劉會(huì)鵬，楊江濤，李軍，吳瑕，劉心旸

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心，北京100032)

同步調(diào)相機(jī)容量大，可靠性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)，在電力系統(tǒng)故障情況下能迅速給系統(tǒng)補(bǔ)償大量無(wú)功[1]。同時(shí)，同步調(diào)相機(jī)輸出無(wú)功，在提高受端交流電網(wǎng)短路比，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性等方面具有突出優(yōu)點(diǎn)[2]。直流系統(tǒng)閉鎖時(shí)，同步調(diào)相機(jī)可深度進(jìn)相運(yùn)行，吸收電網(wǎng)甩負(fù)荷后冗余的大量無(wú)功，避免系統(tǒng)電壓急劇上升。發(fā)生交流系統(tǒng)近端故障、導(dǎo)致電壓下降時(shí)，同步調(diào)相機(jī)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)，快速發(fā)出大量無(wú)功來(lái)維持電網(wǎng)穩(wěn)定。

同步調(diào)相機(jī)已在理論和工程實(shí)際中得到廣泛運(yùn)用[3]，但在特高壓直流輸電系統(tǒng)的案例較少，且多限于獨(dú)立控制。本文以特高壓直流換流站配置大容量同步調(diào)相機(jī)為契機(jī)，結(jié)合換流站無(wú)功控制功能和同步調(diào)相機(jī)無(wú)功控制特性，提出多臺(tái)同步調(diào)相機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。

1 特高壓直流換流站無(wú)功控制功能

特高壓直流換流站無(wú)功控制功能 (UHVDC_RPC)基于交流母線電壓或換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功交換量要求，以維持交流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并根據(jù)換流器的無(wú)功消耗量和交流電網(wǎng)濾除諧波的需求投運(yùn)濾波器組，減少諧波對(duì)交流系統(tǒng)的危害[4]。

如圖1所示，特高壓直流換流站無(wú)功功率的控制功能包含6項(xiàng)子功能。按照優(yōu)先級(jí)順序，從高至低對(duì)站內(nèi)配置的濾波器組和并聯(lián)電容器組進(jìn)行投退控制[4]，優(yōu)先級(jí)1為最高優(yōu)先級(jí)，見表1。UHVDC_RPC主要完成以下功能或目標(biāo):①根據(jù)無(wú)功設(shè)備的容量投濾波器組；②監(jiān)視穩(wěn)態(tài)交流母線電壓；③限制投入的濾波器組；④根據(jù)諧波濾波要求投入濾波器組；⑤將直流站與交流電網(wǎng)的無(wú)功交換量限制在設(shè)定范圍內(nèi)；⑥控制交流母線電壓為參考值。另一濾波器來(lái)取代此濾波器。該過(guò)程可按照時(shí)間分成快速取代和常規(guī)取代。若跳閘的濾波器屬于絕對(duì)最小濾波器之內(nèi)，則系統(tǒng)將在1 s內(nèi)完成替代，若屬于最小濾波器組數(shù)，則響應(yīng)速度會(huì)相對(duì)較慢，5 s內(nèi)完成替代過(guò)程。

圖1 UHVDC_RPC控制框圖

表1 無(wú)功控制功能優(yōu)先級(jí)

2 特高壓直流換流站同步調(diào)相機(jī)無(wú)功控制特性

運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)某一濾波器被相關(guān)保護(hù)動(dòng)作切除后，為滿足絕對(duì)最小濾波器或諧波要求，會(huì)投入電力系統(tǒng)事故后運(yùn)行曲線按照時(shí)間尺度可劃分為次暫態(tài)過(guò)程、暫態(tài)過(guò)程、穩(wěn)態(tài)過(guò)程，如圖2所示。對(duì)應(yīng)于每段過(guò)程，同步調(diào)相機(jī)可分別發(fā)揮次暫態(tài)特性、暫態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性，為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐[5-6]。

