基于新型磁控電抗器的直流系統暫態壓升抑制方法

竇宇宇,齊四清,鄭博文,印希宇,龔慶武,陳小月

(1.國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院,呼和浩特 010000;2.武漢大學電氣與自動化學院,武漢 430072)

0 引言

直流輸電技術是我國目前最常使用的大容量遠距離輸電方式。直流輸電系統通過換流站進行交直流轉換,在運行過程中,換流站需要消耗大量無功功率,當換流站發生換相失敗時,有可能引起交流系統產生嚴重的過電壓,威脅電力系統的安全穩定運行。

直流換相失敗后,直流系統從換流站吸收了大量無功,導致換流站的無功消耗迅速增多,引起換流站交流側母線電壓下降,此時為了使電壓恢復,換流站濾波電容或無功補償裝置對系統進行無功補償,交流側母線電壓回升。當故障恢復后,若濾波電容未能及時退出系統,或無功補償裝置輸出容量還未及時調節,將會導致換流站無功功率過剩,造成送端系統母線電壓升高。此外,若發生連續換相失敗,有可能發生直流雙極閉鎖,使系統輸送的有功功率迅速歸零,此時送端系統有大量有功功率盈余,而直流系統由于閉鎖,消耗的無功功率為0,換流站中濾波電容或補償電容向系統輸送大量無功功率,導致送端電壓迅速升高,即產生過電壓[1]。

對直流送端系統交流母線的暫態過電壓一般采取仿真分析的方法,文獻[2]推導建立了直流雙極閉鎖后換流母線暫態電壓的解析表達式;文獻[3-5]提出了交流系統暫態電壓升高的原理,并分析了交流系統的暫態壓升對風電機組的影響,提出了抑制機端暫態壓升的策略;文獻[6]提出一種計及系統穩態傳輸功率的交流系統等值方法,推導了換流母線暫態電壓的解析表達式,得到暫態過電壓的定量計算方法;文獻[7]推導了適用范圍更廣的直流送端系統交流母線暫態壓升計算方法;文獻[8]提出一種基于卷積神經網絡的交流系統暫態電壓升高估算方法,但該方法計算量大,精度受到影響;文獻[9]計及交流母線暫態壓升對風電場的影響,計算了高壓直流系統無功補償容量的動態特性;文獻[10]提出了根據系統短路比評估系統暫態過電壓的方法,但未考慮無功上升的特性;文獻[11]分析了不同類型的換流站運行方式對暫態電壓升高的影響;文獻[12-13]分析了短路比對交流系統暫態壓升的影響;文獻[14]通過電磁暫態仿真分析了換相失敗過程中HVDC主要狀態量的變化特性;文獻[15]分析了系統發生故障時直流送端系統的暫態過電壓特性及新能源連續脫網的機理;文獻[16]提出次暫態潮流的直流閉鎖瞬間換流母線暫態電壓計算方法;;文獻[17-18]分析了直流運行異常引起的暫態過電壓對新能源的影響;文獻[19]研究了暫態電壓升高時的有功無功特性;文獻[20-21]對實際電網進行仿真。

為了抑制直流輸電送端系統過電壓,國內外學者展開了一系列研究,目前常用的過電壓抑制措施可分為兩種類型:1)增加額外無功補償設備;2)改進變流器控制策略。加裝輔助硬件裝置可以在母線電壓出現波動時輸出或吸收無功功率,降低過電壓幅值,文獻[22]提出基于多無功補償裝置的多層動靜態電壓協調控制模型,實現各類無功補償的協調控制;文獻[23]提出有效抑制電壓波動的基于靜止無功補償器穩定電壓的控制策略,設計了基于魯棒觀測器的SVC附加滑模電壓控制器;文獻[24]結合LCC直流系統中閥過電壓機理對該混合系統中閥過電壓特性進行研究,比較兩者之間的異同,并提出混合直流系統中LCC系統過電壓分析討論的一般方法與原則;文獻[25]建模比較了SVC和靜止同步補償器在風電波動和電網故障等工況下的運行特性,指出靜止同步補償器無功響應速度更快,但對電壓波動的敏感程度更高;文獻[26]分析了換相失敗引起暫態電壓升高的機理,提出了基于改進的電壓依賴型限流器(VDCOL)控制的抑制策略;文獻[27]對特高壓直流輸電系統過電壓展開仿真分析;文獻[28]分析了電容器切除延時變化對系統暫態過電壓的影響;文獻[29]提出了不同故障切除時間對暫態過電壓的影響;文獻[30-33]分析了同步調相機對比SVC、SVG等設備的優越性,但調相機綜合利用率低,損耗大。

