特高壓近區系統不同程度電壓暫降下調相機的動態響應

胡一平，許國瑞，劉曉芳

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特高壓近區系統不同程度電壓暫降下調相機的動態響應

胡一平，許國瑞，劉曉芳

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

新型大容量同步調相機具有高、低電壓穿越能力強，短時過載能力大，調節特性基本不受系統電壓影響的優點，能較好地滿足特高壓直流輸電系統（UHVDC）對暫態無功的需求。本文將300MVar同步調相機模型與特高壓直流輸電系統耦合，研究了受端交流系統發生不同程度電壓暫降故障時，調相機的動態無功響應特性及其對交直流系統應對故障能力的影響。結果表明，隨著交流系統電壓降落程度的增加，調相機對電壓的支撐作用更加明顯，對于交直流系統應對故障能力起到積極作用。

同步調相機；特高壓直流輸電系統；電壓暫降；無功補償

0 前言

近年來，隨著大容量、遠距離特高壓直流輸電技術的推廣應用，電網“強直弱交”問題突出[1-3]。直流系統在大規模輸送有功功率的同時，本身并不向系統提供無功，由此導致動態過程中需從系統中大量吸收無功，與同容量的發電機組相比，特高壓直流大規模饋入受端系統的動態無功儲備顯著下降，電壓穩定問題愈顯突出[3-6]。

國標《電能質量電壓暫降與短時中斷》（GB/T30137-2013）規定的電壓暫降為：電壓暫降或下跌是指供電電壓有效值在短時間內突然下降又回升恢復的現象[7]。在電網中這種現象的持續時間大多為0.1～1.5s。電壓暫降屬于二維的電磁擾動，即電壓跌落的大小（暫降深度）和時間。電壓暫降的三個特征量：暫降幅值、持續時間和暫降頻次，是衡量電壓暫降嚴重度的最重要特征量。其中幅值為0.7~0.9p.u的電壓暫降占70%。持續時間不超過1s的約占90%，不超過0.1s的約占60%；

調相機固有的無功輸出特性恰好符合故障期間電網對動態無功的需求[8]。調相機在系統電壓較低時能夠依靠強勵在較短時間輸出大量的無功功率，穩定系統電壓以及其他電氣量。

鑒于此，研究調相機在高壓直流輸電系統電壓暫降故障中的影響作用，對于研究高壓直流輸電系統電壓穩定問題具有實際意義。本文參考了“上海廟-山東”特高壓直流工程建立了800kV特高壓直流輸電系統模型，將同步調相機接入受端500kV交流系統，計算并分析了在持續0.1s不同幅度的電壓暫降故障中，調相機的運行特性以及交直流系統中各電氣量的變化情況。并分別對故障持續過程中以及故障切除后調相機的無功出力以及系統電氣量的狀態進行了重點分析。

1 考慮大容量調相機作用的特高壓直流輸電系統仿真模型

1.1 UHVDC系統模型

本文建立的10000MW高壓直流雙極輸電系統整體如圖1所示。送端交流系統電壓為530kV，系統容量為10000MW，線路阻抗為0.754+j7.564Ω。受端交流系統電壓為525kV，系統容量為10000MW，線路阻抗為0.688+j6.911Ω。直流系統額定電壓為800kV，額定電流為6.25kA，額定傳輸容量為10000MW，直流輸電線路電阻為3.512Ω。額定運行時整流側角為15.55°，逆變側角為17.01°。

1.2 送端換流站控制策略

送端換流站由四組12脈動換流器串聯而成，通過四組530kV/172.8kV的換流變壓器與交流系統相連接，其控制目標是保持換流器觸發角和電流值不變，換流器的控制系統結構如圖2所示。控制系統有兩個輸入端口，分別為整流輸出值（CMR）和逆變器的電流；輸出端量為。CMR未經過大電感平波，需要經過一階線性濾波環節1除去脈動，得到直流電流值，其與受端測量電流值的差值為電流偏差。除此之外，在PI環節中還設置的最大輸出為175°，從而將觸發角限制在5°。將觸發角的實際值輸入到換流器，從而實現定電流控制。

