调相机参与多直流馈入受端电网紧急控制策略研究

黄 慧，吴雪莲，楼伯良，华 文，王龙飞

（1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京 211106；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

特高压直流输电以其独特优点成为我国大区互联和远距离大容量输电的重要形式，为我国大范围资源优化配置发挥了重要作用。直流输电容量、电压等级越高，直流故障对送、受端交流电网冲击越大。对于多直流馈入受端电网，直流受入替代常规发电机组，系统动态无功电压支撑不足，恶化了受端系统电压调节特性，直流故障将给系统带来巨大的无功功率冲击[1-4]。

为了增强特高压交直流系统的稳定性，特别是多直流馈入受端电网，需要配备大规模动态无功。目前应用比较广泛的动态无功补偿装置主要有同步调相机、SVC（静止无功补偿器）和STATCOM（静止同步补偿器）等。相比于SVC 和STATCOM 等基于电力电子技术的动态无功补偿装置，大容量新型调相机具有更好的无功出力特性，又可为系统提供短路容量，无功功率输出受系统电压影响较小，同时在抑制直流受端换相失败方面具有一定的优势，对改善多直流馈入受端电网的稳定性和支撑电压效果更优[5-13]。

目前，我国已生产出新一代300 Mvar 调相机并大规模投产应用，截至2018 年底已投产17台调相机[1]，针对调相机的接入和对电网特性影响已有专家作了深入研究。文献[14]深入分析了同步调相机的无功出力特性及对直流逆变侧的影响特性。文献[15]结合直流换流站无功电压综合控制需求，针对调相机励磁控制特点，研究了调相机励磁控制策略，并提出了调相机无功电压协调控制策略。文献[16]通过分析常规调相机控制方式在抑制直流连续换相失败方面的不足，提出了基于直流换相失败信息触发的调相机紧急控制策略，并给出了实现方法及实现架构。调相机具有良好的调节无功性能，现有研究主要集中在调相机的无功特性及对电压改善效果，鲜有针对计及调相机参与多直流馈入受端电网故障后紧急控制的研究和工程应用实例。

本文首先分析了调相机运行特性及对多直流馈入受端电网运行的影响，分析了电网故障后调相机参与紧急控制以抑制直流连续换相失败的必要性，然后重点研究了调相机参与紧急控制的策略思想和架构，并通过实际省级电网仿真验证了策略的可行性和有效性。

1 新一代调相机运行特性及对受端电网影响

1.1 新一代调相机运行特性

新一代调相机具有更强的过载能力和更快的响应速度，其次暂态、暂态和稳态特性可以提供更强的电压支撑能力和无功补偿能力。加装于直流受端时，可在故障瞬时发出大量无功，当电压大幅跌落时，进入强励状态，新一代调相机励磁系数强励倍数达到3.5 倍，为系统提供紧急无功电压支撑，防止电压崩溃；300 Mvar 调相机具有300 Mvar 迟相和150～200 Mvar 的进相持续运行能力，在交流系统故障清除后当系统电压无法恢复至稳态电压范围时，调相机进入迟相运行，从而提高系统稳态电压水平[7，17]。

1.2 新一代调相机对受端电网影响

以宾金、灵绍特高压直流的受端——浙江电网为例，说明调相机对受端电网影响，研究采用机电暂态仿真软件PSD-BPA 潮流及暂态稳定程序作为主要仿真工具，数据中直流模型采用基于ABB 实际直流控制系统的DA 准稳态模型。调相机主要参数直轴次暂态电抗0.111 p.u.，直轴暂态电抗0.165 p.u.，直轴暂态开路时间常数7.46 s。目前，浙江电网已形成“两交两直”特高压混联电网格局，区外直流规模提升对浙江电网常规电源置换效应进一步加剧，出现“大受电、小开机”运行方式，直流换流站近区缺乏大电源支撑，电网存在暂态电压稳定问题，若交流系统发生严重故障，将导致直流连续换相失败，对浙江电网最小火电机组开机要求进一步提高。

（1）对受端电网电压稳定水平影响

由于调相机具有较好的动态电压支撑能力，能在系统电压跌落时提供动态无功支撑，有利于提高暂态电压稳定水平。基于2019 年夏季高峰方式，500 kV 丹溪—永康双线发生三相永久“N-2”故障，灵绍直流近区暂态电压曲线如图1 所示，宾金、灵绍直流换流站加装调相机后对母线电压有抬升作用。

