基于同步調(diào)相機(jī)降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的仿真研究

尹立敏，雷鋼，呂莉莉，齊敏

( 東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132000)

0 引 言

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站的正常運(yùn)行需要大量的無功功率[1-2]，所以為確保換流站的安全可靠運(yùn)行，必須保證其所需無功功率的供給，而無功功率不足或過剩將使得交流電壓的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時可能危及整個交、直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。特別對于“強(qiáng)直弱交”的電力系統(tǒng)，在換流站的逆變側(cè)，交流母線電壓對負(fù)荷的變化比較敏感，負(fù)荷的變化及無功的變動均會引起交流母線電壓的波動[4-5]，大幅度的電壓波動還將造成與其相連的換流站逆變側(cè)換流閥發(fā)生換相失敗故障，嚴(yán)重的換相失敗故障還會導(dǎo)致工頻交流直接跨接到直流回路中，其結(jié)果會在直流回路中引起自由振蕩，此時，直流系統(tǒng)中將產(chǎn)生諧振過電壓，并中斷部分直流功率的輸送[6-7]，影響交直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的互連。由于考慮到同步調(diào)相機(jī)在次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)全時間尺度能夠提供無功補(bǔ)償和電壓支撐[8]的功能，因此可以在弱交流系統(tǒng)逆變側(cè)裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)，利用其強(qiáng)勁的無功支撐能力防止換流站出現(xiàn)嚴(yán)重的換相失敗，為交流側(cè)母線電壓故障的切除贏得寶貴的時間。所以，同步調(diào)相機(jī)對于提高電網(wǎng)動態(tài)電壓穩(wěn)定性、保障高壓直流輸電工程安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

我國高壓直流輸電系統(tǒng)具有“強(qiáng)直弱交”的特點(diǎn)，這勢必對直流輸電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男阅芴岢龈叩囊蟆?016年，國家電網(wǎng)公司開展了首批同步調(diào)相機(jī)安裝工程的建設(shè)，擬在臨沂、皖南、錫盟、泰州、酒泉、湘潭和南京等7個特高壓直流換流站加裝同步調(diào)相機(jī)，制定了建設(shè)“暫動態(tài)特性優(yōu)、安全可靠性高、運(yùn)行維護(hù)方便”的國際一流精品工程目標(biāo)[9]。在國外，為解決與換流站逆變側(cè)相連的弱交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題，最典型的工程就是伊泰普直流工程逆變側(cè)換流站和納爾遜河直流工程逆變側(cè)換流站都分別接裝設(shè)了同步調(diào)相機(jī)[10-11]，其目的是利用同步調(diào)相機(jī)優(yōu)良的動態(tài)特性，在逆變側(cè)交流母線電壓發(fā)生大幅波動或故障的瞬間，能減小其電壓波動，從而減少換流器換相失敗故障的發(fā)生。

首先分析了換流站逆變側(cè)換相失敗故障發(fā)生的主要原因；然后，結(jié)合換相失敗發(fā)生原因從同步調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性來分析其運(yùn)行特點(diǎn)；最后，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件仿真驗(yàn)證同步調(diào)相機(jī)良好的動態(tài)特性能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供巨大的無功支撐，既保障了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，同時也減少了逆變側(cè)換流器換相失敗故障的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

1 換相失敗分析

1.1 換相失敗過程

換相失敗是指在換相電壓反向之前未完成換相的一種故障[12]。工程上所采用的換流單元主要為12脈動換流單元，相比于6脈動換流單元，可以諧波次數(shù)，降低濾波器成本，而12脈動換流單元由兩個6脈動換流單元串聯(lián)而成，故只需對6脈動換流單元進(jìn)行換相失敗分析即可。其原理接線圖如圖1所示。

圖1 6脈動換流單元原理接線圖

一次換相失?。寒?dāng)閥VT1在向閥VT3的換相過程發(fā)生失敗后，則閥VT1不會關(guān)斷接著導(dǎo)通，當(dāng)閥VT2換相至閥VT4后，會形成閥VT1和閥VT4導(dǎo)通的情況，在直流側(cè)發(fā)生短路。一次換相失敗過程中，通過閥VT1和閥VT4形成的直流側(cè)短路將持續(xù)三分之一周期左右，此期間沒有反電動勢出現(xiàn)在逆變側(cè)。

