基于新型电力系统的退役火电机组改调相机运行研究

蒋 哲，王安东，田 浩，李 山，房 俏，王孟夏

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

我国能源资源分布极不平衡，初步形成了以超/特高压交直流长距离输电为主的西电东送格局，在东部负荷中心建成了若干个交直流多落点大型受端电网［1-2］。随着大容量特高压直流逐步投运，交直流交互影响加剧，存在交流故障引发多回直流同时闭锁，继而导致全网电压崩溃的风险［3-7］，多直流受端电网电压安全问题已严重威胁到特高压电网的稳定运行。

调相机由于其多时间尺度无功支撑能力以及过载能力强，在抑制直流连续换相失败、提高直流受端电网电压稳定性等方面发挥着重要作用［8-10］。文献［11］从提高直流多馈入短路比、抑制多回直流同时换相失败、提升系统电压稳定性等角度研究了调相机的应用效果。文献［12］以华东电网为例，通过对比调相机加装前后的短路电流水平以及直流换相失败范围，评估了调相机对受端电网的影响。文献［13］以沂南换流站调相机实际应用为例，分析了调相机在稳定山东电网电压水平、降低昭沂直流换相失败概率方面的效果。文献［14］提出一种基于同步调相机动态无功电压特性的多馈入直流同时换相失败风险评估方法。然而，投资高、运维成本高以及征地困难等因素在一定程度上限制了调相机的广泛应用。

二氧化碳排放力争2030 年前达峰、2060 年前实现中和这一“双碳”战略目标提出后［15］，国家电网有限公司发布了双碳行动方案［16］，明确提出公司的首要任务是构建以新能源为主体的新型电力系统。随着新能源装机占比的不断提高，大批火电机组将面临逐步退役问题［17］。作为电网动态无功的主要来源，火电机组装机容量的大幅下降将进一步增大电网电压失稳风险。如何充分利用退役火电厂的机组设备以及厂址，成为构建新型电力系统必须面对的问题之一。将退役发电机组改造为调相机运行是一种较好的解决方案，目前相关研究较少。文献［18］和文献［19］分别针对水轮发电机和汽轮发电机，介绍了机组改调相运行的相关实践过程，可为类似改造工程提供借鉴。文献［20］提出了一种将退役同步发电机改为自并励同步调相机的方法。上述文献仅从机组本身改造的角度开展研究实践工作，并未考虑机组改造后的接入系统方式以及对电网稳定性的影响。

针对“双碳”目标下大批火电机组面临的退役问题，提出了一种有效利用退役火电机组及其厂址的方法。通过分析山东电网电压稳定风险以及调相机无功电压特性，提出将退役火电机组改调相机运行以满足新型电力系统电压稳定需求的思路。从发电机本体、启动系统、辅助系统3 个方面提出改造技术路线，并以山东电网为例验证所提方法的有效性。

1 山东电网电压稳定风险分析

山东—河北特高压环网工程投产后，特高压骨干网架逐步成为主要电力输送通道，网内形成“三直五交”八大受电通道，潮流呈现出多点互济，全网平衡的特性。

风电、光伏等新能源继续保持高速增长，光伏装机容量居全国第一，风电装机容量居全国第五，新能源已成为山东电网的第二大电源，在清洁低碳、安全高效的能源体系建设方向的指引下，新能源还将保持高速增长，在电源结构中的比重将进一步上升。新能源机组因其固有的波动性、对频率和电压的敏感性、故障低电压穿越的有功无功特性，已成为影响电网安全水平的重要因素。

因机组置换效应，山东电网内部火电机组开机减少，电网短路容量小，电压支撑力量薄弱。经仿真计算，在山东电网内开机容量低于电压稳定边界时，1 000 kV 河泉双线三相永久性故障N-2 或泉乐双线三相永久性故障N-2时会导致山东电网电压崩溃，如图1 所示。其根本原因是电网电压支撑力量薄弱，无法承受大故障导致的低电压，进而导致银东、鲁固、昭沂直流发生连续换相失败后闭锁，并最终导致山东电网电压崩溃。

