大容量新型调相机对哈—郑UHVDC稳定性的影响

陈 涛，何 山，2*，王本广，张学友，贺文军

(1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830049；2.可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830049)

相对于高压交流输电，特高压直流输电(ultra high voltage direct current，简称UHVDC)具有成本低、后期维护工作量小的优势[1-6].风能及太阳能直接馈入送端[7]，导致功率不稳定[7-8].新疆哈密特高压直流输电送端所在的网架结构复杂，且短路容量不足[9].送端换流站故障极易导致功率波动，严重时能使大量风电及光电从电网枢纽中解列[10]，因此有必要安装大容量无功补偿设备[11-12]，为电网提供无功功率支撑，防止换相失败，维护系统稳定.文献[13]仿真分析了调相机对整流站及逆变站的影响，验证了大容量新型调相机在无功调节方面具有独特优势.文献[14]分析了在特高压直流输电的受端安装2台大容量新型调相机对系统的影响，研究表明安装大容量新型调相机能一定程度解决受端电压波动及换相失败问题，提高系统的稳定性.

作为旋转设备的调相机，与静止无功补偿装置(static var compensator，简称SVC)、静止同步并联型无功补偿装置(static synchronous compensator，简称STATCOM)等相比，在增加系统短路容量、降低换相失败频率、增强系统稳定性方面均有优势[15].目前，将调相机作为无功功率源接入 UHVDC线路仍处于理论研究阶段[16]，另外，线路中负荷突增或短路出现时，应对措施也少.鉴于此，笔者以哈—郑UHVDC线路为研究对象，在Simulink中搭建哈—郑UHVDC交直流混联线路及大容量新型调相机模型，分析大容量新型调相机接入送端后对哈—郑UHVDC稳定性的影响.

1 大容量新型调相机

1.1 大容量新型调相机的运行原理

大容量新型调相机是一台不带机械负载的同步电动机，由静止变频启动 (static frequency conventer，简称SFC)系统、启动切换系统、励磁及电机系统、冷却系统、信号传输系统组成，如图1所示.

图1 大容量新型调相机结构

图2为新型大容量调相机运行原理图.

图2 新型大容量调相机运行原理图

从图2可知，信号采集模块采集换流站母线上的电压及电流信号，逻辑检测模块将信号传至信号综合处理器，然后将处理后的信号送至励磁模块.

1.2 大容量新型调相机的数学模型

文献[17]构建的大容量新型调相机的数学模型为

(1)

其中：δ为功角；ω为转子角速度；ωs为速度基准值；Pe为电磁功率；D为阻尼系数；TJ为转子惯量；T′d0为直轴暂态开路时间；Xd，Xq分别为直轴、交轴电抗；X′d为直轴暂态电抗；Efq为励磁电压；Ud，Id分别为直轴电压、电流分量；Rs为定子电阻；Iq为交轴电流分量；Uq为交轴电压分量；E′q为交轴暂态电动势.

将接入UHVDC线路的大容量新型调相机作为无功功率备用装置.当无功功率不能满足换流站换相需求时，换流站母线电压下降，当电压降至换流站最低换相电压时，会出现电压崩溃和有功功率传输失败，此时若有大容量调相机作为无功功率备用装置，通过SFC启动调相机，根据系统需求提供所需的无功功率，能使换流站母线电压及有功功率稳定.

基于Simulink平台搭建的大容量新型调相机的仿真模型如图3所示.

图3 大容量新型调相机的仿真模型

图4为单台调相机无功功率曲线.由图4可知，无功功率从额定值增至2.5倍额定值的时间大约为6 s，表明调相机能在较短时间输出无功功率，能满足系统的快速需求.

图4 单台调相机无功功率曲线

2 哈密—郑州特高压直流输电线路的运行特性

2.1 哈密地区的网架结构

图5为哈密地区220 kV及以上线路的网架结构.由图5可知，该地区电能以新能源为主，风能、太阳能受天气影响较大，火电与水电较少，无功储备不足，增加无功储备成为哈密地区亟待解决的问题.天山换流站是电网枢纽，属于750 kV特高压线路.哈—郑UHVDC线路的送、受端处于两个不同的电网，送、受端功率波动对自身所在的网架冲击较小，但会对两主网架间的线路产生较大冲击[18].

图5 哈密地区220 kV及以上线路的网架结构

2.2 基于MATLAB搭建的哈—郑特高压直流输电模型

根据天山枢纽无功功率设备的接入方式及直流线路功率输送的特点，基于MATLAB搭建的哈—郑特高压直流输电模型如图6所示.

图6 基于MATLAB搭建的哈—郑特高压直流输电模型

2.3 整流站与逆变站的功率关系

基于文献[19]将图6哈—郑特高压直流输电模型简化为如图7所示的等效电路.

