±800 kV 上海廟—臨沂特高壓直流輸電工程包括兩級(jí)（極Ⅰ和極Ⅱ），每一極包括2個(gè)12脈動(dòng)閥廳。伊克昭換流站為送端，配置1 個(gè)交流濾波器場(chǎng)；沂南換流站為受端，低端、高端閥廳分別通過(guò)換流變壓器接入2個(gè)交流系統(tǒng)，并配置有2個(gè)交流濾波器場(chǎng)。此外，沂南換流站配置有3 臺(tái)300 Mvar 同步調(diào)相機(jī)［9］?；赑SCAD建模，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 特高壓直流輸電原理

系統(tǒng)等效電路如圖2 所示，系統(tǒng)等效電路參數(shù)含義如表1所示。

表1 系統(tǒng)等效電路參數(shù)含義

圖2 系統(tǒng)等效電路

正常運(yùn)行時(shí)，直流電流為

送端的傳輸功率為

受端接收的功率為

直流系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)α、β，在1～10 ms 內(nèi)快速大幅調(diào)節(jié)直流電流、電壓和功率［10］。

1.2 直流輸電控制策略

送端配置有帶最小觸發(fā)角（5°）控制的定電流控制，受端配備有定電流控制（電流定值比送端小10%）、電流偏差控制（Current Error Controller，CEC）和定關(guān)斷角控制。為了在系統(tǒng)故障時(shí)限制直流線路過(guò)電流、加快故障恢復(fù)，受端還配有低壓限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）。正常情況下，送端主要采用定電流控制，受端主要采用定關(guān)斷角控制，實(shí)現(xiàn)送受端的協(xié)調(diào)配合［11-12］。直流輸電控制策略如圖3所示。

圖3 特高壓直流輸電控制策略

1.3 換相失敗控制策略

常規(guī)特高壓直流輸電系統(tǒng)受端的低端、高端閥廳均接入相同電壓等級(jí)的交流系統(tǒng)，而上海廟—臨沂特高壓直流輸電系統(tǒng)受端高、低端閥廳分別接入2個(gè)交流系統(tǒng)，2個(gè)閥廳存在一定的耦合：一是2個(gè)電壓等級(jí)的交流系統(tǒng)存在一定的耦合，一個(gè)交流系統(tǒng)故障會(huì)引起另一個(gè)電網(wǎng)擾動(dòng)；二是高端、低端閥廳通過(guò)相同的直流電流，一個(gè)閥廳換相失敗會(huì)對(duì)另一個(gè)閥廳造成沖擊，進(jìn)而增大了換相失敗發(fā)生概率［13］。沂南換流站在常規(guī)換流站換相失敗預(yù)測(cè)控制措施（例如基于零序電壓、αβ變換、諧波電壓原理、等關(guān)斷面積法、六脈動(dòng)橋電流判據(jù)等換相失敗預(yù)測(cè)控制措施）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了增加或改進(jìn)［9］，下面介紹增加或改進(jìn)的措施。

1.3.1 閥廳間交換換相失敗預(yù)測(cè)信息策略

當(dāng)同極高端或低端閥廳換相失敗預(yù)測(cè)控制啟動(dòng)后，會(huì)及時(shí)通過(guò)閥廳控制主機(jī)間通信將換相失敗預(yù)測(cè)啟動(dòng)信號(hào)和預(yù)測(cè)的角度增大值傳送至同極另一個(gè)閥廳控制主機(jī)，及時(shí)增大另一閥廳的熄弧角，防止換相失敗發(fā)生。

1.3.2 配置雙重?fù)Q相失敗預(yù)測(cè)控制模塊

沂南換流站控制程序中將基于零序電壓判據(jù)、αβ變換電壓判據(jù)的換相失敗預(yù)測(cè)控制措施封裝在一個(gè)控制模塊（定義為換相失敗預(yù)測(cè)控制模塊，其他換相失敗預(yù)測(cè)控制措施不在該控制模塊中）。2 個(gè)不同電壓等級(jí)交流電網(wǎng)的母線電壓測(cè)量值同時(shí)接入高端和低端閥廳，每個(gè)閥廳均配置兩個(gè)換相失敗控制模塊，同步檢測(cè)兩個(gè)交流系統(tǒng)異常，熄弧角的增加量取兩個(gè)模塊的最大值。