图1 山东电网电压崩溃仿真曲线

电网故障后全网电压崩溃过程如图2 所示。电网故障瞬间全网电压下降，对全网带来的影响主要有以下4个方面。

1）电动机负荷无功消耗增加。

电力系统负荷中含有大量异步电动机，而其负荷大小会随着端电压的变化而变化。一方面，电网电压降低会导致电动机负荷的无功损耗增加；另一方面低电压可能导致感应电动机发生堵转并吸收大量的无功功率。因此，电网电压降低将导致电动机负荷的整体无功消耗增加。

2）无功补偿装置出力降低。

并联电容器发出的无功功率与电压的平方成正比，电网电压下降将引发全网无功补偿装置的出力大幅降低，导致电网的无功缺额增大，电压跌落程度越大，无功不平衡量越大。

3）直流换相失败。

直流系统正常运行需要交流侧提供正常的换相电压，交流系统电压异常可能导致直流发生换相失败。直流系统发生换相失败，对电网的影响主要体现在两个方面：

无功方面。直流换相失败恢复过程中，需要消耗一定量的无功功率，而此时电网电压尚未恢复，滤波器的无功出力不足以满足直流系统的无功消耗，导致直流系统从交流系统吸收大量无功功率，这将加剧全网的无功不平衡情况。

有功方面。直流换相失败期间，其输送的有功功率将大幅降低，导致山东电网内有功缺额增大。

4）新能源低电压穿越。

截至2021年10月，山东新能源装机规模已经突破46 000 MW。全网电压降低可能引发全网大量新能源机组进入低电压穿越甚至脱网，导致新能源有功出力大幅降低。尤其是在故障前新能源出力水平较高时，新能源大量进入低穿将导致山东电网出现较大的有功缺额。

此过程与直流换相失败引起的有功缺额叠加，导致全网潮流的大范围转移，无功损耗增加，大量有功缺额需要从外部电网远距离输送至山东电网，进一步导致了山东电网的电压降低，并最终导致全网的电压崩溃。

从上述分析可见，电压崩溃的发生，主要是由于网内动态无功支撑能力不足导致的。火电等常规机组是电网动态无功支撑的主要来源，近年来随着“外电入鲁”与新能源装机持续增长，山东电网内常规机组的开机容量逐年减少。电压失稳问题已经成为制约山东电网交直流受电能力的主要因素。

2 同步调相机无功电压特性分析

为提升山东电网受电能力，需要增加山东电网无功支撑能力，提高电网电压稳定性。无功补偿装置按能源供给分类可以分为有源和无源两类。无源无功补偿设备仅可以发出无功功率，不能吸收无功功率，主要设备为系统母线上并联或者在线路中串联的电容、电抗器；有源补偿设备不仅能够发出无功功率，还可以吸收无功功率，具备无功功率的双向调节特性。主要设备有同步调相机、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）和静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）。

早期的同步调相机相应速度慢、噪音大、损耗大，在我国电网中使用较少。随着技术的不断发展，我国研制的新型同步调相机较传统调相机的性能有了大幅度提高。目前中国新设计的调相机组单机容量达到300 Mvar，进相运行能力可以达到200 Mvar，次暂态电抗由15%以上降低到10%左右，瞬时无功功率输出能力提升50%以上。转子具备15 s的2.5倍强励磁要求，同时为了达到强励磁速度要求，在强励磁开始的前5 s 内，强励磁达到3.5 倍。对于交流故障后电压恢复及抑制直流换相失败问题，新型同步调相机控制效果明显优于同容量STATCOM和SVC。