連續(xù)換相失?。喝绻yVT1向閥VT3發(fā)生換相失敗后，閥VT2向閥VT4的換相的過程也發(fā)生失敗故障，那么將會出現(xiàn)連續(xù)換相失敗故障。在連續(xù)相失敗期間，閥VT1和閥VT2將持續(xù)導(dǎo)通近一個周波，與閥VT1和閥VT2兩端所連的交流電壓直接跨接在直流端，將工頻交流電引進(jìn)到直流回路中，可能還會在直流線路電容與電感元件之間造成基波頻率的諧振，導(dǎo)致過電壓。如果換相失敗故障不能及時切除，多次連續(xù)換相失敗的發(fā)生會導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖，將使得直流輸送功率部分或全部中斷，在嚴(yán)重的情況下還會出現(xiàn)多個逆變站同時發(fā)生換相失敗故障，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1.2 換相失敗原因分析

逆變站的換相失敗多由交流系統(tǒng)故障造成[13]，而逆變器關(guān)斷角γ過小是造成逆變側(cè)換流站換相失敗常見原因，其基本公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中k為變壓器變比;Ul為逆變器交流母線電壓有效值；Id為直流電流；Xc為等效換相電抗；β為逆變側(cè)觸發(fā)超前角；Ud1、Ud2分別為整流側(cè)和逆變側(cè)直流電壓，R為直流線路電阻。

當(dāng)逆變器交流側(cè)母線電壓Ul大幅度跌落時，由公式(1)可知關(guān)斷角γ減小，由公式(2)、公式(3)可知直流電流Id迅速增大，也將導(dǎo)致關(guān)斷角γ減小，從而引發(fā)換相失敗故障。特別是對于逆變側(cè)接弱交流系統(tǒng)，其負(fù)荷變動對電壓的波動影響很大，一旦負(fù)荷的變化引起交流母線電壓Ul發(fā)生大幅度波動或故障時，逆變側(cè)換流器換相失敗故障發(fā)生的可能性增大。

研究表明，當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路比小于3時，則需要考慮裝設(shè)其他無功補(bǔ)償設(shè)備，其比較有效的方法是裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)[14]，利用同步調(diào)相機(jī)良好的動態(tài)特性，來支撐交流母線側(cè)電壓穩(wěn)定，防止換流站出現(xiàn)嚴(yán)重的換相失敗而對系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。

2 同步調(diào)相機(jī)特性

2.1 同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行特性

同步調(diào)相機(jī)是特殊運(yùn)行狀態(tài)下的同步電機(jī)，可視為不帶有功負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)或不帶機(jī)械負(fù)荷的同步電動機(jī)。同步電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能變換的元件，由于其動態(tài)性能非常復(fù)雜，而且其動態(tài)性能又會對電力系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大的影響，因此需要對同步調(diào)相機(jī)作深入的分析。

為了直觀地進(jìn)行電機(jī)暫態(tài)過程分析，根據(jù)同步電機(jī)的派克方程在dq0坐標(biāo)下可以導(dǎo)出d軸、q軸等值電路,如圖2～圖3所示。并且選用文獻(xiàn)[15]中提及的Xad標(biāo)幺值系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)幺化，從而使d、q軸轉(zhuǎn)子與定子繞組間的互感在標(biāo)幺值方程中分別等于Xad或Xaq。

圖2 d軸等值電路

圖3 q軸等值電路

由d、q軸等值電路分析可知，同步電機(jī)的次暫態(tài)過程主要由d和q軸的等值阻尼繞組決定，時間常數(shù)很小。暫態(tài)過程主要由d軸上的勵磁繞組和q軸上的等值阻尼繞組g決定。由于同步調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)、暫態(tài)以及穩(wěn)態(tài)過程(見圖4)，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)提供動態(tài)無功支撐。

圖4 調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)、暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)過程

同步調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)特性可以使其在故障瞬時發(fā)出大量的無功，有利于穩(wěn)定電壓水平，減少換相失敗幾率。同步調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)特性與其直軸超瞬態(tài)電抗Xd″有關(guān)，當(dāng)定子繞組發(fā)生突然短路時，定子繞組A相電流為：

(4)

同步調(diào)相機(jī)的暫態(tài)特性。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生大幅波動或者交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致電壓大幅跌落時，利用同步調(diào)相機(jī)的暫態(tài)特性能夠使調(diào)相機(jī)在短時(秒)發(fā)出2倍以上的額定容量無功，為系統(tǒng)提供有力的無功支撐來保持電壓的穩(wěn)定，防止換流站出現(xiàn)嚴(yán)重的換相失敗，為故障的切除提供寶貴的時間，有助于直流功率和交流系統(tǒng)電壓迅速恢復(fù)，防止電壓崩潰。故為提高同步調(diào)相機(jī)的暫態(tài)特性，直軸瞬變電流衰減的時間常數(shù)Td′要盡可能小，提高調(diào)相機(jī)輸出無功功率的爬升速度。Td′的表達(dá)式為：