1）零序電壓判據(jù)。

當(dāng)受端交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，交流母線電壓中的零序電壓分量滿足判據(jù)啟動(dòng)條件時(shí)，則增大熄弧角，避免換相失敗。

啟動(dòng)判據(jù)的條件及熄弧角增量為

式中：Ua、Ub、Uc為交流母線三相相電壓標(biāo)幺值；U0為零序電壓分量標(biāo)幺值；?γ為熄弧角增量；k1為增益。

2）αβ變換電壓判據(jù)。

該判據(jù)用于檢測(cè)交流系統(tǒng)三相接地短路故障。首先利用式（6），通過(guò)αβ變換將相電壓映射到αβ平面；然后將擾動(dòng)時(shí)αβ變換輸出值與穩(wěn)態(tài)時(shí)αβ變換輸出值比較，當(dāng)滿足啟動(dòng)條件時(shí)及時(shí)增加熄互角，啟動(dòng)判據(jù)的條件及熄弧角增量如式（6）所示。

式中：Uα、Uβ分別為αβ變換后的兩個(gè)分量；?Uαβ為αβ變換的變化量；t為判斷周期；?γ為熄弧角增量；k2為增益。

3）基于諧波電壓原理的換相失敗預(yù)測(cè)控制措施。

啟動(dòng)判據(jù)：交流電網(wǎng)中2 次、3 次、5 次諧波的任一個(gè)值大于8 kV（500 kV 交流電網(wǎng)）或16 kV（1 000 kV 交流電網(wǎng)）。

動(dòng)作策略：與其他換流站動(dòng)作策略不同（例如青州換流站根據(jù)諧波大小增大γ角），沂南換流站在諧波超過(guò)定值時(shí)僅鎖定交流電壓換相失敗預(yù)測(cè)模塊中所增大的γ角，防止γ角度頻繁波動(dòng)。

以高端閥為例：采集的高端閥組對(duì)應(yīng)的交流系統(tǒng)電壓諧波超過(guò)定值，則鎖定高端閥組換相失敗預(yù)測(cè)模塊輸出的γ角；采集的低端閥組對(duì)應(yīng)的交流電壓諧波超過(guò)定值，則鎖定低端閥換相失敗預(yù)測(cè)模塊輸出的γ角。

4）配置直流電流上升率檢測(cè)模塊。

單個(gè)閥廳換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流電流瞬間升高，可能導(dǎo)致另一個(gè)閥廳隨之發(fā)生換相失敗。因此，可通過(guò)檢測(cè)直流電流上升的速度判斷是否發(fā)生換相失敗，及時(shí)增加觸發(fā)角，防止換相失?。?4］。該判據(jù)啟動(dòng)條件為滿足式（7）且保持2 ms時(shí)，增大γ角5°。

式中：Id為直流電流實(shí)測(cè)值的標(biāo)幺值；Iorder為直流電流指令值。

綜上，受端換流閥換相失敗預(yù)測(cè)控制策略如圖4所示。

圖4 沂南站換向失敗預(yù)測(cè)控制策略

1.4 換流變壓器

送端換流變壓器容量為508 MVA，阻抗為21%，變比為530 kV/172.8 kV；受端換流變壓器容量為493.1 MVA，阻抗為20%，低端閥廳對(duì)應(yīng)的換流變壓器變比為1 030 kV/167 kV，高端閥廳對(duì)應(yīng)的換流變壓器變比為530 kV/164.7 kV。換流變壓器的空載特性曲線如圖5所示。

圖5 換流變壓器空載特性曲線

1.5 交流濾波器

受端換流站500 kV、1 000 kV 交流濾波器場(chǎng)包括雙調(diào)諧濾波器HP12/24、三次諧波濾波器HP3、并聯(lián)電容器SC 3種類型的交流濾波器。交流濾波器等效電路如圖6，參數(shù)如表2所示。