当电网出现电压跌落时，调相机会产生较大的励磁电流，以保证定子磁链不变，并快速释放大量无功功率，即调相机的自发无功响应特性。由于调相机电网之间为电磁连接，自发无功功率响应时间极短，通常会在几到几十毫秒内发出超过其额定值的无功功率，实现大量无功功率的快速释放，从而有效抑制故障后电网电压跌落的幅度和速度。然而，作为无源信号的自发无功功率响应必然有一个衰减过程，调相机的无功功率输出在约100 ms 时达到最低值，之后励磁控制器的强励磁效应开始显现。

正常运行时调相机的无功输出功率为

式中：Ud和Uq分别为d轴电压和q轴电压；id和iq分别为d轴电流和q轴电流。正常运行时，调相机消耗的有功功率仅为自身损耗，因此Ud约等于0，Uq约等于机端电压U。

故障时同步调相机无功变化量为

式中：ΔU为机端电压增量；Δid为d轴电流增量，与调相机参数有关；U0为故障前机端电压；id0为d轴电流初始值，取决于调相机初始运行状态。因此，故障后调相机无功功率与电网电压跌落程度密切相关。

3 火电机组改造技术可行性分析

调相机与汽轮发电机均属于隐极同步电机，但调相机属于电动机，只承载无功负荷，不承载有功负荷（机械负载），对转子强度的要求较低，汽轮发电机改为调相机运行技术上是可行的，但需要做相应的改造。

1）发电机本体。

当前国家电网有限公司所辖电力系统所用调相机是为满足电网动态稳定需求而专门设计的，与常规汽轮发电机最大不同之处在于其暂态电气参数和定转子电流过载能力要求较高。现有的300 Mvar 调相机总体来说与400 MW 汽轮发电机相当，部分部件尺寸与600 MW 机组相近。当汽轮发电机改为调相机时，须降低容量使用，如300 MW 发电机可改为240 Mvar 调相机（按短路时过载能力折算），改造后稳态性能相近，暂态性能稍差。

为提高暂态响应速度，调相机出口升压变压器的短路阻抗（标幺值低于12%）比发电机出口升压变压器的短路阻抗小（标幺值约为14%），当发电机汽轮发电机改为调相机降容使用时，如就地改造可不更换升压变，发电机本体及中性点、励磁系统等也可基本维持现状。

2）启动系统。

调相机是同步电动机，不具备自启动能力［21］，须增添启动设备将其拖动到额定转速并网，启动设备可采用汽轮机、静止变频器、同轴电机3 种。同轴电机启动无论从可靠性和效率上都劣于变频启动，该启动方式已趋于淘汰；使用汽轮机启动，可不增加设备，但启动时锅炉需投入运行，启动后汽轮机转子长期被拖动运转，可靠性及效率得不到保障。因此，改造时宜拆除汽轮机，使用静止变频器进行启动。同时，为满足运维及启动需要，发电机还须加装盘车装置。

3）辅助系统。

油、循环水、除盐水（如有）、厂用电等系统因用油、水、电量大幅减少（循环水量约为原流量的1/10），系统须进行简化，做较大幅度改造；改为调相机后，发电机变为电动机运行，分散控制系统（Distributed Control System，DCS）、继电保护均须做适应性改造。

4 仿真分析

采用2021 年全国联网数据，山东电网网供负荷53 000 MW，新能源出力20 000 MW，交直流受电14 000 MW。山东电网交直流受电断面示意如图3 所示。其中，交流受电断面包括：6 回1 000 kV 线路（A—B 双回、A—E 双回、F—B 双回）和4回500 kV 线路（1—2 双回、3—4 双回）；直流受电通道包括：从同步电网2 馈入的1 回直流通道和从同步电网3 馈入的2回直流通道。

图3 山东电网交直流受电断面

以将十里泉电厂5 号机组改为调相机运行为例，基于中国电科院PSASP 仿真软件开展仿真分析。十里泉电厂5 号机组额定装机容量为140 MW，改造前通过220 kV 系统并入山东电网。为分析火电机组改调相机运行后对电网电压稳定性的影响，分别考虑对山东电网受电能力的影响以及对新能源场站低穿特性的影响。