圖2 同步調(diào)相機(jī)3種運(yùn)行特性示意圖

2.1 次暫態(tài)特性

同步調(diào)相機(jī)具有應(yīng)對(duì)電網(wǎng)次暫態(tài)過(guò)程的能力，在電網(wǎng)發(fā)生故障瞬間，同步調(diào)相機(jī)可保持機(jī)端電壓不變情況下，瞬間吸收/發(fā)出大量無(wú)功功率。在受端換流站時(shí)，無(wú)論是交流電網(wǎng)線路故障跳閘或直流系統(tǒng)異常引發(fā)交流電壓跌落，導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓低時(shí)，可瞬時(shí)發(fā)出大量無(wú)功，快速恢復(fù)電網(wǎng)電壓，減少換相失敗發(fā)生。在送端換流站時(shí)，當(dāng)受端換流站發(fā)生換相失敗時(shí)，會(huì)導(dǎo)致送端電網(wǎng)電壓瞬時(shí)升高，此時(shí)同步調(diào)相機(jī)可吸收剩余無(wú)功，有效減小暫態(tài)過(guò)電壓。

2.2 暫態(tài)特性

同步調(diào)相機(jī)具有應(yīng)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程的能力，同步調(diào)相機(jī)具有強(qiáng)勵(lì)特性，調(diào)相機(jī)勵(lì)磁電壓快速變大，勵(lì)磁電流迅速增加，允許的最大強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流可達(dá)額定勵(lì)磁電流的2.5～3倍，能夠在短時(shí)發(fā)出2倍以上額定無(wú)功功率。

2.3 穩(wěn)態(tài)特性

同步調(diào)相機(jī)具有應(yīng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的能力，將同步調(diào)相機(jī)安裝在送端換流站，能夠深度進(jìn)相運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)剩余無(wú)功進(jìn)行消納，有效減小系統(tǒng)問(wèn)題過(guò)電壓概率。安裝在受端換流站時(shí)，在交流電網(wǎng)故障隔離后，由于負(fù)荷急劇增加，電網(wǎng)電壓無(wú)法恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓運(yùn)行水平，同步調(diào)相機(jī)進(jìn)入遲相運(yùn)行，快速恢復(fù)交流電網(wǎng)。

3 多臺(tái)同步調(diào)相機(jī)協(xié)調(diào)控制策略

3.1 同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行狀況及問(wèn)題分析

同步調(diào)相機(jī)作為近兩年新增的大型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，其控制采用無(wú)功外環(huán)和電壓內(nèi)環(huán)相結(jié)合的方式進(jìn)行無(wú)功功率輸出控制。正常運(yùn)行工況下，同步調(diào)相機(jī)采用無(wú)功外環(huán)進(jìn)行控制。交流電網(wǎng)故障時(shí)，同步調(diào)相機(jī)快速轉(zhuǎn)換為電壓內(nèi)環(huán)控制，快速調(diào)節(jié)出力，以達(dá)到電壓穩(wěn)定的目的。

對(duì)于設(shè)置兩臺(tái)同步調(diào)相機(jī)的換流站，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)故障情況下最大進(jìn)相深度可達(dá)到2×(-150)Mvar，即-300 Mvar，最大額定遲相能力可以達(dá)到2×300 Mvar，即600 Mvar。因調(diào)相機(jī)的進(jìn)相能力較額定遲相能力偏小，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)可向電網(wǎng)提供和吸收無(wú)功功率裕度不同。

在交流系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)電壓降低，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)有600 Mvar的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力，在交流電網(wǎng)嚴(yán)重故障導(dǎo)致電壓大幅度下降時(shí)，調(diào)相機(jī)還能在強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)下提供額定容量2倍短時(shí)緊急無(wú)功電壓支撐，可以快速恢復(fù)特高壓直流系統(tǒng)輸送功率和交流系統(tǒng)電壓。

當(dāng)特高壓直流系統(tǒng)發(fā)生極閉鎖時(shí)，有功功率瞬時(shí)降至0，此時(shí)兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的進(jìn)相無(wú)功裕度為-300 Mvar，相當(dāng)于遲相運(yùn)行無(wú)功裕度的一半，相當(dāng)于強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)下無(wú)功出力的1/4，此時(shí)由于切除濾波器動(dòng)作相對(duì)較慢，送端換流站濾波器冗余大量無(wú)功，會(huì)造成交流電網(wǎng)暫態(tài)電壓越限。我國(guó)西北等地電網(wǎng)在輕載運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)電壓偏高，也要求調(diào)相機(jī)具有深度進(jìn)相能力[7]。尤其對(duì)于新能源集中外送的直流輸電工程，交流電網(wǎng)電壓過(guò)高，造成風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)，會(huì)減少直流系統(tǒng)新能源有功輸送比例。表2為當(dāng)前同步調(diào)相機(jī)在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