圖6 交流濾波器等效電路

表2 交流濾波器參數(shù)

1.6 直流濾波器

送端和受端換流站每極各有兩小組直流濾波器，其中一組為HP6/30 型雙調(diào)諧濾波器，另一組為HP12/24 型雙調(diào)諧濾波器，等效電路如圖7 所示，參數(shù)如表3 所示。

表3 直流濾波器參數(shù)

圖7 直流濾波器

1.7 同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制

同步調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償特性的發(fā)揮受勵(lì)磁系統(tǒng)控制，沂南換流站調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)起主要作用的是快速無(wú)功電壓環(huán)和慢速無(wú)功環(huán)，勵(lì)磁系統(tǒng)策略如圖8 所示。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)慢速無(wú)功環(huán)起主要作用，通過(guò)檢測(cè)調(diào)相機(jī)無(wú)功出力QF、機(jī)端電壓幅值UT與設(shè)定值（Qref、Uref）的偏差，慢速調(diào)節(jié)調(diào)相機(jī)輸出功率；當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電壓跌落超過(guò)限值時(shí)，切除慢速無(wú)功環(huán)，通過(guò)快速電壓環(huán)比較機(jī)端電壓與設(shè)定值，在幾十毫秒的時(shí)間內(nèi)快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率，維持系統(tǒng)電壓［15-16］。

圖8 同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制

2 同步調(diào)相機(jī)故障仿真研究

山東省外調(diào)相機(jī)投運(yùn)以來(lái)先后發(fā)生了16 次跳機(jī)，故障類型主要分為勵(lì)磁系統(tǒng)故障、油水系統(tǒng)故障、調(diào)相機(jī)出口短路故障（升壓變低壓側(cè)封閉母線凝露跳機(jī)、升壓變高壓側(cè)套管閃絡(luò)跳機(jī)）和熱工保護(hù)誤動(dòng)。下面重點(diǎn)研究調(diào)相機(jī)失磁（反映勵(lì)磁系統(tǒng)嚴(yán)重故障）、甩負(fù)荷（反映油水系統(tǒng)故障、熱工保護(hù)誤動(dòng)）、調(diào)相機(jī)出口短路故障對(duì)分層接入特高壓直流輸電的影響。

2.1 調(diào)相機(jī)失磁

令1臺(tái)調(diào)相機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，在30 s時(shí)失磁。為定性分析調(diào)相機(jī)的失磁性特性，暫不考慮保護(hù)跳閘，調(diào)相機(jī)無(wú)功輸出波形如圖9（藍(lán)色）所示。分析可知，由于調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子呈感性，失磁瞬間勵(lì)磁電流不能突然變?yōu)?，無(wú)功功率將緩慢下降。調(diào)相機(jī)失磁性后將由遲相運(yùn)行變?yōu)檫M(jìn)相進(jìn)行，功率從1.0 pu到-0.5 pu大約需要5 s，即失磁導(dǎo)致無(wú)功功率波動(dòng)是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程。

圖9 調(diào)相機(jī)無(wú)功功率仿真波形

進(jìn)一步分析調(diào)相機(jī)失磁對(duì)母線電壓波動(dòng)的影響，在故障發(fā)生0.5 s后跳閘，調(diào)相機(jī)輸出無(wú)功功率及交流母線電壓分別如圖9（紅色）和圖10 所示。分析可知，調(diào)相機(jī)失磁后輸出無(wú)功功率首先由1.0 pu 下降到0.5 pu，跳閘后快速下降到0；交流母線電壓跌落幅值小于1%，直流輸電幾乎不受影響。極端情況下，若調(diào)相機(jī)故障跳閘導(dǎo)致無(wú)功功率損失過(guò)大觸發(fā)控制投入交流濾波器組（秒級(jí)），將進(jìn)一步減弱調(diào)相機(jī)故障的影響。綜上，調(diào)相機(jī)失磁故障的影響很小。

