划分大规模新能源直流外送系统调相机配置研究

张艳丽

摘要：调相机是同步旋转设备对直流造成系统状态电压波动进行抑制的一个重要设备。当前我国很多特高压直流项目当中都加装了调相机。本文首先对大规模新能源直流外送系统状态过电压的影响因素进行分析，而后以分析的数据为基础构建相应的仿真系统进行仿真计算与高低压等级调相机配置方案，以供参考。

关键词：电力系统; 安全稳定; 暂态分析; 新能源直流外送系统; 暂态过电压;

引言

随着当前我国碳达峰、碳中和政策的逐步落实，风电和光伏发电处于高速发展的时代，获得了很大的成就。另外我国资源禀赋以及人均资源匮乏等因素的影响也决定着我国在能源建设和发展的过程中需要加强电网建设，逐步开发大型电力能源生产基地。在高压直流输电技术应用过程中，可以使电网的大规模输电能力大幅度提高，保证电网的远距离传输，使我国具有大量能源的北部和西部地区的清洁能源可以快速输送给东部，实现东西部能源的协调。

1 加强直流外送系统调相机配置的原因

特高压直流输电技术应用过程中，因为送电端较为薄弱，如果出现直流系统电流受损或者直流锁闭等故障，造成暂态过程特高压直流的无功大范围波动而影响整个送电端的电网电压，这会影响我国能源电网的系统建设，造成直流输送新能源的能力不足。如果情况严重，还有可能会导致整个电网的稳定性受影响。

动态无功补偿技术的应用可以有效保证电网电压的稳定，帮助特高压直流系统的稳定运行。新一代调相机载系统故障瞬时电压支撑方面具有较强的能力，而且展开响应速度非常快。

2 送端系统暂态过电压影响因素

在直流送端系统运行过程中，可能会出现直流锁闭、直流换相失败、直流抑制启动等诸多问题，这些问题会造成系统出现暂态过电压等现象。

2.1 直流控制环节

如果直流换相失败故障出现后，送端交流系统当中的电压会出现先降后升等现象。在此过程中需要注意积分时间常数、直流电压下降时间常数、最小限制电流等相关参数，逐步对这些参数进行调整、优化和控制，以便减少状态过电压的影响。在大规模新能源直流外送的条件下，单纯进行直流控制系统参数的优化无法对送电端暂态过电压进行彻底性的控制，还需要引入调相机。

2.2 调相机的无功补偿

调相机在接入后可能会造成整个系统出现异常，比如说短路电流超标等，需要通过加装串抗等方式逐步解决出现的其他异常问题。本文所述大规模新能源直流外送系统加装调相机并且进行一系列改造后，可以使系统的短路容量大幅度提高，帮助抑制送端系统的暂态过电压，另外在运行过程中调相机的转动惯量较大，能够帮助新能源直流外送系统的有效工作，使其频率更为稳定。

2.3 新能源发电系统

在新能源发电系统运行过程中，送端交流设备的暂态过电压水平往往和整个系统的无功功率控制方法相关。在此次新能源发电系统优化设计时，以光伏为例，在通过控制定电压的方法运行，逆变器会依照系统运行过程中电压的变化情况对无功功率进行调整，或发出或吸收。如果直流系统出现双极锁闭故障的环境下，逆变器响应系统会快速变化电压，以便对无功功率进行控制，避免整个系统出现电压瞬时过高等情况。在直流出现换相失败等问题后，整个送端系统的电压处于先降后升的状态，因为电压上升的时候光伏逆变器会出现滞后输出等情况，会造成光伏并网电站暂态电压过高等情况。

另外还需要注意送端交流系统运行过程中，暂态过电压的水平往往还和新能源发电单元相关，双馈风机当中的定子往往会直接与电网间连接，转子运行过程中通过三相背靠背换流器完成整个系统的运行，实现交流励磁。如果系统在运行过程中产生电压突变等情况，则风机定子磁链无法完成对应的突变，会产生感应电流分量。在此过程中需要并网点对无功功率进行吸收或者释放。在系统过电压瞬间，风机会出现同步机类似的特点。

3 案例分析

对某大规模新能源外直流外送场景进行分析，构建相应的仿真系统。该场景当中送端换流站和变电站在运行过程中额定电压达到800千伏，配套的水电系统为2.2×103兆瓦.在配套建设相关系统过程中对新能源电站的电能进行逐级升压，从35千伏逐步升至330千伏，而后最终达到750千伏，并且将这些电能输送至于换流站近区的变电站A、B、C，依照新能源容量的20%進行动态无功补偿装置的设定。

在直流控制系统构建的过程中，通过相关仿真软件的da卡来分析具体的参数，如其功率控制换向、失败预测、低压限流控制等，在风电系统当中使用双馈型风电模型，均使用恒功率因数控制。在光伏控制系统当中，通过定交流电压控制模式进行模拟控制。

3.1 换流站750 kV侧集中接入

在换流站系统当中，接入8台调相机进行送端系统暂态过电压的控制，选择三个典型的新能源电站，接入不同数量的调相机，各站的暂态过电压情况如下表所示，可以发现在换流机750千伏侧在调相机数量接入增加后，暂态过电压的情况得到有效缓解。但是在集中接入大量调相机之后，依然无法保证系统的稳定运行。在变电站a光伏厂3和变电站B光伏厂1当中的并入点电压依然有小规模的暂态过电压现象。

通过数据分析可以发现在调相机数量逐步增加的环境下，部分新能源电站在暂态过电压方面得到了明显的优化，但是大量调相机接入后优化的情况并不明显，主要是因为大量调相机接入后，各能源站并网点在短路电流水平方面也大幅度增加，影响了暂态过电压的抑制效果。

3.2 110 kV分散接入

在进行优化调整后，于750千伏测接入4台调相机，分别在110千伏母线侧接入不同数量的小型调相机，对换流母线和各新能源并网点的暂态过电压情况进行分析。通过合理布设后，可以保证各系统的稳定运行，并且控制暂态过电压。对该方案的成本和其他因素进行分析，可以发现调相机与新能源站的电气距离越近，则暂态过电压的抑制效果越好。

结束语

总而言之，通过对比分析发现使用换流站750MV侧集中配置大量300mear调相机的方案相比通过分散接入110千伏和330千伏测调相机的方案可以大幅度节省成本，而且优化效果更为明显。

参考文献

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[2]朱艺颖， 董鹏， 谢国平，等. 适应大规模风电外送的特高压直流协调控制实时仿真研究[J]. 电网技术， 2013， 37（7）：116-117.