特高压近区系统不同程度电压暂降下调相机的动态响应

胡一平，许国瑞，刘晓芳



特高压近区系统不同程度电压暂降下调相机的动态响应

胡一平，许国瑞，刘晓芳

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

新型大容量同步调相机具有高、低电压穿越能力强，短时过载能力大，调节特性基本不受系统电压影响的优点，能较好地满足特高压直流输电系统（UHVDC）对暂态无功的需求。本文将300MVar同步调相机模型与特高压直流输电系统耦合，研究了受端交流系统发生不同程度电压暂降故障时，调相机的动态无功响应特性及其对交直流系统应对故障能力的影响。结果表明，随着交流系统电压降落程度的增加，调相机对电压的支撑作用更加明显，对于交直流系统应对故障能力起到积极作用。

同步调相机；特高压直流输电系统；电压暂降；无功补偿

0 前言

近年来，随着大容量、远距离特高压直流输电技术的推广应用，电网“强直弱交”问题突出[1-3]。直流系统在大规模输送有功功率的同时，本身并不向系统提供无功，由此导致动态过程中需从系统中大量吸收无功，与同容量的发电机组相比，特高压直流大规模馈入受端系统的动态无功储备显著下降，电压稳定问题愈显突出[3-6]。

国标《电能质量电压暂降与短时中断》（GB/T30137-2013）规定的电压暂降为：电压暂降或下跌是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象[7]。在电网中这种现象的持续时间大多为0.1～1.5s。电压暂降属于二维的电磁扰动，即电压跌落的大小（暂降深度）和时间。电压暂降的三个特征量：暂降幅值、持续时间和暂降频次，是衡量电压暂降严重度的最重要特征量。其中幅值为0.7~0.9p.u的电压暂降占70%。持续时间不超过1s的约占90%，不超过0.1s的约占60%；

调相机固有的无功输出特性恰好符合故障期间电网对动态无功的需求[8]。调相机在系统电压较低时能够依靠强励在较短时间输出大量的无功功率，稳定系统电压以及其他电气量。

鉴于此，研究调相机在高压直流输电系统电压暂降故障中的影响作用，对于研究高压直流输电系统电压稳定问题具有实际意义。本文参考了“上海庙-山东”特高压直流工程建立了800kV特高压直流输电系统模型，将同步调相机接入受端500kV交流系统，计算并分析了在持续0.1s不同幅度的电压暂降故障中，调相机的运行特性以及交直流系统中各电气量的变化情况。并分别对故障持续过程中以及故障切除后调相机的无功出力以及系统电气量的状态进行了重点分析。

1 考虑大容量调相机作用的特高压直流输电系统仿真模型

1.1 UHVDC系统模型

本文建立的10000MW高压直流双极输电系统整体如图1所示。送端交流系统电压为530kV，系统容量为10000MW，线路阻抗为0.754+j7.564Ω。受端交流系统电压为525kV，系统容量为10000MW，线路阻抗为0.688+j6.911Ω。直流系统额定电压为800kV，额定电流为6.25kA，额定传输容量为10000MW，直流输电线路电阻为3.512Ω。额定运行时整流侧角为15.55°，逆变侧角为17.01°。

1.2 送端换流站控制策略

送端换流站由四组12脉动换流器串联而成，通过四组530kV/172.8kV的换流变压器与交流系统相连接，其控制目标是保持换流器触发角和电流值不变，换流器的控制系统结构如图2所示。控制系统有两个输入端口，分别为整流输出值（CMR）和逆变器的电流；输出端量为。CMR未经过大电感平波，需要经过一阶线性滤波环节1除去脉动，得到直流电流值，其与受端测量电流值的差值为电流偏差。除此之外，在PI环节中还设置的最大输出为175°，从而将触发角限制在5°。将触发角的实际值输入到换流器，从而实现定电流控制。

图1 UHVDC系统模型

图2 整流器控制模型

1.3 受端换流站模型

受端换流站的基本结构与送端的类似，通过四组525kV/167.4kV的换流变压器与交流系统相连接，受端的控制目标为保持直流电压不变。受端换流站的控制模型如图3所示。其中，GMID与GMIS分别为受端上下两桥的熄弧角（）的测量值，为了防止过小导致换相失败，必须选择把最小的输入到控制模块中，同时输入的还有受端测量的电压VDCI和电流CMI。输出的是受端的电流指令和触发角，在模型中受端电流指令CORDER通过无线传输到送端，触发角AOI输入到受端换流桥。通过与送端控制系统的配合实现定γ角控制以及定电压控制。

图3 受端控制模型

1.4 同步调相机模型

本项目中应用的同步调相机的仿真模型与发电机模型相同，通常在转子上存在四个等效绕组，即：d轴励磁绕组f和阻尼绕组D、q轴阻尼绕组g和Q。转子绕组的电压方程为[9-11]：

上述方程是在假定电机磁路不饱和的条件下得出的。而同步调相机经常会运行在过励情况下，定转子铁心处于深度饱和状态，因此应考虑磁路的饱和因素，将饱和修正后的瞬态电势代入方程后得到下式：

Park方程定子绕组电压方程为：

其中，磁链与瞬态电势满足式

将式（4）代入式（3）得出：

2 电压暂降时调相机对交直流系统的影响

当图1所示的UHVDC系统运行在额定状态时，在受端交流系统母线处设置故障，使得系统电压分别暂降10%、30%和100%，并持续0.1s。调相机通过20kV/525kV升压变压器接入受端交流系统母线，调相机的额定无功为300MVar，额定线电压为20kV，调相机的模型及接线方式如图4所示。通过对系统故障过程及切除后的运行过程进行研究，分析调相机对交直流系统各电气量变化的影响。

