黃 慧，吳雪蓮，樓伯良，華 文，王龍飛

（1.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），南京 211106；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

特高壓直流輸電以其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)成為我國大區(qū)互聯(lián)和遠(yuǎn)距離大容量輸電的重要形式，為我國大范圍資源優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用。直流輸電容量、電壓等級(jí)越高，直流故障對(duì)送、受端交流電網(wǎng)沖擊越大。對(duì)于多直流饋入受端電網(wǎng)，直流受入替代常規(guī)發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功電壓支撐不足，惡化了受端系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)特性，直流故障將給系統(tǒng)帶來巨大的無功功率沖擊[1-4]。

為了增強(qiáng)特高壓交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是多直流饋入受端電網(wǎng)，需要配備大規(guī)模動(dòng)態(tài)無功。目前應(yīng)用比較廣泛的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要有同步調(diào)相機(jī)、SVC（靜止無功補(bǔ)償器）和STATCOM（靜止同步補(bǔ)償器）等。相比于SVC 和STATCOM 等基于電力電子技術(shù)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，大容量新型調(diào)相機(jī)具有更好的無功出力特性，又可為系統(tǒng)提供短路容量，無功功率輸出受系統(tǒng)電壓影響較小，同時(shí)在抑制直流受端換相失敗方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)改善多直流饋入受端電網(wǎng)的穩(wěn)定性和支撐電壓效果更優(yōu)[5-13]。

目前，我國已生產(chǎn)出新一代300 Mvar 調(diào)相機(jī)并大規(guī)模投產(chǎn)應(yīng)用，截至2018 年底已投產(chǎn)17臺(tái)調(diào)相機(jī)[1]，針對(duì)調(diào)相機(jī)的接入和對(duì)電網(wǎng)特性影響已有專家作了深入研究。文獻(xiàn)[14]深入分析了同步調(diào)相機(jī)的無功出力特性及對(duì)直流逆變側(cè)的影響特性。文獻(xiàn)[15]結(jié)合直流換流站無功電壓綜合控制需求，針對(duì)調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制特點(diǎn)，研究了調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制策略，并提出了調(diào)相機(jī)無功電壓協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[16]通過分析常規(guī)調(diào)相機(jī)控制方式在抑制直流連續(xù)換相失敗方面的不足，提出了基于直流換相失敗信息觸發(fā)的調(diào)相機(jī)緊急控制策略，并給出了實(shí)現(xiàn)方法及實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。調(diào)相機(jī)具有良好的調(diào)節(jié)無功性能，現(xiàn)有研究主要集中在調(diào)相機(jī)的無功特性及對(duì)電壓改善效果，鮮有針對(duì)計(jì)及調(diào)相機(jī)參與多直流饋入受端電網(wǎng)故障后緊急控制的研究和工程應(yīng)用實(shí)例。

本文首先分析了調(diào)相機(jī)運(yùn)行特性及對(duì)多直流饋入受端電網(wǎng)運(yùn)行的影響，分析了電網(wǎng)故障后調(diào)相機(jī)參與緊急控制以抑制直流連續(xù)換相失敗的必要性，然后重點(diǎn)研究了調(diào)相機(jī)參與緊急控制的策略思想和架構(gòu)，并通過實(shí)際省級(jí)電網(wǎng)仿真驗(yàn)證了策略的可行性和有效性。

1 新一代調(diào)相機(jī)運(yùn)行特性及對(duì)受端電網(wǎng)影響

1.1 新一代調(diào)相機(jī)運(yùn)行特性

新一代調(diào)相機(jī)具有更強(qiáng)的過載能力和更快的響應(yīng)速度，其次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性可以提供更強(qiáng)的電壓支撐能力和無功補(bǔ)償能力。加裝于直流受端時(shí)，可在故障瞬時(shí)發(fā)出大量無功，當(dāng)電壓大幅跌落時(shí)，進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，新一代調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系數(shù)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)達(dá)到3.5 倍，為系統(tǒng)提供緊急無功電壓支撐，防止電壓崩潰；300 Mvar 調(diào)相機(jī)具有300 Mvar 遲相和150～200 Mvar 的進(jìn)相持續(xù)運(yùn)行能力，在交流系統(tǒng)故障清除后當(dāng)系統(tǒng)電壓無法恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓范圍時(shí)，調(diào)相機(jī)進(jìn)入遲相運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓水平[7，17]。

