以酒湖特高压直流为例 浅析新一代大容量调相机在电网的应用

摘要：研究了新一代调相机在我国特高压直流送受端的应用。首先结合直流对于调相机的技术需求，研究了调相机模型，提出基于不同时间尺度的次暂态、暂态、稳态 3 种运行特性。然后，基于酒泉—湖南直流风火打捆送端，从增加系统短路比、降低新能源高压脱网风险、抑制稳态过电压等角度研究了调相机在特高压直流送端的应用效果;基于华东多直流馈入受端电网，从提高直流多馈入短路比、降低多回直流同时换相失败的风险、提升严重故障下的系统电压稳定水平等角度研究了调相机在特高压直流受端电网的应用效果。

最后，从设备角度提出新一代调相机在运行维护、无功响应特性等方面相较于传统调相机的技术优势，旨在为调相机后续投入工程运行提供技术支撑。

关键词： 调相机;特高压直流;次暂态特性;强励;进相;新能源高压脱网;直流换相失败

0 引言

我国能源资源与负荷呈逆向分布，多采用高电压等级直流进行大容量输电[1-3]。目前我国已投运向家坝上海、锦屏—苏南、天山—中州等多回特高压直流。根据特高压直流设计原则，正常工况下直流换流站与系统无功交换为零，直流本身不向系统提供动态无功。因此，在系统发生故障的动态过程中，直流需从系统吸收大量的无功，随着直流的大规模馈入，尤其对于华东等直流多馈入受端电网，多回直流换相失败问题、电压稳定问题愈显突出[4-6]。另一方面，特高压直流送端多建设在风电、光伏等大规模新能源集中开发的边远地区，网架薄弱、短路容量不足问题突出，同时送端直流故障易引起系统暂态电压升高，严重情况下导致新能源大面积脱网[7-10]。

针对我国特高压直流送受端动态无功储备和电压支撑不足的突出问题，客观要求直流大规模有功输送，必须匹配大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支撑”。调相机作为旋转设备，与 SVC、STATCOM 等基于电力电子技术的动态无功补偿装置相比，既为系统提供短路容量， 又具有更好的无功出力特性，在降低直流送端暂态过电压、抑制直流受端换相失败、利用强励提高系统稳定性等方面具备独特优势[11-13]。国外从 1950 年代开始有多个国家应用调相机提高系统的稳定性，如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等国家在大规模水电基地远距离外送的直流换流站加装调相机。根据国网公司战略规划，在“十三五”期间，将在多回特高压直流的送受端加装调相机。新一代调相机设备在设备维护、技术特性等方面将进行大幅改进完善，以适应电网运行需求。

本文结合特高压直流输电工程对于调相机的技术需求，研究了调相机的模型及运行特性，然后分别基于酒泉—湖南特高压直流风火打捆送端电网和华东多直流馈入受端电网，仿真论证了调相机在直流送受端的应用效果，最后从设备角度提出新一代调相机相比传统调相机的技术优势， 旨在为调相机后续投入工程运行提供技术支撑。

1 调相机模型及运行特性

1.1 调相机励磁模型

调相机主要由本体、励磁系统、升压变、起动系统、冷却系统、油系统、控制保护系统共 7 部分组成。新一代大容量(额定容量 300 Mvar)调相机采取隐极机。

调相机励磁方式与发电机励磁相同，主要分为交流励磁机方式和自并励励磁方式， 2 种励磁系统的特性如表 1 所示。现代大型发电机多采用自并励励磁方式，调节速度更快，调节容量更大。调相机也采用自并励励磁方式。

1.2 调相机运行特性

电力系统事故后运行曲线按照时间尺度可划分为次暂态过程、暂态过程、稳态过程，如图 1 所示。对应于每段过程，调相机可分别发挥次暂态特性、暂态特性、稳态特性，为系统提供动态无功支撑。

1)次暂态特性。

调相机具备次暂态特性，在故障瞬间内电势保持不变，可瞬时发出/吸收大量无功。调相机加装于直流受端时，可瞬时发出大量无功，支撑电网电压，尤其对于多直流馈入电网，可减少多回直流同时换相失败几率，提高电网安全稳定水平。调相机加装于直流送端时，可瞬时吸收大量无功，抑制暂态过电压，尤其对于新能源外送的直流送端，可抑制新能源大规模脱网，提高直流系统新能源输送比例。

2)暂态特性。

调相机具备暂态特性，即强励特性，短时(1 s)能够发出额定容量 2 倍以上无功。调相机加装于直流受端，当系统发生严重故障导致电压大幅跌落时，调相机进入强励状态，为系统提供紧急无功电压支撑，有助于直流功率和系统电压迅速恢复，防止电压崩溃。

3)稳态特性。

调相机具备稳态特性， 300 Mvar 调相机具备300 Mvar 迟相和 150~200 Mvar 进相的持续运行能力。调相机加装于直流送端时，可利用深度进相能力在直流闭锁等故障后吸收系统多余无功，抑制送端系统稳态过电压。调相机加装于直流受端时，在交流系统故障清除后可能存在系统电压无法恢复至稳态电压运行范围内的情况，调相机进入迟相运行，改善系统稳态电压水平。

