300MVar新型空冷调相机在双极闭锁过程中无功出力过程分析

朱鹏飞，阎乃臣，张冲，王群锋

（1.国网河南省电力公司检修公司，河南 郑州 450000；2.国网内蒙古东部电力公司检修公司，内蒙古 通辽 028000）

0 引言

目前我国电网“强直弱交”特性明显，强直弱交型混联电网失稳，其核心仍为交流电网失去稳定，表现为故障冲击下交流电网的有功、无功不能达到平衡，电网中发电机功角、母线电压、系统频率等关键电气量大幅变化，且无法恢复至新的运行状态[1-6]。在众多的无功调节设备中，指出新型大容量调相机由于其在电网故障时电压快速调节能力而受到越来越多的关注[7-10]。

本文结合近期鲁固直流输电线路故障，线路重启不成功后双极相继闭锁的案例，分析了直流输电线路双极相继闭锁电压无功变化情况，验证调相机在直流输电过程中的作用。

1 事故简介

2018-03-24，鲁固直流双极大地回线1454MW运行，#1调相机运行，#2调相机检修；额定容量为295MVar的交流滤波器投入3组，90MVar低压电抗器投入5组，其它设备运行正常。17:31:12:165极2行波保护动作，线路故障第一次移相重启不成功，线路电压低于低电压定值，线路低电压保护动作线路第二次移相重启，重启失败极2阀控闭锁直流系统，功率转带至极1成功。17:57:39:310极1保护线路低电压动作，第一次移相重启成功。5s后再次发生故障，即17:57:44:372线路低电压保护动作启动控制系统第二次移相重启，第二次重启过程中再次发生故障，线路低电压保护动作启动控制系统第三次重启，控制系统闭锁本极，功率损失1454MW，随后3组交流滤波器切除。

直流线路发生故障，按照设计需要重启两次。线路发生故障瞬间，直流线路电压快速降低，500kV交流系统电压也随之受到影响，调相机的并网使得在电压跌落瞬间以强大的爆发力瞬间为系统提供无功以缓解电压的过幅波动。若是故障消除，系统恢复正常，若是故障未消除，两次重启失败后Y闭锁，在无功策略未切除交流滤波器组前，大量的无功结余使得交流系统电压瞬间提升。调相机的“进相”运行在一定程度上能够降低电压的大幅波动。

2 事故过程分析

2.1 事故第一阶段过程分析（极2闭锁）

17:31:12:165极2保护行波保护动作，4ms后极2控系统报线路故障重启动作，17:31:12:601极2极保护报线路低电压保护动作。17:31:12:609极2控系统报：线路故障再启动动作，17:31:13:002极2极控系统报：直流线路故障再启动不成功闭锁直流系统，17:31:13:011极2低端阀组控制系统报：Y闭锁动作，17:31:13:013极2高端阀组控制系统报：Y闭锁动作，极2闭锁，极2功率正确转带至极1，功率未损失。查看内置录波（见图1）及故障录波（见图2）可知：直流线路发生故障，直流系统电压速降，从而导致500kV交流系统电压速降，下降幅值大概为15%；从波形图可以看出交流系统电压有三个明显的跌落点，其对应的开始时刻、最值时刻、结束时刻对对应的电压值（相电压）统计如下表1。

图1 故障时保护内置录波Fig.1 Fault protection built-in recording wave

图2 极2闭锁故障录波Fig.2 Pole 2 lockout fault recording wave

事故前，#1调相机正常运行，按照-80MVar无功出力进行控制。直流线路发生故障电压降低时两次线路电压降低及闭锁对应三个波峰，闭锁后调相机出力最大为203.19Mvar，此次闭锁调相机相当于贡献出差额为280MVar的无功，用于补偿电压的变化。该过程调相机无功出力即发生时间统计如下表2。

表1 故障过程中500kV母线电压变化情况Tab.1 500kV bus voltage change during failure process

表2 1调相机无功出力情况统计表Tab.2 Statistical table of reactive power output of #1 phase modifier

通过表1系统电压及调相机无功出力统计对比分析可知：在故障过程中调相机无功出力基本上滞后于电压变化20ms，期间无功贡献最大差值为293Mvar，500kV交流系统电压每变化1kV，对应的无功变化情况基本在9Mvar，对500kV母线的过电压及低电压具有一定的抑制作用，调相机的瞬态特性也得到较好的体现。

2.2 事故第二阶段过程分析（极1闭锁）

17:57:39:307极1保护报：线路低电压保护动作，17:31:12:169极1控系统报：线路故障再启动动作，17:57:39:310极1控系统报：线路故障再启动动作，17:57:44:372极1保护报：线路低电压保护动作，17:57:44:378极1控系统报：线路故障再启动动作，17:57:44:915极1保护报：线路低电压保护动作，17:57:44:922极1控系统报：线路故障再启动动作，17:57:44:927极1控系统报：直流线路故障再启动不成功闭锁直流系统，17:57:44:939极1高端阀组控制系统报：Y闭锁动作，17:57:44:941极1低端阀组控制系统报：Y闭锁动作，极1系统闭锁，功率损失1454MW。

此次故障过程中，线路第一次重启成功。5s后再次发生故障，重启两次失败直流闭锁，损失负荷1454MW，随后切除三组交流滤波器。500kV交流系统电压有三次明显的速降：第一次直流线路故障重启过程中；第二次电压速降对应第二次直流线路重启；第三次对应重启及闭锁过程中，统计过程中500kV交流系统电压及调相机无功出力情况如下表：

表3 线路故障重启成功过程电压变化情况Tab.3 Voltage change during line fault successful restart

表4 线路故障重启成功过程无功变化情况Tab.4 Reactive power changes during line fault successful restart

表5 线路故障重启不成功过程电压变化情况Tab.5 Voltage changes during line fault unsuccessful restart

表6 线路故障重启不成功过程无功变化情况Tab.6 Reactive power variation during line fault unsuccessful restart

从以上数据统计分析表可知：第一次线路故障重启成功过程中，调相机的瞬态响应时间大概为0.02s，第二次及第三次重启过程无功变化和电压变化情况趋势上是等同的，时间上稍有差别。

下面三幅图分别为故障发生时极保护内置录波、极1闭锁时故障录波及#1调相机的PMU录波，见下图：

图3 极保护内置录波Fig.3 Pole valve protection built-in recorded wave

图4 极1低换流变内置录波Fig.4 Pole 1 low rheology built-in recording wave

图5 1调相机出力PMU录波图Fig.5 Output PMU recorded diagram of #1 phase modifier

此次直流系统闭锁100ms后，三组交流滤波器相继切除，500kV交流母线电压恢复正常，在未切除前调相机比正常进相运行时多吸收50MVar无功用于补偿电压。

3 结论

本文通过对鲁固直流系统线路发生故障后再重启过程的解析，分析了整流侧在直流输电线路双极相继闭锁电压无功变化情况，验证了调相机在交流系统电压出现大幅波动后的瞬态响应特性。

扎鲁特部署新一代调相机的主要目的是提供动态无功支撑，提高近区电压稳定水平，抑制暂态过电压与电压跌落。鉴于鲁固直流当前输送功率的情况，调相机运行于进相模式，以保证更多的无功储备以抑制暂态电压的跌落。随着更多交流线路的接入以及鲁固直流输送功率的增大，作为直流输电的送端，扎鲁特配置的调相机将会运行于迟相状态，抑制直流故障期间的过电压。