1.2 新一代調(diào)相機(jī)對(duì)受端電網(wǎng)影響

以賓金、靈紹特高壓直流的受端——浙江電網(wǎng)為例，說明調(diào)相機(jī)對(duì)受端電網(wǎng)影響，研究采用機(jī)電暫態(tài)仿真軟件PSD-BPA 潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序作為主要仿真工具，數(shù)據(jù)中直流模型采用基于ABB 實(shí)際直流控制系統(tǒng)的DA 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。調(diào)相機(jī)主要參數(shù)直軸次暫態(tài)電抗0.111 p.u.，直軸暫態(tài)電抗0.165 p.u.，直軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)7.46 s。目前，浙江電網(wǎng)已形成“兩交兩直”特高壓混聯(lián)電網(wǎng)格局，區(qū)外直流規(guī)模提升對(duì)浙江電網(wǎng)常規(guī)電源置換效應(yīng)進(jìn)一步加劇，出現(xiàn)“大受電、小開機(jī)”運(yùn)行方式，直流換流站近區(qū)缺乏大電源支撐，電網(wǎng)存在暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題，若交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，將導(dǎo)致直流連續(xù)換相失敗，對(duì)浙江電網(wǎng)最小火電機(jī)組開機(jī)要求進(jìn)一步提高。

（1）對(duì)受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平影響

由于調(diào)相機(jī)具有較好的動(dòng)態(tài)電壓支撐能力，能在系統(tǒng)電壓跌落時(shí)提供動(dòng)態(tài)無功支撐，有利于提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平。基于2019 年夏季高峰方式，500 kV 丹溪—永康雙線發(fā)生三相永久“N-2”故障，靈紹直流近區(qū)暫態(tài)電壓曲線如圖1 所示，賓金、靈紹直流換流站加裝調(diào)相機(jī)后對(duì)母線電壓有抬升作用。

圖1 有無調(diào)相機(jī)對(duì)交流故障后直流近區(qū)電壓影響

（2）對(duì)受端電網(wǎng)直流換相失敗影響

調(diào)相機(jī)可在故障瞬時(shí)發(fā)出大量無功，從而降低受端電網(wǎng)直流換相失敗次數(shù)，一定程度上避免因直流連續(xù)換相失敗引起的直流閉鎖故障?；?019 年夏季高峰方式，對(duì)浙江電網(wǎng)內(nèi)500 kV 線路進(jìn)行三相永久“N-2”故障掃描，表1 為加裝調(diào)相機(jī)前后導(dǎo)致賓金、靈紹直流連續(xù)3 次換相失敗的故障數(shù)目。可以看出加裝調(diào)相機(jī)后，兩大直流換相失敗次數(shù)明顯減少。

其中，以500 kV 金華—萬象雙線三相永久“N-2”故障為例，投入調(diào)相機(jī)和未投調(diào)相機(jī)相比，賓金直流換相失敗次數(shù)由3 次降為2 次，如圖2所示。

表1 不同方案下導(dǎo)致直流連續(xù)3 次換相失敗故障數(shù)

圖2 調(diào)相機(jī)對(duì)換相失敗次數(shù)的影響

1.3 調(diào)相機(jī)常規(guī)控制策略不足

調(diào)相機(jī)增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備，對(duì)直流連續(xù)換相失敗有一定抑制效果，暫態(tài)過程中，直流或交流系統(tǒng)故障瞬間，調(diào)相機(jī)主要通過自主響應(yīng)及勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)控制，通過跟蹤機(jī)端電壓快速調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的無功功率。但電網(wǎng)中大部分故障后電壓并不會(huì)持續(xù)維持在同一水平，而是隨著故障的發(fā)生而波動(dòng)。對(duì)于多直流饋入受端電網(wǎng)，直流故障后電壓恢復(fù)慢，易發(fā)生直流多條、連續(xù)換相失敗，因此需要補(bǔ)償裝置提供盡量多的無功支撐以輔助電壓恢復(fù)[3]，調(diào)相機(jī)無法持續(xù)維持在強(qiáng)勵(lì)水平，對(duì)后續(xù)直流連續(xù)換相失敗抑制效果不佳。圖3 為浙江電網(wǎng)發(fā)生500 kV 丹溪—永康雙線三相永久“N-2”故障后，靈紹直流發(fā)生連續(xù)3 次換相失敗，直流換流站母線電壓及調(diào)相機(jī)出力曲線。

由圖3 可見，靈紹直流換流站母線電壓跌落嚴(yán)重，電壓振蕩明顯，紹興站調(diào)相機(jī)輸出無功也隨之振蕩，不能始終維持在強(qiáng)勵(lì)水平，對(duì)直流發(fā)生連續(xù)換相失敗無法起到足夠的支撐作用。