2 调相机在直流送端的应用研究

2.1 研究条件

研究将规划的酒湖特高压直流风火打捆外送系统作为仿真算例[14]。酒湖直流送端将近区敦煌、桥湾并网风电与自身配套火电捆绑输送到受端湖南电网。 直流额定电压800 kV，额定功率 8000 MW。配套火电暂定为 4 台 1000 MW 机组。敦煌、桥湾风电通过 330 kV送出线路汇集到敦煌、桥湾 750 kV站，敦煌风电上网功率约 1800 MW，桥湾风电上网功率约 4000 MW。酒湖直流送端系统结构见图 2。

研究采用 Window2007/Xp 平台中文版 BPA 潮流及暂态稳定程序作为主要仿真工具。直流模型采用基于 ABB 实际直流控制系统的 DA 准稳态模型。现有《电力系统安全稳定导则》与相关计算标准仅考虑了直流系统单双极闭锁故障形态。结合特高压直流实际运行经验及控制保护动作情况，还需考虑直流换相失败、再启动等故障对电网的影响[14-15]。风电机组需考虑高电压穿越，按照目前的实际运行条件，当风电场并网点电压超过标称电压的 1.15 pu时，风电场无延时脱网[14]。

另外，柴拉直流整流侧换流站 330 kV 母线需保证不低于 315 kV，以免电压大幅跌落影响柴拉直流功率[14]。

研究考虑在酒泉换流站加装 2 台调相机，单台额定容量 300 Mvar。

2.2 增加系统短路比和短路容量

酒湖特高压直流送端建设在新能源集中开发的边远地区，网架相对薄弱，交流对直流的支撑有限。一般利用有效短路比来衡量交流系统对于直流的支撑能力。对比加装调相机前后酒湖直流送端的短路比和短路容量如表 2 所示。调相机作为旋转设备，增强了交流电网的短路容量和支撑能力，增加短路电流约 2.3 kA，增加有效短路比约 0.39。

2.3 降低新能源高压脱网风险

考虑受端换流站近区短路故障等原因可能引发酒湖直流换相失败，仿真模拟直流换相失败故障。酒湖直流换相失败期间，交流滤波器无功大量释放， 换流站母线电压大幅升高。由图 3 可知，酒泉换流站暂态电压升高达 0.19 pu(152 kV)。同时，近区桥湾风机暂态电压升高最大为 0.22 pu，可能引发风机大面积高压脱网。按照风电机端电压不超过1.15 pu 的耐高压标准，需要预控风机初始运行电压不超过 0.93 pu，运行控制压力大。

采用加装调相机方案后，如图 4 所示，调相机在次暂态特性作用下，可发出大量感性无功抑制暂态过电压。如图 5，酒泉换流站暂态压升为 0.16 pu(128 kV)，相比未加装调相机方案降低了 24 kV。同时近区风机最大暂态压升降低至 0.19 pu，减小了运行控制压力，降低了风机高压脱网的风险。

2.4 抑制稳态过电压

酒湖直流发生双极闭锁故障，为保证系统功角稳定，以及柴达木 330 kV 母线电压在 315 kV 以上，需要采取切除配套电源 3000 MW 和近区风电1200 MW 的安控措施。故障后换流站母线电压由766 kV 升至 787 kV，稳态压升 21 kV，如图 6 所示。

采用调相机方案后， 利用进相能力在故障后吸收系统多余无功，稳态压升降至 12 kV，相比未加装调相机方案降低了 9 kV，改善了系统稳态电压水平。

3 调相机在直流受端的应用研究

华东长三角地区作为重要负荷中心，“十三五”期间负荷增长约 1.1 亿 kW。按照国家有关环保要求，长三角地区除热电联产机组外，原则上禁止审批新建燃煤发电项目，主要依靠直流馈入受电，呈现多直流集中馈入结构。以 2017 年规划电网为例，华东共 10 回直流馈入，上海馈入直流 4 回，江苏馈入直流 4 回，浙江馈入直流 2 回，如图 7 所示。

对于华东长三角直流多馈入地区，受端交流故障可能引发多回直流同时发生换相失败，一方面按照目前在运直流控制保护策略，直流发生换相失败2~3 次后需闭锁直流，多回直流若同时闭锁可能引发受端电网低频问题;另一方面多回直流同时换相失败扰动传递到直流送端，对送端系统造成巨大的能量冲击，导致送端存在失稳解列的风险，由局部孤立故障逐渐转变为系统性连锁故障[6,17]。同时，华东地区高比例受电，本地电源支撑少，系统发生严重故障时多回直流同时从系统中吸收大量无功，存在电压失稳的风险。