(5)

式中Td0為勵磁繞組的時間常數(shù)；Xd為同步調(diào)相機(jī)的直軸同步電抗；Xd′為同步調(diào)相機(jī)的直軸瞬變電抗。

同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性。之前天津北郊變160 Mvar機(jī)組是我國容量最大的同步調(diào)相機(jī)機(jī)組，而目前適用于高壓直流輸電系統(tǒng)中的同步調(diào)相機(jī)的額定容量為300 MVA，額定進(jìn)相無功在150 Mvar～200 Mvar之間，額定遲相無功為300 Mvar，其穩(wěn)定的進(jìn)相和遲相運(yùn)行，能夠有效保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，真正做到“大直流輸電，強(qiáng)無功支撐”。同時，調(diào)相機(jī)容量的提高有也有利于降低單位造價(jià)。

2.2 增加系統(tǒng)短路容量

同步調(diào)相機(jī)除了可以利用上述的次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性全時間尺度的給系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償和電壓支撐外，其還有一個非常重要的作用，即增加系統(tǒng)的短路容量，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的短路比，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。描述系統(tǒng)強(qiáng)弱的短路比一般用如下公式來定義：

(6)

式中SSC為交流系統(tǒng)中換流母線的短路容量;PdN為換流站輸送的額定功率。

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，在同步調(diào)相機(jī)為系統(tǒng)提供無功功率的同時，也在向系統(tǒng)注入無功電流，忽略相關(guān)的電阻，注入的電流I為：

(7)

式中E0為同步調(diào)相機(jī)的勵磁電動勢；Xd′為直軸超瞬態(tài)電抗；Xσ為變壓器的漏電抗。

圖(5)為交流系統(tǒng)三相短路，同步調(diào)相機(jī)注入無功電流時的電路圖。

圖5 同步調(diào)相機(jī)注入短路電流電路圖

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行時，同步調(diào)相機(jī)的勵磁電動勢E0與其機(jī)端電壓U相等，都接近1.0 p.u.。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，同步調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵運(yùn)行，以發(fā)出大量的無功功率來減少電壓的跌落，此時勵磁電動勢E0>1.0 p.u.，將會有更大的電流注入系統(tǒng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的短路容量。為了最大化的利用同步調(diào)相機(jī)提高系統(tǒng)短路容量這個特點(diǎn)，從公式(7)可知，可以合理的減小同步調(diào)相機(jī)的直軸超瞬態(tài)電抗Xd″和變壓器的漏電抗Xσ。

3 仿真計(jì)算

仿真算例模型為單極高壓直流輸電系統(tǒng)，直流電壓為500 kV，系統(tǒng)容量為1 000 MW，該系統(tǒng)逆變側(cè)短路容量比SCR為2.5，換流站受端裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。仿真模型主電路如圖(6)所示。

圖6 仿真模型主電路圖

圖中同步調(diào)相機(jī)經(jīng)變壓器接在逆變側(cè)交流母線上，該調(diào)相機(jī)額定容量為300 MVA，額定進(jìn)相無功和遲相無功分別為-150 Mvar和300 Mvar。

3.1 交流側(cè)電壓幅值跌落工況

仿真工況為在20 s時交流側(cè)電壓跌落至6.7%，23 s時恢復(fù)正常值。選擇電壓跌落6.7%是因?yàn)閷ξ闹心Ｐ瓦M(jìn)行了一系列仿真發(fā)現(xiàn)該值是加裝調(diào)相機(jī)后電壓跌落致使換相失敗發(fā)生的臨界值，即當(dāng)逆變側(cè)交流母線電壓跌落值大于6.7%時，對于逆變側(cè)加裝調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)，也會使得逆變側(cè)換流站發(fā)生換相失敗故障。在逆變側(cè)加裝同步調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)，在故障時同步調(diào)相機(jī)勵磁電壓升至3.5倍強(qiáng)勵，切除故障后恢復(fù)正常勵磁。圖7和圖8分別為不加同步調(diào)相機(jī)與加裝同步調(diào)相機(jī)后逆變側(cè)直流電壓和直流電流波形圖。