2 調(diào)相機(jī)參與緊急控制策略研究

2.1 總體設(shè)計(jì)思想

圖3 換流站母線電壓與調(diào)相機(jī)無功功率曲線

在我國現(xiàn)有的電網(wǎng)三道防線綜合防御體系中，利用第二道防線采取基于故障的緊急控制，用于保障系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定，是解決電網(wǎng)穩(wěn)定問題的有效手段。因此，亟需研究調(diào)相機(jī)參與緊急控制措施，通過事故信息緊急觸發(fā)調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，令調(diào)相機(jī)進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，為系統(tǒng)提供緊急無功支撐并持續(xù)一定的時(shí)間，從而有效改善系統(tǒng)直流連續(xù)換相失敗情況。

2.2 設(shè)計(jì)架構(gòu)

調(diào)相機(jī)參與緊急控制架構(gòu)包括緊急控制主站、換流站母線電壓控制子站及調(diào)相機(jī)控制執(zhí)行站[18-19]。以換流站母線電壓為控制目標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線電壓，當(dāng)?shù)渲羻?dòng)門檻值時(shí)，將告警信息發(fā)送至緊急控制主站，緊急控制主站基于網(wǎng)內(nèi)可調(diào)用調(diào)相機(jī)運(yùn)行信息，將控制信號(hào)發(fā)送至調(diào)相機(jī)控制執(zhí)行站，由執(zhí)行站向調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)送修改勵(lì)磁參考電壓及持續(xù)時(shí)間指令，完成調(diào)相機(jī)緊急控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 調(diào)相機(jī)緊急控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 控制策略

在緊急控制策略中，調(diào)相機(jī)緊急控制信號(hào)為直流換流站母線電壓，如發(fā)生接地故障，故障發(fā)生期間或故障消除瞬間，母線電壓幅值可能存在突變。為了降低電壓監(jiān)測(cè)誤差，防止誤動(dòng)，策略重點(diǎn)針對(duì)直流換流站母線電壓跌落條件，通過發(fā)出電壓告警信息緊急控制調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)并持續(xù)一定時(shí)間，快速恢復(fù)系統(tǒng)電壓水平[20]。

（1）為了提高測(cè)量精度，基于滑動(dòng)窗口技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方式，選取電壓波動(dòng)曲線上任意一段作平均值處理，即：

式中：UA為滑動(dòng)窗口中電壓幅值的平均值；i 為當(dāng)前窗口中第一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間；N 代表滑動(dòng)窗口中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；Ut1=n為采樣時(shí)刻t1等于n 時(shí)的電壓幅值。

（2）對(duì)滑動(dòng)窗口中電壓數(shù)據(jù)取方差，當(dāng)方差最小時(shí)，即隨采樣時(shí)刻t1而變化的電壓幅值曲線波動(dòng)最小，則此電壓平均值為故障期間電壓幅值最終值，即：

（3）通過式（3）判斷換流站母線電壓是否低于緊急控制啟動(dòng)門檻值并滿足一定的延遲時(shí)間：

式中：UGate為緊急控制啟動(dòng)電壓門檻值；Ti為換流站母線電壓低于門檻電壓時(shí)間；TDelay為低電壓延時(shí)門檻值。當(dāng)故障后換流站母線電壓幅值UA低于UGate，同時(shí)延時(shí)大于TDelay，則將電壓告警信息發(fā)至緊急控制主站，緊急強(qiáng)勵(lì)調(diào)相機(jī)參與緊急控制，其中UGate和TDelay選值可根據(jù)DL/T 1773—2017《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》以及不同電網(wǎng)實(shí)際需求制定。

2.4 控制流程

緊急控制主站獲取換流站母線電壓、網(wǎng)內(nèi)調(diào)相機(jī)運(yùn)行信息（投運(yùn)、停運(yùn)信息），根據(jù)母線電壓實(shí)時(shí)信息和告警信息，并綜合調(diào)相機(jī)運(yùn)行信息，通過匹配控制策略表，發(fā)送給各調(diào)相機(jī)控制執(zhí)行站，由調(diào)相機(jī)控制執(zhí)行站向調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)送修改勵(lì)磁電壓及持續(xù)時(shí)間指令，完成調(diào)相機(jī)緊急控制。當(dāng)持續(xù)時(shí)間或觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)保護(hù)限制后，調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)入退熱期[16]，正常情況下調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)具有2.5 倍勵(lì)磁電流，并持續(xù)時(shí)間15 s，該過載能力是反時(shí)限能力，當(dāng)過載倍數(shù)超過2.5 倍時(shí)，持續(xù)時(shí)間縮短，但此持續(xù)時(shí)間足以應(yīng)對(duì)直流連續(xù)換相失敗[3]。系統(tǒng)控制流程如圖5所示。