本研究提出一種基于新型磁控電抗器的直流送端系統暫態過電壓抑制方法,對比了新型磁控電抗器之于其他無功補償設備的優勢,搭建了PSASP直流輸電系統仿真模型,驗證了采用新型磁控電抗器對直流送端系統發生暫態電壓升高時的抑制效果。

1 特高壓直流送端系統暫態壓升抑制機理及無功補償設備對比

1.1 特高壓直流送端系統暫態壓升抑制機理

換流站安裝新型磁控電抗器的直流送端系統等值電路如圖1所示。其中換流站交流母線電壓為U,設定其相角為0°;交流系統等值為理想電源E,交流系統等值功角為δ;交流系統等值電抗為X;Pac與Qac分別為交流系統向換流站注入的有功與無功功率;Pd與Qd分別為換流站向直流輸送的有功與無功功率;換流站中安裝交流濾波器與新型磁控電抗器,其無功功率分別為Qfc與QL。

圖1 直流送端系統等值電路

穩態運行狀態下換流站交流母線功率平衡方程為[8]

(1)

根據換流站母線有功功率與無功功率流向可得

(2)

式中B為換流站等值電納,由式(1)和(2)可得

(3)

在任何時刻式(3)都成立,由式(3)可得

(4)

設直流閉鎖前系統穩態運行時換流站母線電壓為U0,交流系統等值電源為E0,直流輸送有功功率與無功功率分別為Pd0與Qd0,換流站等值電納為B0,由式(4)可得

(5)

直流系統突然發生雙極閉鎖工況時,換流站母線電壓為U1,交流系統等值電源為E1,直流輸送有功功率與無功功率分別為Pd1與Qd1,換流站等值電納為B1,由式(4)可得

(6)

由于直流閉鎖后輸送有功功率與無功功率驟降為0,即Pd1=0,Qd1=0,可得

(7)

由于直流閉鎖前后交流系統等值電壓源不變,即E0=E1,由式(5)(7)可得

(8)

若換流站不接入新型磁控電抗器,則式中(8),B0=B1=ωC,C為換流站接入交流濾波器的等值電容,式(8)可等效為

(9)

由式(9)可得,直流閉鎖后交流母線暫態電壓升高與閉鎖前直流輸送功率以及換流站等值電納相關。

根據扎魯特換流站運行參數,額定輸送功率為10 000 MW,換流站消耗無功功率5 435.6 Mvar,母線額定運行電壓530 kV,交流系統等值電抗11.236 Ω,可得到直流閉鎖后換流站交流母線暫態壓升與換流站母線并聯等效電容的關系見圖2。額定運行時,換流站等效電容為63.72 μF,由式(9)可得直流閉鎖后交流母線暫態壓升為731.69 kV(1.33 p.u.),超過了過電壓限值(1.3 p.u.)。

圖2 快速響應新型磁控電抗器原理圖

故Pd0與C越大,即閉鎖前輸送功率與換流站投入的濾波電容器容量越大,直流發生雙極閉鎖后換流站交流母線暫態電壓升高越高。換流站投入的交流濾波器容量根據換流閥消耗的無功功率來計算,一般需要投入直流輸送功率的40%～60%,直流輸送功率越大,換流閥消耗的無功功率越大,需要投入的交流濾波器容量越大,當發生雙極閉鎖故障時,換流站交流母線暫態電壓升高越嚴重,因此工程上普遍采用降功率運行的方式來抑制換流站交流母線暫態壓升。

若換流站接入新型磁控電抗器,則式(8)中B0=ωC,B1=ωC-1/ωL,L為新型磁控電抗器的等值電感,式(8)可等效為

(10)