圖10 500 kV交流母線仿真波形

2.2 調(diào)相機(jī)甩負(fù)荷

令1 臺(tái)調(diào)相機(jī)運(yùn)行在1.0 pu 和-0.5 pu 下甩負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)故障瞬間母線電壓跌落最低值或上升的最高值（交流濾波器投退均需要秒級(jí)，故暫不考慮），仿真計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 調(diào)相機(jī)甩負(fù)荷仿真計(jì)算結(jié)果

研究表明，調(diào)相機(jī)甩負(fù)荷會(huì)造成交流母線電壓輕微波動(dòng)，對(duì)直流輸電幾乎沒(méi)有影響。

2.3 調(diào)相機(jī)出口短路

在30 s 時(shí)設(shè)置A 相接地短路，在0.05 s 后切除故障調(diào)相機(jī)（交流濾波器投退均需要秒級(jí)，故暫不考慮）。通過(guò)調(diào)整接地電阻的大小，模擬不同嚴(yán)重程度的單相接地故障。

1）升壓變壓器低壓側(cè)單相接地。

接地電阻大小影響：當(dāng)只有1 臺(tái)調(diào)相機(jī)掛網(wǎng)滿載運(yùn)行時(shí)，主變壓器低壓側(cè)單相接地不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗，但可能導(dǎo)致直流功率的降低；當(dāng)接地電阻大于1 Ω 時(shí)，主變壓器低壓側(cè)接地電阻對(duì)直流的影響很小，仿真數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)

投運(yùn)機(jī)組數(shù)量影響：當(dāng)分別有1～3臺(tái)調(diào)相機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，令其中1臺(tái)機(jī)發(fā)生故障（接地電阻為0），研究表明，投運(yùn)調(diào)相機(jī)數(shù)量越多，500 kV母線電壓、直流電壓、直流功率下降程度和直流過(guò)電流程度越小，故障后系統(tǒng)恢復(fù)速度越快，仿真波形如圖11所示。

圖11 升壓變壓器低壓側(cè)接地短路時(shí)的仿真波形

2）升壓變壓器高壓側(cè)單相接地。

接地電阻大小影響：當(dāng)只有1 臺(tái)機(jī)掛網(wǎng)滿載運(yùn)行時(shí)，接地電阻小于20 Ω 會(huì)引起換相對(duì)失?。唤拥仉娮璐笥?0 Ω 一般不引起換相失敗，但會(huì)引起母線電壓和直流功率大幅波動(dòng)，數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)

投運(yùn)機(jī)組數(shù)量影響：當(dāng)分別有1～3 臺(tái)調(diào)相機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，令1 臺(tái)機(jī)組發(fā)生接地短路故障。研究表明，當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)（接地電阻5 Ω，圖12），直流電壓和電流大跌落程度較大，即便有多臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，也無(wú)法削弱電壓跌落的程度。但在電壓恢復(fù)階段，掛網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)量越多，直流電流和直流功率恢復(fù)越快。

圖12 接地電阻為5 Ω發(fā)生換相失敗時(shí)的波形

當(dāng)未發(fā)生換相失敗時(shí)（接地電阻20 Ω，如圖13），掛網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)量越多，直流功率損失和直流電流波動(dòng)越小，故障恢復(fù)越快。

圖13 接地電阻為20 Ω未發(fā)生換相失敗時(shí)的波形

3 結(jié)語(yǔ)

基于PSACD 仿真平臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際參數(shù)，建立了上海廟—臨沂分層接入特高壓直流輸電工程的計(jì)算模型，研究表明：調(diào)相機(jī)失磁及甩負(fù)荷對(duì)直流輸電影響很小；主變壓器低壓側(cè)接地短路故障一般不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗，但可能導(dǎo)致直流功率大幅下降；主變壓器高壓側(cè)短路故障大概率會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)有2 臺(tái)以上調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)，能夠減少交流母線和直流功率跌落程度，加快故障恢復(fù)過(guò)程，充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)緊急無(wú)功支撐作用。因此，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)該加強(qiáng)運(yùn)維檢修，采取措施重點(diǎn)避免調(diào)相機(jī)出線罩至主變壓器升壓側(cè)區(qū)間出現(xiàn)接地短路故障。