換相失敗下直流送端SVC無功反調機理分析及控制策略研究

李志，韓穎，李巖松，馬建軍，劉君

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

0 引 言

目前，高壓直流輸電技術被廣泛應用于我國“西電東送”工程中，該技術使得我國“三北”地區清潔能源的開發與消納成為可能[1-3]。研究發現，由于含有高比例新能源的直流送出系統相對薄弱，直流故障引起的無功波動導致送端電網電壓劇烈變化，這會影響到送端交流電網新能源的運行，嚴重的情況下甚至會造成新能源的無序脫網，嚴重威脅到電網的穩定運行[4-5]。動態無功補償對電網安全穩定運行至關重要，直流送端系統投運的新能源場站均配置了大量的動態無功補償設備，但是研究表明新能源場站配置的靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)等動態無功補償和新能源換流器本身存在反調特性，在低電壓時，其發出滯相無功；故障清除，系統過電壓時，進相無功無法立即跟上，仍發出滯相無功，進而抬高了過電壓[6]。SVC無功反調特性不利于系統的安全穩定運行，研究該現象的內在機理并采取相應的抑制措施至關重要。

無功反調現象最早被發現于風電場運行中[7]，后來也有人稱之為無功錯位補償效應[8]。風電場無功補償普遍采用在主變壓器低壓側裝設SVC的方式，但我國多個裝設SVC的風場出現“二次跳機”的現象，即電網發生短路故障時，大量風機由于低電壓穿越能力不足而脫網，故障切除時，又有部分風機因高電壓保護動作脫網。研究發現，SVC的無功反調特性是導致二次跳機的原因。

針對SVC無功反調問題，文獻[7]提出電網故障后延遲閉鎖SVC策略，但沒有給出啟動該策略的觸發條件；文獻[8]通過修改仿真參數分析SVC暫態響應，驗證其具備該效應，并通過變參數調節和緊急閉鎖控制策略以抑制該效應；文獻[9-10]指出SVC無功調節的滯后性是無功反調現象的根本原因，但是缺乏對滯后特性及其原因的分析與研究；文獻[11]通過合理配置FC與TCR容量，對FC的切換和TCR觸發角進行優化控制，降低了后續換相失敗的風險，同時一定程度上抑制了SVC反調現象。

除此之外，也有文獻分析證明了在直流外送系統中配置同步調相機可以比電力電子補償設備更有效地抑制直流故障引起的電壓無功波動[12-15]。目前，國網公司將在扎青、酒湖等直流工程送端系統中配備同步調相機[16]，隨之而來的送端系統的動態無功補償配置成為了直流工程中的主要研究方向之一。

綜上，針對無功反調現象，著重分析SVC在直流送端系統下的暫態無功響應，從控制系統暫態特性的角度分析，揭示了SVC響應滯后的本質原因，為以后設計SVC控制系統提供參考。在此基礎上，針對FC/TCR型靜止無功補償器提出電容器投切控制策略，從而抑制無功反調給系統帶來的不利影響。

1 SVC工作原理

1.1 概述

無功補償對于我國“西電東送”戰略至關重要，目前，我國“青海、新疆等地綠色電力送出”系統中投運了大量動態無功補償設備，其中SVC主要用于補償新能源場站的無功缺額。例如在風電場中，SVC主要裝設于主變低壓側，主要的功能是可以動態調節輸出的無功電流，幫助風場在故障后的電壓恢復，從而提高并網點的電壓穩定性、提高輸電線路輸送能力和改善系統的暫態穩定性等[17-19]。

目前，直流送端系統投運的新能源場站所配置的動態無功補償設備存在無功反調特性，該特性會助增直流故障引起的交流系統暫態過電壓，極大地威脅了送端電網的運行。

1.2 SVC一次系統

靜止無功補償器SVC[20]有多種基于晶閘管的控制結構，如圖1所示。這些結構包括晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、濾波電容器或固定電容器(FC)、機械投切電容器(MSC)等。通常SVC是這幾種裝置的組合，如TCR+FC、TCR+TSC、TCR+MSC等。其補償原理是通過一定的控制方法控制晶閘管的導通角度改變SVC輸出電納值，從而提供所需的無功功率[21]。