圖1 UHVDC系統模型

圖2 整流器控制模型

1.3 受端換流站模型

受端換流站的基本結構與送端的類似，通過四組525kV/167.4kV的換流變壓器與交流系統相連接，受端的控制目標為保持直流電壓不變。受端換流站的控制模型如圖3所示。其中，GMID與GMIS分別為受端上下兩橋的熄弧角（）的測量值，為了防止過小導致換相失敗，必須選擇把最小的輸入到控制模塊中，同時輸入的還有受端測量的電壓VDCI和電流CMI。輸出的是受端的電流指令和觸發角，在模型中受端電流指令CORDER通過無線傳輸到送端，觸發角AOI輸入到受端換流橋。通過與送端控制系統的配合實現定γ角控制以及定電壓控制。

圖3 受端控制模型

1.4 同步調相機模型

本項目中應用的同步調相機的仿真模型與發電機模型相同，通常在轉子上存在四個等效繞組，即：d軸勵磁繞組f和阻尼繞組D、q軸阻尼繞組g和Q。轉子繞組的電壓方程為[9-11]：

上述方程是在假定電機磁路不飽和的條件下得出的。而同步調相機經常會運行在過勵情況下，定轉子鐵心處于深度飽和狀態，因此應考慮磁路的飽和因素，將飽和修正后的瞬態電勢代入方程后得到下式：

Park方程定子繞組電壓方程為：

其中，磁鏈與瞬態電勢滿足式

將式（4）代入式（3）得出：

2 電壓暫降時調相機對交直流系統的影響

當圖1所示的UHVDC系統運行在額定狀態時，在受端交流系統母線處設置故障，使得系統電壓分別暫降10%、30%和100%，并持續0.1s。調相機通過20kV/525kV升壓變壓器接入受端交流系統母線，調相機的額定無功為300MVar，額定線電壓為20kV，調相機的模型及接線方式如圖4所示。通過對系統故障過程及切除后的運行過程進行研究，分析調相機對交直流系統各電氣量變化的影響。

圖4 同步調相機模型及連接方式

2.1 交流系統電壓暫降10%

在圖1所示的系統運行到5s時，受端交流系統發生電壓暫降故障，暫降幅度為10%，持續0.1s。換流站接入調相機與未接入調相機時，交直流系統各電氣量的變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出，接入調相機后交流系統電壓在故障過程中比未接調相機時少下降10kV，直流系統電壓則少下降近80kV，直流系統傳輸有功在故障中要少下降1000MW；調相機在0.03s后輸出的無功功率達到40MVar，將機端電壓提升接近額定電壓。故障切除后，機端電壓經過0.012s就回升到20kV，交流系統電壓在0.03s內回升到正常運行狀態。在短時間小幅度的電壓暫降故障中，調相機接入能夠提升交、直流系統電壓，并且提高故障切除后系統各電氣量恢復正常狀態的速度。

2.2 交流系統電壓暫降30%

在圖1所示的系統運行到5s時，受端交流系統發生電壓暫降故障，暫降幅度為30%，持續0.1s。換流站接入調相機與未接入調相機時，交直流系統各電氣量的變化情況如圖6所示。

從圖6可以看出，接入調相機后交流系統電壓在故障過程中比未接調相機時少下降20kV，直流系統電壓則少下降近50kV，直流系統傳輸有功在故障中要少下降800MW；調相機在0.06s后輸出的無功功率達到190MVar，將機端電壓提升接近額定電壓。故障切除后，機端電壓在0.036s回升到20kV，交流系統電壓在0.04s內回升到正常運行狀態。在暫降幅度達到30%后，調相機能在故障中對系統電氣量起到一定支撐作用。并且在故障切除后能夠保證系統快速穩定地恢復到正常運行狀態。