由式(10)可得,控制新型磁控電抗器等效電感L,使0<ωC-1/ωL<ωC,即新型磁控電抗器投入運行后,換流站等值電納B1

U1″

(11)

即直流發生雙極閉鎖后,新型磁控電抗器的接入可有效抑制換流站交流母線暫態電壓升高,且新型磁控電抗器等效電感L越小,U1″越小,說明對暫態壓升的抑制效果越顯著。

1.2 各無功補償設備技術與經濟性對比

目前新能源系統采用的技術成熟的無功補償裝置主要有靜止無功發生器(SVG)、靜止無功補償器(SVC)與同步調相機。常用的SVC可分為晶閘管控制電抗器(TCR)型SVC與晶閘管投切電容器(TSC)型SVC,其中TSC型SVC通過晶閘管控制電容器的投切,無法連續調節輸出容量,靈活性較差。而TCR型SVC在晶閘管的高速開關過程中會產生大量諧波,有功損耗較大,此外,由于晶閘管耐壓值有限,通常需要串并多個晶閘管才能應用于高電壓等級,故導致TCR型SVC造價成本較高,限制了其大規模應用。電力電子器件的快速發展促進了SVG在新能源系統中的應用,SVG由全控電力電子器件構成,響應速度快,能連續無級調節無功輸出容量,然而SVG主電路中含有大量IGBT電力電子器件,在開斷過程中會產生較大的損耗,其高頻率的開關易產生開關頻率附近的高次諧波,另外,IGBT器件耐壓低損壞,一方面導致SVG在系統電壓升高時容易率先從電網切出,從而進一步加劇電網無功缺額,使系統電壓進一步升高,另一方面也使得SVG具有較高的運行維護成本[34-35]。同步調相機屬于旋轉機械類設備,具有一定的短時過載能力,但是同步調相機通常在過勵磁狀態下運行,勵磁電流大,其有功損耗較大,滿載運行時,有功損耗可達到額定容量的5%,且其單位容量的投資及運維成本較高,出于技術性及經濟性考量,同步調相機在新能源系統中的應用受到一定的局限性。

磁控電抗器(Magnetically Controlled Reactor,MCR)作為一種新型無功補償裝置,其本體結構與雙繞組變壓器結構類似,故其可靠性與變壓器一致,具有較高的運行可靠性[35-36]。磁控電抗器能自動跟蹤電網的負荷波動情況并調節自身輸出容量,且由于主電路中不含有電力電子器件,故其不易損壞,可直接應用于高電壓等級中,新型磁控電抗器動態響應時間一般在30 ms以內,其諧波含量與運行損耗均小于其他無功補償設備,因此提出一種基于新型磁控電抗器的直流輸電系統無功補償方法,將新型磁控電抗器安裝于魯固直流系統的扎魯特交流母線上,在直流輸電系統發生連續換相失敗導致雙極閉鎖時為系統提供無功支撐,抑制送端系統的暫態過電壓。SVC、SVG、同步調相機的技術性能及經濟性對比見表1。

表1 SVC、SVG、同步調相機與MCR技術參數與經濟性對比

2 快速響應的新型磁控電抗器仿真模型

2.1 快速響應新型磁控電抗器的原理

新型磁控電抗器采用快速響應結構,其原理見圖2[37]。圖2左邊為工作回路,右邊為基于IGBT全控整流控制的快速響應結構控制回路。

圖2 交流母線暫態壓升與換流站等效電容的關系

快速結構采用IGBT組成全控整流電路,可以快速調節勵磁電流大小。當需要新型磁控電抗器快速增大輸出容量時,使IGBT轉換為高占空比狀態,并控制IGBT的導通時間,使全相整流電路輸出大直流電流,使鐵心磁感應強度直流分量迅速增大,實現快速勵磁。

當新型磁控電抗器增大輸出容量時,若交流電壓源e輸出電壓位于正半周期,此時VT1、VT4導通,若交流電壓源e輸出電壓位于負半周期,此時VT2、VT3導通,IGBT交替導通完成交流至直流的轉換。