圖7 逆變側(cè)直流電壓、電流波形圖(不加調(diào)相機(jī))

圖8 逆變側(cè)直流電壓、電流波形圖(加裝調(diào)相機(jī))

由圖7可知，由于20 s時刻交流側(cè)電壓發(fā)生跌落，逆變側(cè)換流站換相失敗故障發(fā)生。由于逆變側(cè)加裝了調(diào)相機(jī)，雖然交流側(cè)母線電壓跌落，但從圖8中可以看出，直流電壓、直流電流雖然有一定的波動，但并未發(fā)生換相失敗。圖9為故障時刻同步調(diào)相機(jī)的無功輸出曲線圖。

圖9 調(diào)相機(jī)的無功輸出波形圖

由圖9可以看出，電壓跌落前同步調(diào)相機(jī)的無功出力為零，電壓跌落瞬間由于同步調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)、暫態(tài)特性迅速發(fā)出大量無功功率以支撐交流側(cè)電壓水平。

而對于不加調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)，通過對該模型的仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)電壓跌落致使換相失敗故障發(fā)生的臨界值為5.3%。顯然，對于逆變側(cè)加裝同步調(diào)相機(jī)可以降低換相失敗故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 交流側(cè)電壓幅值升高10%工況

仿真工況為在20 s時交流側(cè)電壓升高10 %，23 s時恢復(fù)正常值。對于在逆變側(cè)加裝同步調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)，在故障時同步調(diào)相機(jī)勵磁電壓降至0.7 p.u.,處于欠勵狀態(tài)，切除故障后恢復(fù)正常勵磁。

圖10、圖11則分別為電壓抬高10%后不加同步調(diào)相機(jī)與加裝同步調(diào)相機(jī)后逆變側(cè)直流電壓和直流電流波形圖。

圖10 逆變側(cè)直流電壓、電流波形圖(不加調(diào)相機(jī))

圖11 逆變側(cè)直流電壓、電流波形圖(加裝調(diào)相機(jī))

由圖10可看出，20 s～23 s內(nèi)，因?yàn)榻涣鱾?cè)母線電壓升高原因，直流電壓和直流電流有小幅度上升， 23 s交流側(cè)電壓降低到初始值，由于電壓的降低，致使換流站發(fā)生換相失敗。從圖11可以看出，由于同步調(diào)相機(jī)的存在，交流電壓升高期間，逆變側(cè)直流電流和直流電壓的升高不如圖10明顯，且交流電壓恢復(fù)初始值后，雖然換流站的直流電流和直流電壓有小幅波動，但依然正常運(yùn)行，并沒有出現(xiàn)換相失敗故障，顯然同步調(diào)相機(jī)的存在防止了此種工況下逆變側(cè)換流站發(fā)生換相失敗故障。圖12為同步調(diào)相機(jī)的無功功率輸出曲線。

圖12 調(diào)相機(jī)的無功輸出波形圖

從圖12可以看出，交流母線電壓升高期間，同步調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行吸收無功功率，抑制電壓升高。當(dāng)交流母線電壓恢復(fù)初始值時，同步調(diào)相機(jī)又遲相運(yùn)行發(fā)出無功功率來使電壓穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

高壓直流輸電系統(tǒng)中逆變側(cè)交流母線電壓的波動或者故障往往能夠引起逆變側(cè)換流站發(fā)生換相失敗故障。特別是弱交流系統(tǒng)，其負(fù)荷變動對電壓的波動影響很大，所以針對此系統(tǒng)需要在其逆變側(cè)換流站裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)，利用同步調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性全時間尺度提供無功補(bǔ)償和電壓支撐。次暫態(tài)方面，在電網(wǎng)電壓跌落的瞬間，同步調(diào)相機(jī)通常能夠在幾到幾十毫秒范圍內(nèi)快速發(fā)出大量無功功率，來抑制電網(wǎng)電壓的跌落，為故障的切除爭取寶貴的時間以防止嚴(yán)重?fù)Q相失敗故障。暫態(tài)方面，在故障恢復(fù)期間，利用同步調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵磁特性，能夠使自身的短時過載能力達(dá)到額定容量的兩倍來穩(wěn)定逆變側(cè)交流母線電壓。穩(wěn)態(tài)方面，同步調(diào)相機(jī)可連續(xù)無功調(diào)節(jié)，深度進(jìn)相能力使得其無功調(diào)節(jié)更加靈活。此外，同步調(diào)相機(jī)在無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r，還能增加系統(tǒng)的短路容量以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。