2.3 交流系統電壓暫降100%

在圖1所示的系統運行到5s時，受端交流系統發生電壓暫降故障，暫降幅度為100%，持續0.1s。換流站接入調相機與未接入調相機時，交直流系統各電氣量的變化情況如圖7所示。

從圖7可以看出，無論系統是否接入調相機，故障中交流系統電壓都將下降至0%，直流系統電壓都將下降至60kV，直流系統傳輸有功都將下降至0MW。通過分析調相機對故障切除后各電氣量變化，可以得出如下結論：

（1）調相機在故障發生后0.07s可輸出200MVar無功功率，但調相機對故障過程中系統電壓的影響較小，而對故障切除后交流電壓的恢復影響較大。接入調相機時，調相機經過0.056s就將機端電壓恢復到了20kV。交流系統電壓在故障切除后0.06s內恢復到了穩定運行狀態，而未接入調相機的系統，交流電壓僅回升到額定電壓的70%；

（2）當系統接入調相機后，故障切除后直流系統發生了一次90kV的電壓波動，直流系統電壓在0.236s內恢復到額定電壓的90%。當系統未接入調相機時，直流系統電壓在故障切除后發生了兩次大幅度波動，電壓波動分別為300kV和260kV，直流系統電壓在0.236s內恢復到額定電壓的45%；

（3）調相機對直流系統有功傳輸的恢復速度具有重要影響，當系統接入調相機時，故障切除后直流系統傳輸的有功功率在0.2s內達到了的額定功率的90%，而系統不接調相機時，故障切除后直流系統傳輸的有功功率在0.2s內僅達到了額定功率的50%；

（4）在系統故障較為嚴重時，調相機的作用主要在故障切除后的恢復階段，接入調相機的系統在故障恢復速度及穩定性上要遠好于未接入調相機的系統。

綜合比較不同程度電壓暫降后系統電氣量的變化情況，可以得出：隨著故障程度的加劇，調相機輸出的無功功率會增加。而相對于未接入調相機的系統，接入調相機的系統在故障后的穩定性更好，且回升速度更快。

3 結論

同步調相機的動態響應特性使其在HVDC交流系統故障中更好的穩定系統各電氣量，本文計算了額定無功為300MVar調相機接入對受端交流系統不同程度電壓暫降故障的影響，得出了以下結論：

（1）隨著故障程度的加深，調相機在故障中將輸出更多的無功，對故障中的系統電壓提供更多的支撐。電壓暫降10%時，接入調相機后故障過程中的交流電壓比未接調相機時增加了10kV。電壓暫降30%時，接入調相機后故障過程中的交流電壓比未接調相機時增加了20kV；

（2）調相機的作用主要體現在故障切除后系統的恢復過程。接入調相機后，交直流系統的各電氣量能夠在故障切除后更快的恢復到穩定運行。調相機的接入提高了系統在故障后恢復穩定運行的能力。

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Dynamic Response of Synchronous Condenser in Different Voltage Sag of UHVDC Near Area System

HU Yiping, XU Guorui, LIU Xiaofang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The new large capacity synchronous condenser has the advantages of large voltage regulation range, short time overload capacity and not influenced by system voltage. Its operation characteristics can better meet the reactive power demand of UHVDC transmission system. In this paper, the 300MVar synchronous condenser model and UHVDC transmission system are coupled to study the dynamic reactive power response characteristics of the synchronous condenser and its influence on the ability of AC/DC system to deal with fault in voltage sags with different amplitude of receiving end AC system. The conclusion proves that with deepening of the fault degree, the effect of synchronous condenser is more obvious, which can play an active role in dealing with the fault of UHVDC systems.

synchronous condenser; UHVDC system; voltage sag; reactive power compensation

TM342

A

1000-3983(2018)06-0032-05

國家自然科學基金（51507059和51477049）中央高校基本科研業務費專項資金資助項目2018MS010

2018-05-20

胡一平 (1994-)，碩士研究生，就讀于華北電力大學電氣與電子工程學院，主要研究方向為大型電機運行特性及參數計算。