图7 高压直流线路的等效电路

图7中，Vdorcosα为整流器内电势，α为整流侧触发延迟角，Vdor为整流侧空载直流电压；Vdoicosγ为逆变器内电势，γ为逆变侧触发延迟角，Vdoi为逆变侧空载直流电压；Rcr为换相叠弧影响下的整流侧等效换相电阻；Rci为换相叠弧影响下的逆变侧等效换相电阻；RL为线路阻抗；Id为线路直流电流；Vdr为整流侧直流电压；Vdi为逆变侧直流电压.

从整流侧流向逆变侧的直流电流[19]为

(2)

整流侧的终端功率为

Pdr=VdrId.

(3)

逆变侧的终端功率为

(4)

无触发延迟时的平均直流电压为

(5)

其中：ELN为线路额定电动势.

基频交流线电流的有效值为

(6)

其中：ILM为基频电流最大值.

出现换相叠弧时的平均直流电压[19]为

Vd=Vd0cosα-ΔVd，

(7)

由(5)～(7)式可得

(8)

其中：δ0为熄弧延迟角.

忽略损耗，且当交流功率等于直流功率时，由式(7)可得

(9)

其中：φ为换流站基频交流线电流滞后于电源电压的角度.

由(8)～(9)式可得

(10)

由(7)，(9)～(10)式可得

(11)

(12)

由换流站直流功率-电流关系[19]及式(11)可知，负荷增大，负荷电流Id增大，功率因数cosφ减小.由tanφ与cosφ变化一致且结合式(12)可知，无功Q不足时，为使功率平衡，有功功率必须下降.由式(11)可知，若Id继续增大，直流功率会持续下降，进而会使换相电压降低，当换相电压下降至最低换相电压时，会出现电压崩溃、功率波动、系统不稳定.

由上可知，当逆变侧负荷出现较大波动时，无功不足影响送、受端功率的交换，进而影响功率传输的稳定性.若在系统中接入大容量新型调相机，提供无功功率，可保证UHVDC稳定.

3 加入大容量新型调相机后的UHVDC系统仿真

基于哈密—郑州±800 kV特高压直流输电线路，利用Simulink搭建UHVDC交直流混联线路模型，在线路的整流侧(天山换流站)加装大容量新型调相机，仿真分析2种典型工况下换流站的功率特性.

3.1 逆变侧重载

工况1：系统进入稳态后，在UHVDC线路中接入负载，达额定负载的80%.

由图8～10及表1可知，2 s时负载增大至额定负载的80%;在2～2.5 s整流站及逆变站有功功率均出现了明显波动，其波动幅度分别为0.08，0.09 p.u.；调相机接入后，整流站及逆变站的有功功率波动幅度均明显降低，分别降至0.04，0.01 p.u.；调相机提供了短时380 MVar的无功功率.综上，调相机安装在UHVDC送端，可有效抑制由于负荷波动造成的有功功率波动，增强了换流站功率的稳定性.

图8 工况1下整流站的有功功率

图9 工况1下逆变站的有功功率

图10 工况1下单台调相机的无功功率

表1 工况1下调相机的接入对有功功率的影响

名称故障时的有功功率/(p.u.)恢复后的有功功率/(p.u.)差值/(p.u.)无功功率/MVar整流站(未加入调相机)0.840.760.080整流站(加入调相机)0.770.730.04380逆变站(未加入调相机)-0.76-0.850.090逆变站(加入调相机)-0.75-0.760.01380

3.2 整流侧交流线路发生三相接地故障

工况2：UHVDC的整流侧交流线路在2～2.5 s发生三相短路接地故障.

由图11～13及表2可知，在2～2.5 s整流侧交流线路发生三相接地故障，系统功率为0；在2.5 s时，故障消除，整流站及逆变站有功功率均恢复，功率有较小波动，其波动幅度分别为0.15，0.23 p.u.；从故障消除到正常运行，整流站及逆变站分别用时0.54，0.55 s；调相机接入后：(1)整流站、逆变站有功功率波动幅度分别降至0.1，0.17 p.u.；(2)从故障消除到正常运行，整流站、逆变站用时分别为0.25，0.24 s.综上，调相机的接入有效抑制了有功功率的波动，缩短了从故障状态恢复至正常状态的时间，保证了换流站功率输送的稳定性.

图11 工况2下整流站的有功功率

表2 工况2下调相机的接入对有功功率的影响

4 结束语

笔者利用Simulink仿真平台搭建了含调相机的哈—郑UHVDC线路模型，针对2种典型工况进行了仿真分析，结果表明：工况1下，调相机的加入降低了无功功率不足造成的有功功率波动，增强了换流站功率输送的可靠性；工况2下，调相机的加入缩短了故障恢复时间，保证了换流站输送功率的稳定性.可见，大容量新型调相机加入哈—郑UHVDC线路送端，增强了换流站有功功率输送的可靠性，减小了负荷突增造成的有功功率波动，缩短了三相接地故障的恢复时间，保证了换流站功率输送的稳定性.