圖5 調(diào)相機(jī)緊急控制系統(tǒng)流程

3 仿真算例

以浙江電網(wǎng)2019 年夏季高峰方式為仿真算例，目前賓金、靈紹兩大直流滿功率運(yùn)行為16 000 MW，在直流受端規(guī)劃投產(chǎn)金華、紹興站各2 臺(tái)300 Mvar 調(diào)相機(jī)。對(duì)于多直流饋入受端電網(wǎng)，嚴(yán)重故障情況下可能發(fā)生多回直流同時(shí)多次換相失敗，造成直流相繼閉鎖，對(duì)受端電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[21-22]，目前靈紹直流控制目標(biāo)為連續(xù)換相失敗次數(shù)不超過4 次，賓金直流換相失敗次數(shù)不超過3 次。

（1）調(diào)相機(jī)常規(guī)控制方式

根據(jù)前文所述，直流換流站安裝調(diào)相機(jī)后，且調(diào)相機(jī)處于常規(guī)控制方式時(shí)，仍有一定量交流線路發(fā)生三相永久“N-2”故障后導(dǎo)致直流發(fā)生連續(xù)3 次換相失敗，如圖6 所示，調(diào)相機(jī)輸出無功未維持在強(qiáng)勵(lì)水平上，對(duì)系統(tǒng)電壓未起到足夠支撐作用。

圖6 調(diào)相機(jī)常規(guī)控制下直流換相失敗情況

（2）調(diào)相機(jī)參與緊急控制

對(duì)金華、紹興站調(diào)相機(jī)采取緊急控制，以直流換流站母線電壓作為調(diào)相機(jī)緊急控制啟動(dòng)信號(hào)。目前新一代調(diào)相機(jī)具有更強(qiáng)的過載能力，強(qiáng)勵(lì)電壓響應(yīng)倍數(shù)更高（3.5 倍）[3]，在交流線路發(fā)生三永“N-2”故障后，換流站母線電壓跌落至門檻值，仿真中設(shè)置UGate為0.9 p.u.，延時(shí)門檻值TDelay為200 ms，發(fā)送緊急控制信息給調(diào)相機(jī)執(zhí)行站，強(qiáng)勵(lì)調(diào)相機(jī)至3.5 倍勵(lì)磁電流。同樣故障下，靈紹直流由連續(xù)3 次換相失敗降為2 次換相失敗，調(diào)相機(jī)采用不同控制方式下的直流單極功率曲線如圖7 所示，緊急控制下調(diào)相機(jī)無功出力曲線如圖8 所示。由圖可見，故障后緊急強(qiáng)勵(lì)調(diào)相機(jī)使其始終保持在強(qiáng)勵(lì)水平，有效減少了故障后直流連續(xù)換相失敗次數(shù)；同時(shí)，調(diào)相機(jī)緊急強(qiáng)勵(lì)后，雖然近區(qū)電壓有所升高，但并未超過安全范圍，調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)多發(fā)出的無功對(duì)于系統(tǒng)電壓提升效果很小，調(diào)相機(jī)退出強(qiáng)勵(lì)時(shí)電壓跌落也非常小，不足以對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

針對(duì)多直流饋入受端電網(wǎng)，多直流同時(shí)和連續(xù)換相失敗已成為當(dāng)前影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備，預(yù)防或減少多直流同時(shí)或連續(xù)換相失敗情況發(fā)生，同步調(diào)相機(jī)等動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。目前大量仿真分析表明，雖然調(diào)相機(jī)的配置一定程度上改善了系統(tǒng)直流的換相失敗概率，但僅僅依靠調(diào)相機(jī)自身響應(yīng)無法充分發(fā)揮其動(dòng)態(tài)無功支撐能力。因此本文在研究調(diào)相機(jī)對(duì)多直流饋入受端電網(wǎng)運(yùn)行特性影響基礎(chǔ)上，提出將調(diào)相機(jī)納入電網(wǎng)緊急控制的策略及系統(tǒng)架構(gòu)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流換流站母線電壓，當(dāng)故障后母線電壓跌落滿足門檻值即觸發(fā)調(diào)相機(jī)參與緊急控制，使調(diào)相機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)維持強(qiáng)勵(lì)水平，從而有效抑制直流連續(xù)換相失敗，保障多直流饋入受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 調(diào)相機(jī)不同控制下直流換相失敗情況

圖8 調(diào)相機(jī)不同控制下無功出力及電壓響應(yīng)情況