图1 有无调相机对交流故障后直流近区电压影响

（2）对受端电网直流换相失败影响

调相机可在故障瞬时发出大量无功，从而降低受端电网直流换相失败次数，一定程度上避免因直流连续换相失败引起的直流闭锁故障。基于2019 年夏季高峰方式，对浙江电网内500 kV 线路进行三相永久“N-2”故障扫描，表1 为加装调相机前后导致宾金、灵绍直流连续3 次换相失败的故障数目。可以看出加装调相机后，两大直流换相失败次数明显减少。

其中，以500 kV 金华—万象双线三相永久“N-2”故障为例，投入调相机和未投调相机相比，宾金直流换相失败次数由3 次降为2 次，如图2所示。

表1 不同方案下导致直流连续3 次换相失败故障数

图2 调相机对换相失败次数的影响

1.3 调相机常规控制策略不足

调相机增加了系统的动态无功储备，对直流连续换相失败有一定抑制效果，暂态过程中，直流或交流系统故障瞬间，调相机主要通过自主响应及励磁系统强励控制，通过跟踪机端电压快速调节励磁系统输出的无功功率。但电网中大部分故障后电压并不会持续维持在同一水平，而是随着故障的发生而波动。对于多直流馈入受端电网，直流故障后电压恢复慢，易发生直流多条、连续换相失败，因此需要补偿装置提供尽量多的无功支撑以辅助电压恢复[3]，调相机无法持续维持在强励水平，对后续直流连续换相失败抑制效果不佳。图3 为浙江电网发生500 kV 丹溪—永康双线三相永久“N-2”故障后，灵绍直流发生连续3 次换相失败，直流换流站母线电压及调相机出力曲线。

由图3 可见，灵绍直流换流站母线电压跌落严重，电压振荡明显，绍兴站调相机输出无功也随之振荡，不能始终维持在强励水平，对直流发生连续换相失败无法起到足够的支撑作用。

2 调相机参与紧急控制策略研究

2.1 总体设计思想

图3 换流站母线电压与调相机无功功率曲线

在我国现有的电网三道防线综合防御体系中，利用第二道防线采取基于故障的紧急控制，用于保障系统快速恢复稳定，是解决电网稳定问题的有效手段。因此，亟需研究调相机参与紧急控制措施，通过事故信息紧急触发调相机励磁系统，令调相机进入强励状态，为系统提供紧急无功支撑并持续一定的时间，从而有效改善系统直流连续换相失败情况。

2.2 设计架构

调相机参与紧急控制架构包括紧急控制主站、换流站母线电压控制子站及调相机控制执行站[18-19]。以换流站母线电压为控制目标，实时监测母线电压，当跌落至启动门槛值时，将告警信息发送至紧急控制主站，紧急控制主站基于网内可调用调相机运行信息，将控制信号发送至调相机控制执行站，由执行站向调相机励磁系统发送修改励磁参考电压及持续时间指令，完成调相机紧急控制。系统设计架构如图4 所示。

图4 调相机紧急控制系统架构

2.3 控制策略

在紧急控制策略中，调相机紧急控制信号为直流换流站母线电压，如发生接地故障，故障发生期间或故障消除瞬间，母线电压幅值可能存在突变。为了降低电压监测误差，防止误动，策略重点针对直流换流站母线电压跌落条件，通过发出电压告警信息紧急控制调相机励磁系统，实现调相机强励并持续一定时间，快速恢复系统电压水平[20]。

（1）为了提高测量精度，基于滑动窗口技术的数据处理方式，选取电压波动曲线上任意一段作平均值处理，即：

式中：UA为滑动窗口中电压幅值的平均值；i 为当前窗口中第一个数据对应的采样时间；N 代表滑动窗口中数据的个数；Ut1=n为采样时刻t1等于n 时的电压幅值。

（2）对滑动窗口中电压数据取方差，当方差最小时，即随采样时刻t1而变化的电压幅值曲线波动最小，则此电压平均值为故障期间电压幅值最终值，即：

（3）通过式（3）判断换流站母线电压是否低于紧急控制启动门槛值并满足一定的延迟时间：

式中：UGate为紧急控制启动电压门槛值；Ti为换流站母线电压低于门槛电压时间；TDelay为低电压延时门槛值。当故障后换流站母线电压幅值UA低于UGate，同时延时大于TDelay，则将电压告警信息发至紧急控制主站，紧急强励调相机参与紧急控制，其中UGate和TDelay选值可根据DL/T 1773—2017《电力系统电压和无功电力技术导则》以及不同电网实际需求制定。

