多臺同步調相機在特高壓換流站中的協調控制策略分析

劉會鵬，楊江濤，李軍，吳瑕，劉心旸

(1.國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004；2.國家電網有限公司直流技術中心，北京100032)

同步調相機容量大，可靠性好，動態響應能力強，在電力系統故障情況下能迅速給系統補償大量無功[1]。同時，同步調相機輸出無功，在提高受端交流電網短路比，提高電網穩定性和靈活性等方面具有突出優點[2]。直流系統閉鎖時，同步調相機可深度進相運行，吸收電網甩負荷后冗余的大量無功，避免系統電壓急劇上升。發生交流系統近端故障、導致電壓下降時，同步調相機可實現強勵，快速發出大量無功來維持電網穩定。

同步調相機已在理論和工程實際中得到廣泛運用[3]，但在特高壓直流輸電系統的案例較少，且多限于獨立控制。本文以特高壓直流換流站配置大容量同步調相機為契機，結合換流站無功控制功能和同步調相機無功控制特性，提出多臺同步調相機協調控制策略。

1 特高壓直流換流站無功控制功能

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

如圖1所示，特高壓直流換流站無功功率的控制功能包含6項子功能。按照優先級順序，從高至低對站內配置的濾波器組和并聯電容器組進行投退控制[4]，優先級1為最高優先級，見表1。UHVDC_RPC主要完成以下功能或目標:①根據無功設備的容量投濾波器組；②監視穩態交流母線電壓；③限制投入的濾波器組；④根據諧波濾波要求投入濾波器組；⑤將直流站與交流電網的無功交換量限制在設定范圍內；⑥控制交流母線電壓為參考值。另一濾波器來取代此濾波器。該過程可按照時間分成快速取代和常規取代。若跳閘的濾波器屬于絕對最小濾波器之內，則系統將在1 s內完成替代，若屬于最小濾波器組數，則響應速度會相對較慢，5 s內完成替代過程。

圖1 UHVDC_RPC控制框圖

表1 無功控制功能優先級

2 特高壓直流換流站同步調相機無功控制特性

運行過程中，當某一濾波器被相關保護動作切除后，為滿足絕對最小濾波器或諧波要求，會投入電力系統事故后運行曲線按照時間尺度可劃分為次暫態過程、暫態過程、穩態過程，如圖2所示。對應于每段過程，同步調相機可分別發揮次暫態特性、暫態特性、穩態特性，為系統提供動態無功支撐[5-6]。

圖2 同步調相機3種運行特性示意圖

2.1 次暫態特性

同步調相機具有應對電網次暫態過程的能力，在電網發生故障瞬間，同步調相機可保持機端電壓不變情況下，瞬間吸收/發出大量無功功率。在受端換流站時，無論是交流電網線路故障跳閘或直流系統異常引發交流電壓跌落，導致換流站交流母線電壓低時，可瞬時發出大量無功，快速恢復電網電壓，減少換相失敗發生。在送端換流站時，當受端換流站發生換相失敗時，會導致送端電網電壓瞬時升高，此時同步調相機可吸收剩余無功，有效減小暫態過電壓。

2.2 暫態特性

同步調相機具有應對電網暫態過程的能力，同步調相機具有強勵特性，調相機勵磁電壓快速變大，勵磁電流迅速增加，允許的最大強勵勵磁電流可達額定勵磁電流的2.5～3倍，能夠在短時發出2倍以上額定無功功率。

2.3 穩態特性

同步調相機具有應對電網穩態過程的能力，將同步調相機安裝在送端換流站，能夠深度進相運行，對系統剩余無功進行消納，有效減小系統問題過電壓概率。安裝在受端換流站時，在交流電網故障隔離后，由于負荷急劇增加，電網電壓無法恢復至穩態電壓運行水平，同步調相機進入遲相運行，快速恢復交流電網。

3 多臺同步調相機協調控制策略

3.1 同步調相機運行狀況及問題分析

同步調相機作為近兩年新增的大型動態無功補償設備，其控制采用無功外環和電壓內環相結合的方式進行無功功率輸出控制。正常運行工況下，同步調相機采用無功外環進行控制。交流電網故障時，同步調相機快速轉換為電壓內環控制，快速調節出力，以達到電壓穩定的目的。

對于設置兩臺同步調相機的換流站，兩臺調相機在電網故障情況下最大進相深度可達到2×(-150)Mvar，即-300 Mvar，最大額定遲相能力可以達到2×300 Mvar，即600 Mvar。因調相機的進相能力較額定遲相能力偏小，兩臺調相機可向電網提供和吸收無功功率裕度不同。

在交流系統故障時，系統電壓降低，兩臺調相機有600 Mvar的動態無功支撐能力，在交流電網嚴重故障導致電壓大幅度下降時，調相機還能在強勵狀態下提供額定容量2倍短時緊急無功電壓支撐，可以快速恢復特高壓直流系統輸送功率和交流系統電壓。

當特高壓直流系統發生極閉鎖時，有功功率瞬時降至0，此時兩臺調相機的進相無功裕度為-300 Mvar，相當于遲相運行無功裕度的一半，相當于強勵狀態下無功出力的1/4，此時由于切除濾波器動作相對較慢，送端換流站濾波器冗余大量無功，會造成交流電網暫態電壓越限。我國西北等地電網在輕載運行時的穩態電壓偏高，也要求調相機具有深度進相能力[7]。尤其對于新能源集中外送的直流輸電工程，交流電網電壓過高，造成風機大面積脫網，會減少直流系統新能源有功輸送比例。表2為當前同步調相機在直流輸電系統中的應用情況。