研究考虑在华东长三角地区的奉贤换流站、苏州换流站、政平换流站、南京换流站、泰州换流站分别加装 2 台调相机，单台额定容量 300 Mvar。

3.1 提高直流多馈入短路比

在直流多馈入地区，一般采用直流多馈入短路比(multi-infeed short circuit ratio， MISCR)来衡量交流系统对于直流的支撑能力[16]，对比加装调相机前后各直流的多馈入短路比如表 3 所示。调相机作为旋转设备，增强了长三角地区交流电网的短路容量和支撑能力，可有效提升各直流多馈入短路比。

3.2 降低多回直流同时换相失败的风险

调相机利用次暂态特性，故障瞬时可发出大量无功，能够降低直流换相失败的机率。对比加装调相机前后，江苏主要 500 kV 线路三永 N1 故障引发直流换相失败的线路条数如表 4 所示。

由表 4 可知，加装调相机可大幅减少多回直流同时换相失败的机率。以苏东善—秦淮三永 N1 故障为例，未加装调相机时，故障后导致葛南、复奉、锦苏、龙政、林枫、宜华、锡泰、晋南、溪浙共9 回直流发生换相失败，直流换相失败引发的暂态能量冲击高达 4800 万 kW，如图 8 所示。导致送端华中电网出现大量功率盈余，系统无法消纳华中机组的加速能量，华中对华北机组发生功角失稳，引发华北—华中电网失稳解列，如图 9 所示。

考虑华东长三角地区各直流换流站加装调相机方案，东善—秦淮三永 N-1 故障后，调相机利用其次暂态特性提供大量瞬时无功支撑换流站电压，如图 10 所示。此时，只有锦苏、龙政、锡泰、晋南 4 回直流换相失败，换相失败引发的暂态能量冲击降至 2600 万 kW，送端系统恢复稳定。

3.3 提升多直流馈入电网的电压稳定水平

考虑远景年华东电网直流满功率输送、江苏地区部分供热机组和燃气机组关停的腰荷方式下， 苏南地区玉山—石牌、东善—龙王、南京换—三汊湾等 500 kV 交流线路发生“ N2” 故障会导致系统电压失稳。以东善—龙王 500 kV 线路三永 N2 故障为例，故障后各母线电压、 直流功率如图 11 所示。

考虑华东长三角地区各直流换流站加装调相机方案， 调相机具备强励能力，故障后电压严重跌落工况下，短时(1 s)发出额定容量 2 倍左右无功，为系统提供紧急无功电压支撑，如图 12 所示。 苏南地区各 500 kV 线路“ N2” 故障后，系统恢复稳定运行。

3.4 对于短路电流的影响

华东电网在现有的网架上加装调相机后，调相机对于附近 500 kV 站点短路电流的贡献约 1.5~3.5 kA。即使不加装调相机，上海、江苏等地也面临短路电流超标问题，上海的亭卫、远东、奉贤站，江苏的武南、惠泉、石牌等站接近开关遮断电流。

采取改变系统运行方式(如拉停 500 kV线路、500 kV线路站内出串或在站内对 500 kV 分母运行)、改变网架结构、改变系统开机方式、增加系统电气距离(如加装 500 kV 串抗、采用高阻抗升压变或降压变)等措施后可将短路电流限制在允许范围内。

4 新一代调相机的技术优势

4.1 容量大

相比于以往调相机组，新一代调相机容量有较大提高。之前我国运行的最大容量调相机为天津北郊变 160 Mvar 机组，目前新设计的调相机组单机容量为 300 Mvar(进相运行能力为 200 Mvar)，超过一般 500 kV 变电站无功补偿装置容量，可为电网提供足够的无功支撑。同时，调相机容量的提高有利于降低单位造价。

4.2 少维护

以往调相机组的内冷却系统采用氢冷方式，需要制氢或储氢设备，每次启动前需采用二氧化碳进行气体置换，需设置密封油系统、氢系统、水系统等，对运行人员专业能力要求较高，运行维护工作量大。新一代调相机组可采用全密闭空冷形式，调相机运行时密闭的空气经轴端风扇加压后进入机组内部，将调相机冷却后，热风回到空气冷却器由外部冷却水进行冷却。相比传统调相机组，新一代调相机运行维护量大幅减少。

4.3 瞬时无功支撑能力强

4.4 暂态无功响应快

5 结论

新一代大容量调相机能够全面提升系统动态无功储备，可解决受端电网动态无功不足、弱送端电网短路容量支撑不足等各种类型的电压稳定问题，加强系统的电压支撑和运行灵活性。调相机加装于华东地区等站点密集的受端电网时，对短路电流有一定贡献，可能需采取相应的控制措施。

新一代调相机通过优化设计，性能得到了全面改善。单机容量增大至 300 Mvar，无功支撑能力强，同时降低了单位造价;采用全密闭空冷形式，运行维护方便;新型调相机在故障瞬间的电压支撑能力强，暂态响应速度快，过载能力大，且具备较强的进相能力。新型调相机以其独特的优势，未来将在特高压交直流电网中发挥重要作用。

作者：王雅婷、张一驰、周勤勇、李志强、姜懿郞、汤涌、吴俊玲、高超、屠竞哲( 中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）

沈沉（清华大学 电机工程与应用电子技术系， 北京市 海淀区 100084)

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