2.2 新型磁控電抗器仿真模型

搭建基于PSCAD平臺的新型磁控電抗器仿真模型,磁控電抗器本體每相鐵心由兩個半鐵心組成,在仿真軟件中兩個具有飽和特性的變壓器模型組成,新型單相磁控電抗器仿真模型見圖3。(電感變化)

磁控電抗器的工作狀態取決于鐵心的磁飽和度β,根據工作時磁飽和度β的大小,有3種基本工作狀態,即空載工作狀態、半極限飽和狀態、極限飽和狀態,一般選擇半極限飽和或極限飽和狀態為額定工作狀態,當選擇半極限飽和狀態為額定工作狀態時,磁控電抗器從空載到輸出額定容量時兩個半鐵心磁通量見圖4,此時對應磁飽和度β=π,磁控電抗器工作電流變化情況見圖5,磁控電抗器從空載到輸出額定容量時等效電感的變化情況見圖6。

圖4 空載到輸出額定容量時A相鐵心磁通量

圖5 磁控電抗器從空載至輸出額定容量時A相工作電流波形

圖6 磁控電抗器從空載至輸出額定容量時等效電感變化情況

由圖4～圖6可得,采用快速勵磁結構的新型磁控電抗器輸出容量從空載到額定容量所需相應時間約為30 ms,其等效電感由10 H減小到約0.2 H,由式(10)可得,等效電感變化前后交流母線暫態壓升為

(12)

隨著磁控電抗器輸出容量增大,其對換流站交流母線的暫態壓升抑制程度增加,使得交流母線暫態壓升降低。

2.3 基于MCR外特性的PSASP模型

由2.2節得到MCR從空載到額定輸出時的等效電感外特性,根據該外特性搭建PSASP模型。

在PSASP中采用延時觸發電感的方式模擬磁控電抗器輸出容量的變化情況。即在故障發生后30 ms后投入全部電感,模擬磁控電抗器的輸出從0增大至額定容量。

3 直流送端系統暫態壓升抑制仿真分析

3.1 基于PSASP的魯固直流仿真模型

以魯固直流為仿真試驗對象,魯固直流起于內蒙古扎魯特旗,止于山東青州市,工程額定輸送功率為10 000 MW,額定電壓為±800 kV,采用基于PSASP平臺的2019年魯固直流系統網架結構進行計算,直流送端系統投入容性無功一般按傳輸功率的40%～60%計算,仿真模型中換流站容性無功補償功率設定為直流輸送容量的57.4%,由8組容量290 Mvar的交流濾波器與9組容量380 Mvar的并聯電容器組成。

搭建一次系統主接線圖見圖7。該直流輸電工程各參數設定如下:輸電系統電壓等級為±800 kV,雙極運行額定功率10 000 MW,單極運行額定功率5 000 MW,直流額定電流5 000 A。每極采用400 kV+400 kV的2個12脈沖換流器串聯組成。直流輸電線路全長1 233.8 km,整流側換流變壓器原邊母線交流電壓為527.484 314 kV,副邊額定電壓為172.95 kV;經過單個6脈沖換流器后,整流側母線電壓為Udr=1.35U1cosα-RσId,每極采用2個12脈沖換流器串聯組成,則單極電壓U=4Udr,代入數據可得單極母線電壓為800 kV。

圖7 魯固直流一次系統主接線圖

3.2 基于新型磁控電抗器抑制暫態電壓升高仿真模型

在基于PSASP平臺的仿真模型中,將新型磁控電抗器安裝于扎魯特交流母線上,見圖8。模擬在6 s發生直流雙極閉鎖故障時,不同的無功補償方案以及措施對扎魯特交流母線暫態過電壓的抑制作用。其中單臺同步調相機容量為300 Mvar,采用切除容性無功的方法時,研究切除時間分別為發生直流閉鎖后30 ms、100 ms以及200 ms時對暫態過電壓抑制產生的影響。

圖8 基于PSASP的魯固直流仿真模型

3.3 仿真結果分析

仿真中母線電壓控制目標為小于1.3 p.u.,當直流輸送功率較高時,發生直流閉鎖后,扎魯特母線產生暫態過電壓,其峰值有可能高于1.3 p.u.,而輸送容量較小時,暫態過電壓峰值則能控制在1.3 p.u.以下。