圖1 SVC結構

1.3 控制系統

電壓閉環控制是常用的SVC控制方法。控制系統通過控制晶閘管導通角平滑控制TCR等效電感，從而動態調整SVC輸出的無功功率來調節所連接母線的電壓。

SVC控制系統檢測系統的電氣量，依據給定參考輸入的大小產生相應的晶間管觸發角，以調節補償器吸收掉的無功功率。以電壓閉環控制為例，測量元件將系統電壓反饋給控制系統，計算所得的電壓偏差經過電壓調節器環節轉換成控制指令，該指令可以控制SVC晶閘管觸發角度，從而最終調節無功輸出。該控制系統基本結構如圖2所示。

圖2 SVC控制系統結構

電壓調節器是SVC控制器系統中的關鍵部分，作用過程為：將實時測量所得到的系統電壓值U，與參考信號Uref相比較，然后將誤差信號輸入到電壓控制器，輸出標么值電納BSVC，此電納信號可以控制誤差減小，并最終達到穩態誤差為零。電納信號BSVC送到觸發脈沖發生電路，平滑的調整TCR觸發角，從而可以調整SVC裝置的電納值，實現SVC無功出力的平滑調節。

2 SVC暫態運行特性研究

2.1 換相失敗引起的送端電網暫態電壓特性分析

對于高壓直流輸電系統，暫態期間送端交流系統母線電壓變化為：

(1)

式中 ΔU為換流站交流母線暫態電壓變化率；ΔQ為換流站與交流系統無功交換變化量；Sd為換流站交流母線的短路容量。

換流站消耗的無功功率為：

(2)

式中α為觸發角；μ為換相角；I為直流電流；Udio為理想空載直流電壓。交直流系統運行中的換相失敗故障會引發直流側短路，直流電流迅速增加，整流側換流器在此期間消耗的無功功率瞬間增大，導致交流系統出現無功缺額，交流母線電壓降低；整流站配備的電流控制環節使得直流電流迅速減少，換流站配備的濾波器所發出的無功全部注入整流側交流電網，從而出現暫態過電壓[22]。

因此，換相失敗引發的系統故障期間，直流送出交流系統母線電壓會呈現出“先低后高”的變化規律。基于CIGRE模型進行換相失敗仿真，得到的送端交流系統母線電壓波形如圖3所示。

圖3 送端系統典型電壓波形“先低后高”

2.2 控制系統特性分析

針對典型的SVC控制系統模型進行特性分析，該控制系統模型如圖4所示。

圖4 SVC控制系統模型

其中參考電壓與系統電壓有效值作差后得到電壓偏差，經過一階慣性環節、兩個超前滯后環節和快速調控模塊得到SVC等效電納值。其中，快速調控模塊作用相當于一個分段函數，在電壓偏差介于閾值DVLO和DVHI之間時，該模塊輸出的SVC等效電納值等于超前滯后環節的輸出值；而當電壓偏差超過閾值DVLO和DVHI時，迅速調節SVC等效電納值為極值，以達到電壓急劇跌落或上升時快速響應目的。表1給出了控制系統典型控制參數數值。

根據表1給出的SVC控制系統典型參數及SVC控制框圖可見：兩個超前滯后環節分子分母相等；若電壓偏差介于閾值-0.2～0.2之間，則快速調控模塊輸出值等于輸入值。當電壓偏差不超過±0.2時，可以得到SVC控制系統傳遞函數表達式如下：

表1 控制系統典型參數

(3)

選取典型的控制參數帶入傳遞函數表達式，可以計算得到控制系統傳函幅頻特性與相頻特性，如圖5所示。

圖5 控制系統傳函的波特圖

從圖5中可以看出，該參數下控制系統傳函在各個頻段下均呈現出負相頻特性，對于不同頻率的正弦輸入信號，在該控制系統作用下會產生不同程度的滯后效應。接下來推導滯后時間與輸入信號頻率的關系，以頻率為自變量，可得傳函表達式如下：

(4)

從而得到滯后相位為：

(5)

根據式(5)，不同頻率的輸入信號在控制系統作用下的滯后時間可以由下式確定：

(6)

將典型參數T1= 0.02 s、T2= 0.06 s帶入式(6)，可得控制系統滯后時間和輸入信號之間的關系，如圖6所示。對“先低后高”型電壓波形進行傅里葉分解，結果如圖7所示。