图4 同步调相机模型及连接方式

2.1 交流系统电压暂降10%

在图1所示的系统运行到5s时，受端交流系统发生电压暂降故障，暂降幅度为10%，持续0.1s。换流站接入调相机与未接入调相机时，交直流系统各电气量的变化情况如图5所示。

从图5可以看出，接入调相机后交流系统电压在故障过程中比未接调相机时少下降10kV，直流系统电压则少下降近80kV，直流系统传输有功在故障中要少下降1000MW；调相机在0.03s后输出的无功功率达到40MVar，将机端电压提升接近额定电压。故障切除后，机端电压经过0.012s就回升到20kV，交流系统电压在0.03s内回升到正常运行状态。在短时间小幅度的电压暂降故障中，调相机接入能够提升交、直流系统电压，并且提高故障切除后系统各电气量恢复正常状态的速度。

2.2 交流系统电压暂降30%

在图1所示的系统运行到5s时，受端交流系统发生电压暂降故障，暂降幅度为30%，持续0.1s。换流站接入调相机与未接入调相机时，交直流系统各电气量的变化情况如图6所示。

从图6可以看出，接入调相机后交流系统电压在故障过程中比未接调相机时少下降20kV，直流系统电压则少下降近50kV，直流系统传输有功在故障中要少下降800MW；调相机在0.06s后输出的无功功率达到190MVar，将机端电压提升接近额定电压。故障切除后，机端电压在0.036s回升到20kV，交流系统电压在0.04s内回升到正常运行状态。在暂降幅度达到30%后，调相机能在故障中对系统电气量起到一定支撑作用。并且在故障切除后能够保证系统快速稳定地恢复到正常运行状态。

2.3 交流系统电压暂降100%

在图1所示的系统运行到5s时，受端交流系统发生电压暂降故障，暂降幅度为100%，持续0.1s。换流站接入调相机与未接入调相机时，交直流系统各电气量的变化情况如图7所示。

从图7可以看出，无论系统是否接入调相机，故障中交流系统电压都将下降至0%，直流系统电压都将下降至60kV，直流系统传输有功都将下降至0MW。通过分析调相机对故障切除后各电气量变化，可以得出如下结论：

（1）调相机在故障发生后0.07s可输出200MVar无功功率，但调相机对故障过程中系统电压的影响较小，而对故障切除后交流电压的恢复影响较大。接入调相机时，调相机经过0.056s就将机端电压恢复到了20kV。交流系统电压在故障切除后0.06s内恢复到了稳定运行状态，而未接入调相机的系统，交流电压仅回升到额定电压的70%；

（2）当系统接入调相机后，故障切除后直流系统发生了一次90kV的电压波动，直流系统电压在0.236s内恢复到额定电压的90%。当系统未接入调相机时，直流系统电压在故障切除后发生了两次大幅度波动，电压波动分别为300kV和260kV，直流系统电压在0.236s内恢复到额定电压的45%；

（3）调相机对直流系统有功传输的恢复速度具有重要影响，当系统接入调相机时，故障切除后直流系统传输的有功功率在0.2s内达到了的额定功率的90%，而系统不接调相机时，故障切除后直流系统传输的有功功率在0.2s内仅达到了额定功率的50%；

（4）在系统故障较为严重时，调相机的作用主要在故障切除后的恢复阶段，接入调相机的系统在故障恢复速度及稳定性上要远好于未接入调相机的系统。

综合比较不同程度电压暂降后系统电气量的变化情况，可以得出：随着故障程度的加剧，调相机输出的无功功率会增加。而相对于未接入调相机的系统，接入调相机的系统在故障后的稳定性更好，且回升速度更快。

3 结论

同步调相机的动态响应特性使其在HVDC交流系统故障中更好的稳定系统各电气量，本文计算了额定无功为300MVar调相机接入对受端交流系统不同程度电压暂降故障的影响，得出了以下结论：

（1）随着故障程度的加深，调相机在故障中将输出更多的无功，对故障中的系统电压提供更多的支撑。电压暂降10%时，接入调相机后故障过程中的交流电压比未接调相机时增加了10kV。电压暂降30%时，接入调相机后故障过程中的交流电压比未接调相机时增加了20kV；

（2）调相机的作用主要体现在故障切除后系统的恢复过程。接入调相机后，交直流系统的各电气量能够在故障切除后更快的恢复到稳定运行。调相机的接入提高了系统在故障后恢复稳定运行的能力。

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Dynamic Response of Synchronous Condenser in Different Voltage Sag of UHVDC Near Area System

HU Yiping, XU Guorui, LIU Xiaofang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The new large capacity synchronous condenser has the advantages of large voltage regulation range, short time overload capacity and not influenced by system voltage. Its operation characteristics can better meet the reactive power demand of UHVDC transmission system. In this paper, the 300MVar synchronous condenser model and UHVDC transmission system are coupled to study the dynamic reactive power response characteristics of the synchronous condenser and its influence on the ability of AC/DC system to deal with fault in voltage sags with different amplitude of receiving end AC system. The conclusion proves that with deepening of the fault degree, the effect of synchronous condenser is more obvious, which can play an active role in dealing with the fault of UHVDC systems.

synchronous condenser; UHVDC system; voltage sag; reactive power compensation

TM342

A

1000-3983(2018)06-0032-05

国家自然科学基金（51507059和51477049）中央高校基本科研业务费专项资金资助项目2018MS010

2018-05-20

胡一平 (1994-)，硕士研究生，就读于华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向为大型电机运行特性及参数计算。