表2 國家電網公司第一批同步調相機數量分布

3.2 多臺同步調相機協調控制策略

對于安裝有2臺同步調相機的換流站，引入同步調相機穩態運行時的出力參考值Qc-ref，遲相運行時Qc-ref大于0，進相運行時Qc-ref小于0。穩態運行時，設定1號同步調相機的出力Qc-ref1為當前直流功率下需要投入的最后一組濾波器容量，代替這組濾波器運行；2號同步調相機的出力Qc-ref2根據小組濾波器的容量和調相機的額定容量及進相能力設定，設定后保持兩臺調相機的動態無功儲備和動態回降無功儲備之和相等。

同步調相機1/2的動態無功儲備如式 (1)所示:

式中Sn為同步調相機的額定容量，Mvar，兩臺調相機的額定容量相同；Qc-ref1、Qc-ref2為調相機1/2的當前出力，Mvar；Ql1、Ql2為調相機1/2的動態無功儲備，Mvar。

同步調相機1/2的動態回降無功儲備如式(2)所示:

式中Qjx為調相機的最大進相能力，Mvar，兩臺調相機進相能力相同；Qr1、Qr2為調相機1/2的動態回降無功儲備，Mvar。

按照策略，設定后保持兩臺調相機的動態無功儲備和動態回降無功儲備相等，即式 (3)所示:

代入式 (1)、(2)得式 (4):

運行策略上，在直流功率上升時，功率調整到設定值前，滿足無功控制功能中最小濾波器控制的前提下，在無功交換控制子功能需要投入下一組濾波器時，協調控制策略生效。先投入1號調相機，使其出力逐步達到當前功率下將投入的下一組濾波器的容量，再投入2號調相機，使其進相運行，使其滿足式 (5)的要求，最終達到調整兩臺調相機的動態無功儲備和動態回降無功儲備相等的目的。如圖3所示為控制策略示意圖。

圖3 協調控制策略示意圖

在直流功率下降時，仍按照無功控制功能中無功交換控制子功能進行濾波器切除。若再切除一組濾波器將無法滿足最小濾波器組數要求，切除一組濾波器將會影響電網諧波性能，且還需要減少無功功率，控制策略將退出調相機協調控制，使兩臺調相機逐步回歸出力為0狀態運行。此后，若直流功率繼續下降，無功控制子功能會繼續切除下一組濾波器。

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

控制策略設定1號調相機遲相運行，2號調相機進相運行，換流站無功交換控制滯回值為Qdead，無功交換控制參考值為Qref。根據每個換流站無功消耗情況，按式 (6)的控制策略設定無功交換控制滯回值Qdead和參考值Qref，確保換流站與交流系統無功交換量Qexp在無功交換控制的設定值范圍內。

式中Qexp為換流站與交流電網交換的無功；Qfilt為投入的濾波器提供的無功；Qconv為換流器吸收的無功，Qc-ref1＋Qc-ref2為兩臺調相機提供的無功。

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

此策略的實施是建立在直流系統原有的無功控制策略基礎上的，正常運行情況下，系統按照無功控制按照Q控制要求投切濾波器，在交流濾波器滿足直流系統最小濾波器組數之后才投入，不會影響交流濾波器的濾波效果，能很好確保系統的諧波含量滿足要求。因此，不需要對原有的控制保護系統進行軟件邏輯修改。

3.3 分析與驗證

以上分析可看出，采用此策略后，雖然會對系統的動態無功儲備有一定影響，會降低一定的無功儲備量，但可以通過合理的設置參考值，確保無功儲備量滿足系統需求，給電網提供足夠的無功支撐。在不影響系統經濟性的情況下，大幅增加了調相機的出力速度，有利于電網故障的恢復。

由于兩臺同步調相機一起發出較多無功，此時換流站無功控制功能會少投入一組濾波器。一旦直流系統發生換相失敗或極閉鎖，送端換流站交流暫態電壓過高，交流濾波器投入的數量越少對其影響越小，調相機有更多的動態回降無功儲備，可以瞬時吸收更多冗余無功，實現系統電壓更平滑控制。交流電網故障時瞬時無功缺額較大，同時調相機有動態無功儲備，可以快速補償系統無功缺額，也有更多的備用交流濾波器組可以投入運行，實現對系統電壓的強有力支撐。這兩種情況針對送端新能源電源為大容量風電機組的運行極為有利，加入調相機和濾波器協調控制后，實現電網電壓平滑調整，可有效抑制風電機組脫網。由于調相機無功出力較以前增加，可以減少濾波器組投入數量，增加備用濾波器數量。同步調相機接入換流站交流母線后，會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為調相機額定出力300 Mvar，Qjx為調相機最大進相能力150 Mvar，當取Qc-ref1為小組濾波器容量260 Mvar時，Qc-ref2由式(5)計算得-110 Mvar。此時兩臺調相機的動態無功出力范圍為-450～450 Mvar，可確保不同類型電網故障時調相機的動態無功儲備和動態回降無功儲備相等，比兩臺調相機均在0出力時的動態無出力范圍-300～600 Mvar更均衡。

4 結語

對于配有同步調相機的高壓直流輸電系統，調相機能夠很好的起到動態無功支撐作用。而新一代大容量同步調相機的進行能力較額定遲相能力偏小，使得兩臺調相機可向電網提供的動態無功儲備和動態回降無功儲備不均衡，因此，本文提出了多臺同步調相機協調控制策略。特高壓直流換流站配置的多臺同步調相機協調控制后，可以均衡同步調相機的動態無功出力和動態回降無功出力，有效應對交直流系統不同類型電網故障。同時能夠減少濾波器組的投入數量，增加備用濾波器數量。