表2 國(guó)家電網(wǎng)公司第一批同步調(diào)相機(jī)數(shù)量分布

3.2 多臺(tái)同步調(diào)相機(jī)協(xié)調(diào)控制策略

對(duì)于安裝有2臺(tái)同步調(diào)相機(jī)的換流站，引入同步調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的出力參考值Qc-ref，遲相運(yùn)行時(shí)Qc-ref大于0，進(jìn)相運(yùn)行時(shí)Qc-ref小于0。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定1號(hào)同步調(diào)相機(jī)的出力Qc-ref1為當(dāng)前直流功率下需要投入的最后一組濾波器容量，代替這組濾波器運(yùn)行；2號(hào)同步調(diào)相機(jī)的出力Qc-ref2根據(jù)小組濾波器的容量和調(diào)相機(jī)的額定容量及進(jìn)相能力設(shè)定，設(shè)定后保持兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備和動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備之和相等。

同步調(diào)相機(jī)1/2的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備如式 (1)所示:

式中Sn為同步調(diào)相機(jī)的額定容量，Mvar，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的額定容量相同；Qc-ref1、Qc-ref2為調(diào)相機(jī)1/2的當(dāng)前出力，Mvar；Ql1、Ql2為調(diào)相機(jī)1/2的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，Mvar。

同步調(diào)相機(jī)1/2的動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備如式(2)所示:

式中Qjx為調(diào)相機(jī)的最大進(jìn)相能力，Mvar，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)進(jìn)相能力相同；Qr1、Qr2為調(diào)相機(jī)1/2的動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備，Mvar。

按照策略，設(shè)定后保持兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備和動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備相等，即式 (3)所示:

代入式 (1)、(2)得式 (4):

運(yùn)行策略上，在直流功率上升時(shí)，功率調(diào)整到設(shè)定值前，滿足無(wú)功控制功能中最小濾波器控制的前提下，在無(wú)功交換控制子功能需要投入下一組濾波器時(shí)，協(xié)調(diào)控制策略生效。先投入1號(hào)調(diào)相機(jī)，使其出力逐步達(dá)到當(dāng)前功率下將投入的下一組濾波器的容量，再投入2號(hào)調(diào)相機(jī)，使其進(jìn)相運(yùn)行，使其滿足式 (5)的要求，最終達(dá)到調(diào)整兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備和動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備相等的目的。如圖3所示為控制策略示意圖。

圖3 協(xié)調(diào)控制策略示意圖

在直流功率下降時(shí)，仍按照無(wú)功控制功能中無(wú)功交換控制子功能進(jìn)行濾波器切除。若再切除一組濾波器將無(wú)法滿足最小濾波器組數(shù)要求，切除一組濾波器將會(huì)影響電網(wǎng)諧波性能，且還需要減少無(wú)功功率，控制策略將退出調(diào)相機(jī)協(xié)調(diào)控制，使兩臺(tái)調(diào)相機(jī)逐步回歸出力為0狀態(tài)運(yùn)行。此后，若直流功率繼續(xù)下降，無(wú)功控制子功能會(huì)繼續(xù)切除下一組濾波器。

需投/切的下一組濾波器容量由UHVDC_RPC計(jì)算出下一組要投/切的濾波器類型，從而確定該類型濾波器組容量。

控制策略設(shè)定1號(hào)調(diào)相機(jī)遲相運(yùn)行，2號(hào)調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，換流站無(wú)功交換控制滯回值為Qdead，無(wú)功交換控制參考值為Qref。根據(jù)每個(gè)換流站無(wú)功消耗情況，按式 (6)的控制策略設(shè)定無(wú)功交換控制滯回值Qdead和參考值Qref，確保換流站與交流系統(tǒng)無(wú)功交換量Qexp在無(wú)功交換控制的設(shè)定值范圍內(nèi)。

式中Qexp為換流站與交流電網(wǎng)交換的無(wú)功；Qfilt為投入的濾波器提供的無(wú)功；Qconv為換流器吸收的無(wú)功，Qc-ref1＋Qc-ref2為兩臺(tái)調(diào)相機(jī)提供的無(wú)功。

