調相機在±800 kV特高壓直流換流站中的應用研究

滕 輝，馬 龍，陳大慶

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

目前，山東電網通過1 000 kV交流、500 kV交流和±660 kV銀東直流輸電系統，分別與華北電網和西北電網相連，每日接納外送交直流電力能力可達9000MW。與交流輸電系統相比，高壓直流輸電系統具有長距離、大容量、損耗小等優點［1］。按照全球能源互聯網戰略的國內規劃，我國特高壓直流輸電工程的發展規律、清潔能源的大規模集約開發趨勢以及外電入魯政策的深度實施，昭沂直流和魯固直流的2個特高壓直流輸電工程在建成投運后，給山東帶來2×10 000 MW的直流外送電力。山東電網作為有功電力的受端，其電網特性將進一步發生顯著變化：區域內接納外來電力規模的成倍增長和地區間的動態無功儲備下降、電壓支撐不足的矛盾將會愈發突出，如何確保受端電壓穩定的問題逐漸被提上了大電網安全穩定的主要議程。而能源大范圍優化配置的客觀要求，特高壓直流的大規模有功輸送，必然要匹配大容量充足的動態無功進行補償，這便是“大直流輸電，強無功支撐”的理論要求?；谏鲜霰尘?，結合國內已運直流輸電工程和上海廟—臨沂特高壓直流輸電的工程實踐，對特高壓換流站采用調相機進行無功補償的應用進行研究。

1 我國直流輸電工程的問題及解決方案

1.1 存在的問題

我國目前的直流輸電工程已逐步形成±400 kV、±500 kV、±660 kV、±800 kV 和±1 100 kV 為主的 5 個電壓等級，其在運、在建和核準的特高壓線路達到3萬km、變電（換流）容量超過3.1億 kVA。如此龐大的特髙壓直流輸電工程對高壓直流輸電的平穩運行以及交直流電網系統的共同穩定提出了更高的要求［2-3］：1）無功補償方式不夠靈活，以固定電容器組補償為主，正常運行工況時，與換流器相連的交流側電網需安裝大量的無功功率補償及濾波設備，固定式電容器組的投切速度響應較慢，發生甩負荷情況時，換流站容易出現無功過?，F象，造成母線過電壓；2）受端電網的強度較弱，我國華北地區運行電網非常復雜，部分直流落點附近的交流系統電氣距離較遠，受端系統非常薄弱，這就容易誘發換相失敗，進而對交流電網產生沖擊，造成電網振蕩，嚴重時甚至導致系統解列。

特高壓直流輸電工程可進行大容量“點對點”式地輸送有功功率。根據直流設計原則，直流工程本身不具備向系統提供動態無功的功能，且會在動態過程中從電網中吸收大量的無功功率來維持受端電壓的穩定。這將會導致受端電網無功功率的嚴重不足。而計算和實測也表明，單一特高壓直流工程若發生換相失敗現象，逆變側將會從系統吸收4 000 Mvar以上的無功功率，給區域電網帶來巨大的無功功率沖擊，導致電壓失穩乃至崩潰。隨著直流的大規模饋入，多回直流系統若同時發生換相失敗，將會造成電網解列的惡性后果。因此，對直流輸電系統進行動態且充足的無功補償是非常重要的。

1.2 解決方案

電網中的電壓穩定程度與其所配置的無功補償程度有著十分緊密的關聯，目前常用發電機、調相機、靜止無功補償器 （SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）進行無功功率的調節，這也是動態無功補償裝置的范疇和調節手段。各種動態補償裝置的指標對比如表1所示。

SVC與STATCOM同屬于并聯型動態無功補償裝置，前者的阻抗特性通過控制晶閘管的通斷來實現，進而提供需求量的無功功率；后者具備響應快、精度高等優點，可以提高電網電壓的動態穩定性，可以認為是前者的升級和換代。

電網在穩態運行方式時，其系統的電壓主要由發電機、電容器、電抗器進行調節。但當電網的運行狀態受到較大擾動而處于暫態運行方式時，會導致換流站等樞紐站的母線電壓產生較大幅度的波動。由于自身工作原理的限制，電壓波動時的電容器、電抗器等傳統靜態無功補償裝置及方式不能及時地向電網提供足量的無功功率以進行動態補償，在特殊工況時還會發生電壓失穩現象，使整個區域的電網安全穩定運行受到較大影響。因此，足量地配備無功補償設備且滿足動態無功功率補償的需要，以保證母線電壓穩定的能力顯得十分重要。

2 特高壓沂南換流站調相機應用

2.1 調相機系統特點

目前，大容量的調相機采用隱極機的方式進行生產制造，其構造主要由調相機本體、勵磁系統、升壓變壓器、啟動系統、冷卻系統、油系統和控制保護系統組成，如圖1所示。

表1 動態補償裝置對比

圖1 調相機系統組成

調相機的勵磁系統采用自并勵的勵磁方式，無旋轉部件，穩定性好，勵磁電壓響應速度快；伴有電壓調節通道易出現負阻尼作用的現象，但可以通過PSS進行解決。其具有的強勵磁能力，能在母線電壓急劇下降的2 s內將自身輸出的無功功率容量提升到額定容量的2倍，迅速拉升母線電壓，防止電壓崩潰和電網解列等惡事件的發生，具有良好的無功調節魯棒性能。除此之外，調相機具備過載能力且無功輸出受系統電壓影響較小，在強勵作用下可短時發出超過額定容量的無功并可長時提供強無功支撐；具備多達2／3額定容量的進相能力；在運行穩定性好等優點。在過勵磁情況下，發出感性無功；在欠勵磁情況下，發出容性無功。但也存在著增加短路電流、運維復雜和響應速度相對較慢的劣勢。

2.2 調相機接入效果

特高壓沂南換流站采用3×300 Mvar的調相機接入方案，接入前后的效果比對如表2所示。

通過比對，可以發現：接入調相機后，沂南換流站的短路電流、短路容量和直流有效短路比均獲得不同程度的提高，且接在沂南換流站500 kV側的優化效果較沂南換流站1 000 kV側更為明顯，提升了作為受端的山東電網對直流系統的支撐能力。此刻，在山東電網小負荷狀態和上海廟—臨沂特高壓直流工程滿功率運行時，以及特高壓交流天津南—濟南線路發生N-1故障時，系統也可保持穩定運行。

表2 調相機接入前后效果比對

直流輸電工程中換相失敗主要由交流側電壓波動造成，接入調相機后，可以維持交流側電網的母線電壓，從根本上降低直流系統發生換相失敗的風險，有助于上海廟—臨沂特高壓直流系統功率的快速恢復和電網系統的穩定運行。

除此之外，接入的調相機發出的無功功率可以維持和大幅降低故障發生后電網母線電壓的波動程度，有利于電網電壓的快速恢復。

3 結語

3×300 Mvar調相機系統接入特高壓沂南換流站后，提高了逆變側的受端電網對上海廟—臨沂特高壓直流輸電工程的支撐能力，提高了系統抗干擾和故障快速恢復能力，穩定了山東電網的電壓水平，并大大降低了直流系統發生換相失敗的概率，取得了很好的應用效果。