4.1 对电网受电能力的影响

当前制约山东电网受电能力的主要因素为主网架层面无功支撑能力不足，存在网内常规机组开机容量低于稳定临界值时，1 000 kV 河泉双线（图3 中红色线路）发生N-2故障后山东电网电压崩溃问题。

为最大限度发挥调相机的电压调节能力，将十里泉电厂5 号机组就地升压至500 kV，新建一回500 kV 线路至1 000 kV 微山湖站的500 kV 侧，线路长度按照机组至微山湖站的直线距离考虑，约为35 km。

图4 为1 000 kV 河泉双线发生三相永久性N-2故障后调相机的无功出力变化情况。通过仿真发现，调相机在电网故障瞬间通过自发无功响应特性发出250 Mvar的无功功率，约为额定容量的2 倍。之后，随着强励磁作用显现，调相机最大无功出力达到370 Mvar，约为其额定容量的2.6 倍，为故障后系统恢复提供了有效的电压支撑。

图4 故障后调相机无功出力

图5 和图6 分别为河泉双线N-2 故障后，有调相机和无调相机时微山湖站母线电压波动情况。可以看出，无调相机接入时，微山湖站母线电压未能恢复至正常范围，发生了电压崩溃；接入调相机后，母线电压能够快速恢复，有效避免电压崩溃。经校核，调相机接入微山湖站后，以1 000 kV 河泉双线N-2 故障后山东电网电压崩溃为制约条件，山东电网交直流受电能力提高了250 MW。

图5 故障后微山湖站500 kV母线电压对比

图6 故障后微山湖站1 000 kV母线电压对比

4.2 对新能源场站低穿特性的影响

电网侧发生故障后可能导致新能源进入低电压穿越，甚至脱网。在新能源并网点增加调相机，有助于提高并网点的电压控制能力，改善新能源场站并网特性。山东电网作为受端电网，新能源运行存在的风险主要为故障后低穿脱网问题，发生高穿脱网的概率较低，因此，仅分析调相机对新能源场站低穿特性的影响。

将十里泉5 号机升压至220 kV，新建1 回30 km的220 kV 线路至附近的山亭中广风电场。该风电场通过220 kV系统并网，装机容量为230 MW。

图7对比了1 000 kV河泉双线N-2故障后，风电场并网点电压变化情况。可以看出，接入调相机后，并网点电压跌落深度和恢复速度均有所改善。图8对比了有无调相机接入时风电场的并网线有功功率变化情况。河泉双线N-2 故障后，没有调相机时，低电压导致风电场进入低穿进而脱网；而接入调相机后，风电场能够保持连续并网运行。

图7 故障后风电场并网点电压变化情况

图8 故障后风电场并网线有功变化情况

5 结语

论证将退役火电机组改调相机运行的技术可行性，为破解以新能源为主体的新型电力系统电压稳定问题提供了新的解决思路。

火电机组改调相机后，在电网故障后能够发出最大约自身额定装机2.5倍以上的无功出力，为故障后系统恢复提供了有效电压支撑。

机组改调相机就近接入500 kV 系统，可以为山东主网架提供有效的无功电压支撑，提升山东电网电压稳定性和交直流受电能力。

机组改调相机就近接入新能源场站，有助于提高并网点的电压控制能力，改善新能源场站并网特性，降低新能源脱网的风险。

在研究过程中，发现仍有部分问题有待进一步研究：并网电压等级对系统稳定性的影响，本文仅分析了火电机组改调相机后就近接入500 kV系统对电网稳定性的影响，考虑到无功的分层平衡特性，有必要进一步分析其并网电压等级的影响；火电机组改调相机对抑制直流换相失败的作用，分析了火电机组改调相机运行对电网受电能力、新能源并网特性的影响，考虑到直流换相失败也是导致电压崩溃的重要影响因素，有必要进一步分析火电机组改调相机运行对抑制直流换相失败的影响。