當(dāng)Qexp小于設(shè)定值時(shí)，投入一組濾波器，大于設(shè)定值時(shí)切除一組濾波器，此時(shí)UHVDC_RPC無(wú)功交換控制 (Q Control)的滯回范圍 [Qref-Qdead，Qref＋Qdead] 需要重新設(shè)定。

此策略的實(shí)施是建立在直流系統(tǒng)原有的無(wú)功控制策略基礎(chǔ)上的，正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)按照無(wú)功控制按照Q控制要求投切濾波器，在交流濾波器滿足直流系統(tǒng)最小濾波器組數(shù)之后才投入，不會(huì)影響交流濾波器的濾波效果，能很好確保系統(tǒng)的諧波含量滿足要求。因此，不需要對(duì)原有的控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行軟件邏輯修改。

3.3 分析與驗(yàn)證

以上分析可看出，采用此策略后，雖然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備有一定影響，會(huì)降低一定的無(wú)功儲(chǔ)備量，但可以通過(guò)合理的設(shè)置參考值，確保無(wú)功儲(chǔ)備量滿足系統(tǒng)需求，給電網(wǎng)提供足夠的無(wú)功支撐。在不影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的情況下，大幅增加了調(diào)相機(jī)的出力速度，有利于電網(wǎng)故障的恢復(fù)。

由于兩臺(tái)同步調(diào)相機(jī)一起發(fā)出較多無(wú)功，此時(shí)換流站無(wú)功控制功能會(huì)少投入一組濾波器。一旦直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗或極閉鎖，送端換流站交流暫態(tài)電壓過(guò)高，交流濾波器投入的數(shù)量越少對(duì)其影響越小，調(diào)相機(jī)有更多的動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備，可以瞬時(shí)吸收更多冗余無(wú)功，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓更平滑控制。交流電網(wǎng)故障時(shí)瞬時(shí)無(wú)功缺額較大，同時(shí)調(diào)相機(jī)有動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功缺額，也有更多的備用交流濾波器組可以投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓的強(qiáng)有力支撐。這兩種情況針對(duì)送端新能源電源為大容量風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行極為有利，加入調(diào)相機(jī)和濾波器協(xié)調(diào)控制后，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓平滑調(diào)整，可有效抑制風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。由于調(diào)相機(jī)無(wú)功出力較以前增加，可以減少濾波器組投入數(shù)量，增加備用濾波器數(shù)量。同步調(diào)相機(jī)接入換流站交流母線后，會(huì)有效增大換流站交流母線短路容量，有效減小濾波器投切對(duì)換流站母線交流電壓影響。

以某特高壓直流換流站為例[8]，在滿足絕對(duì)最小濾波器和最小濾波器組情況下，在任意直流功率下，需要投入最后一組濾波器容量為260 Mvar(該站濾波器小組容量均為 260 Mvar)，Qdead為210 Mvar，Qref為 0，取 Sn為調(diào)相機(jī)額定出力300 Mvar，Qjx為調(diào)相機(jī)最大進(jìn)相能力150 Mvar，當(dāng)取Qc-ref1為小組濾波器容量260 Mvar時(shí)，Qc-ref2由式(5)計(jì)算得-110 Mvar。此時(shí)兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功出力范圍為-450～450 Mvar，可確保不同類型電網(wǎng)故障時(shí)調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備和動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備相等，比兩臺(tái)調(diào)相機(jī)均在0出力時(shí)的動(dòng)態(tài)無(wú)出力范圍-300～600 Mvar更均衡。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于配有同步調(diào)相機(jī)的高壓直流輸電系統(tǒng)，調(diào)相機(jī)能夠很好的起到動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐作用。而新一代大容量同步調(diào)相機(jī)的進(jìn)行能力較額定遲相能力偏小，使得兩臺(tái)調(diào)相機(jī)可向電網(wǎng)提供的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備和動(dòng)態(tài)回降無(wú)功儲(chǔ)備不均衡，因此，本文提出了多臺(tái)同步調(diào)相機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。特高壓直流換流站配置的多臺(tái)同步調(diào)相機(jī)協(xié)調(diào)控制后，可以均衡同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功出力和動(dòng)態(tài)回降無(wú)功出力，有效應(yīng)對(duì)交直流系統(tǒng)不同類型電網(wǎng)故障。同時(shí)能夠減少濾波器組的投入數(shù)量，增加備用濾波器數(shù)量。