2.4 控制流程

紧急控制主站获取换流站母线电压、网内调相机运行信息（投运、停运信息），根据母线电压实时信息和告警信息，并综合调相机运行信息，通过匹配控制策略表，发送给各调相机控制执行站，由调相机控制执行站向调相机励磁系统发送修改励磁电压及持续时间指令，完成调相机紧急控制。当持续时间或触发励磁系统过励保护限制后，调相机励磁系统进入退热期[16]，正常情况下调相机励磁系统具有2.5 倍励磁电流，并持续时间15 s，该过载能力是反时限能力，当过载倍数超过2.5 倍时，持续时间缩短，但此持续时间足以应对直流连续换相失败[3]。系统控制流程如图5所示。

图5 调相机紧急控制系统流程

3 仿真算例

以浙江电网2019 年夏季高峰方式为仿真算例，目前宾金、灵绍两大直流满功率运行为16 000 MW，在直流受端规划投产金华、绍兴站各2 台300 Mvar 调相机。对于多直流馈入受端电网，严重故障情况下可能发生多回直流同时多次换相失败，造成直流相继闭锁，对受端电网产生严重影响[21-22]，目前灵绍直流控制目标为连续换相失败次数不超过4 次，宾金直流换相失败次数不超过3 次。

（1）调相机常规控制方式

根据前文所述，直流换流站安装调相机后，且调相机处于常规控制方式时，仍有一定量交流线路发生三相永久“N-2”故障后导致直流发生连续3 次换相失败，如图6 所示，调相机输出无功未维持在强励水平上，对系统电压未起到足够支撑作用。

图6 调相机常规控制下直流换相失败情况

（2）调相机参与紧急控制

对金华、绍兴站调相机采取紧急控制，以直流换流站母线电压作为调相机紧急控制启动信号。目前新一代调相机具有更强的过载能力，强励电压响应倍数更高（3.5 倍）[3]，在交流线路发生三永“N-2”故障后，换流站母线电压跌落至门槛值，仿真中设置UGate为0.9 p.u.，延时门槛值TDelay为200 ms，发送紧急控制信息给调相机执行站，强励调相机至3.5 倍励磁电流。同样故障下，灵绍直流由连续3 次换相失败降为2 次换相失败，调相机采用不同控制方式下的直流单极功率曲线如图7 所示，紧急控制下调相机无功出力曲线如图8 所示。由图可见，故障后紧急强励调相机使其始终保持在强励水平，有效减少了故障后直流连续换相失败次数；同时，调相机紧急强励后，虽然近区电压有所升高，但并未超过安全范围，调相机强励多发出的无功对于系统电压提升效果很小，调相机退出强励时电压跌落也非常小，不足以对电网运行状态产生影响。

4 结语

针对多直流馈入受端电网，多直流同时和连续换相失败已成为当前影响电网安全稳定运行的重要因素，为了提高系统动态无功储备，预防或减少多直流同时或连续换相失败情况发生，同步调相机等动态无功补偿设备已得到广泛应用。目前大量仿真分析表明，虽然调相机的配置一定程度上改善了系统直流的换相失败概率，但仅仅依靠调相机自身响应无法充分发挥其动态无功支撑能力。因此本文在研究调相机对多直流馈入受端电网运行特性影响基础上，提出将调相机纳入电网紧急控制的策略及系统架构，通过实时监测直流换流站母线电压，当故障后母线电压跌落满足门槛值即触发调相机参与紧急控制，使调相机在一定时间内维持强励水平，从而有效抑制直流连续换相失败，保障多直流馈入受端电网的安全稳定运行。

图7 调相机不同控制下直流换相失败情况

图8 调相机不同控制下无功出力及电压响应情况