圖6 滯后時間隨輸入信號頻率變化關系

圖7 電壓波形傅里葉分解結果

圖6、圖7表明：輸入信號頻率越低，在SVC控制系統作用下的滯后效應越明顯；而“先低后高”型電壓諧波分量主要集中在低頻頻段。因此當該電壓誤差信號作為SVC控制系統輸入信號時，會導致控制系統響應滯后。由此可知，當直流系統換相失敗引起的送端電網電壓波動時，SVC無功電壓響應滯后，從而可能會助增送端交流系統暫態過電壓[23]。

2.3 SVC無功反調機理分析

由于SVC響應滯后，故障期間SVC先是保持其晶閘管觸發角不變，根據式(10)可知SVC的等效電納也保持不變，因此電壓跌落會導致SVC輸出無功功率減少；故障消除后系統電壓恢復期間，SVC開始低壓響應，增發的無功功率助增了系統過電壓，威脅到送端系統的穩定運行。

暫態期間FC-TCR型SVC所發無功由式(7)確定，其中QSVC為SVC所發無功，QC為固定電容器所發無功，QTCR為TCR所吸收無功：

QSVC(t)=QC(t)-QTCR(t)

(7)

進一步的，式(7)可表示成式(8)，其中BC為固定電容器的電納值，BTCR為TCR等效電納值，U為SVC并網點電壓：

QSVC(t)=[BC-BTCR(t)]·U2(t)

(8)

考慮在電壓最高點所對應的時刻對式(8)求導，再聯立式(9)、式(10)可得式(11)。

(9)

(10)

(11)

式中BTCR為TCR等效電納；α為晶閘管觸發角度；XL為TCR最大電感值。觀察式(11)可知QSVC的導數與晶閘管觸發角的導數同號，因此在電壓最高點時刻，當TCR觸發角變化率為正時將產生無功反調現象。

3 電容器投切控制策略

3.1 電容器投切控制邏輯

針對SVC無功反調帶來的不利影響，提出一種抑制直流換相失敗故障下弱送端系統FC-TCR型SVC無功反調控制策略，其控制邏輯如圖8所示。故障發生，當檢測到FC-TCR型SVC接入點電壓低于某一值時，滿足策略啟動的初步條件；故障結束后電壓恢復期間，當檢測到FC-TCR型SVC接入點電壓恢復至Umax以上且電壓有效值變化率為正時，斷開固定電容器；在接入點電壓恢復穩定后，將固定電容器投入運行。

圖8 電容器投切控制邏輯

3.2 仿真驗證

3.2.1 無功反調現象仿真

基于CIGRE直流輸電模型[24]，在整流母線處加裝FC-TCR型SVC提供無功補償，在逆變側交流母線增設單相接地故障引發單次換相失敗，故障發生時刻為2 s，持續時間0.1 s，系統結構如圖9所示。

圖9 仿真電路模型

整流側交流母線電壓有效值及FC-TCR型SVC發出的無功波形如圖10所示，暫態期間TCR觸發角變化波形如圖11所示，其中系統電壓在2.077 s到達峰值，而TCR觸發角在該時刻變化率為正，仿真結果符合3.3節理論解釋。

圖10 送端系統電壓及SVC發出無功

圖11 TCR觸發角波形

3.2.2 電容器投切控制策略仿真

當采用電容器投切控制策略時，整流側交流母線電壓有效值及FC-TCR型SVC發出的無功波形如圖12所示，從圖中可見2.05 s左右電容器控制策略啟動，SVC所發無功瞬間減少，從而避免助增了系統暫態過電壓。從圖13可以看出，未采取電容器投切控制策略時，整流母線暫態電壓數值達到1.17 p.u.，采取電容器投切控制策略時，整流母線暫態電壓數值降至1.13 p.u.，說明該策略可以有效抑制SVC無功反調助增過電壓的現象，有利于送端電網穩定運行。

圖12 采用該策略時送端系統電壓及SVC發出無功

圖13 SVC并網點電壓對比曲線

4 結束語

(1)直流換相失敗故障會引發送端交流系統電壓呈現“先低后高”的變化規律，該信號諧波分量主要集中在低于50 Hz的低頻段；

(2)SVC典型控制系統在低頻段呈現負相頻特性，輸入低頻信號時會產生一定的滯后效應，滯后時間可達80 ms；

(3)滯后效應使得SVC在電壓恢復期間響應較慢，在過電壓階段的低壓響應使得SVC增發無功，從而助增了系統過電壓；

(4)投切電容器的控制策略通過在電壓恢復階段切除部分電容器，可以有效地抑制SVC無功反調現象，并降低送端系統暫態過電壓。