將輸送容量設置為7 500 MW,投入容性無功為4 345 Mvar,由7組容量295 Mvar的交流濾波器與6組容量380 Mvar的并聯電容器組成,投入2臺容量300 Mvar的同步調相機,分別在雙極閉鎖發生后30 ms、100 ms、200 ms切除容性無功,扎魯特母線電壓波動情況如圖9所示,200 ms切除容性無功時過電壓峰值為1.3 p.u.。

圖9 輸送容量為7 500 MW時母線電壓波動情況

將輸送容量增大至8 000 MW,投入容性無功為4 430 Mvar,由6組容量295 Mvar的交流濾波器與7組容量380 Mvar的并聯電容器組成,投入2臺容量為300 Mvar的同步調相機,分別在雙極閉鎖發生后30 ms、100 ms、200 ms時切除容性無功,扎魯特母線電壓波動情況見圖10,在200 ms切除容性無功時,過電壓峰值超過1.3 p.u.。在僅投入2臺同步調相機時,輸送容量超過7 500 MW,則直流閉鎖后暫態過電壓將高于1.3 p.u.,故僅投入2臺同步調相機時,直流輸送容量最高為7 500 MW。

圖10 輸送容量為8 000 MW時母線電壓波動情況

將直流輸送功率提升為10 000 MW時,投入2臺同步調相機與容量為2 000 Mvar的新型磁控電抗器,扎魯特母線電壓波動情況見圖11。由圖11可知,投入600 Mvar同步調相機與2 000 Mvar MCR后,可將母線電壓暫態過電壓峰值降低到1.287 p.u.。圖11(a)為不切除系統濾波器時電壓波動情況,圖10(b)為分別在雙極閉鎖后30 ms、100 ms、200 ms切除所有濾波器時母線電壓波動情況,由圖11(a)、(b)可以得出過電壓峰值出現時間約為雙極閉鎖發生后200 ms左右,如果濾波器切除時間小于200 ms,則能有效降低雙擊閉鎖后母線暫態過電壓峰值,切除系統所有容性無功后,可使穩定后的母線電壓降低。圖12為延長觀察時間至25 s時,母線電壓波動情況,由圖可以看出,圖12(a)中母線電壓在25 s時仍處于下降趨勢,圖12(b)中母線電壓在約為20 s時趨于穩定,故切除系統容性無功,可以縮短母線電壓恢復時間。

圖11 投入600 Mvar同步調相機與2 000 Mvar MCR時母線電壓波動情況

圖12 延長觀察時間至25 s時母線電壓波動情況

當輸送功率為10 000 MW,不投入任何無功補償設備,僅切除系統容性無功時,扎魯特母線電壓波動情況見圖13,由圖可得,不投入調相機與磁控電抗器的情況下,切除容性無功時母線暫態過電壓峰值超過1.3 p.u.,在直流雙極閉鎖后30 ms、100 ms、200 ms切除容性無功時母線電壓在相同的時間恢復穩定,切除容性無功的時間僅影響母線暫態過電壓峰值大小,對電壓恢復穩定的時間影響不大。

圖13 僅切除系統容性無功時電壓波動情況

當輸送功率為10 000 MW,不投入同步調相機也不切除系統容性無功,分別投入2 000 Mvar、2 250 Mvar、2 500 Mvar MCR時,扎魯特母線電壓波動情況見圖14,由圖可得,在不切除系統容性無功時,僅投入2 500 Mvar MCR可使扎魯特母線暫態過電壓峰值降低到1.3 p.u.以下,投入不同容量的MCR,將影響過電壓峰值大小,但不影響過電壓峰值出現時間,以及母線電壓恢復穩定的時間。

圖14 分別投入不同容量MCR時母線電壓波動情況

由圖12(a)與圖14對比可得,投入600 MVar同步調相機與2 000 MVar MCR時,其對暫態壓升峰值的抑制效果與投入2 500 MVar MCR時相似,且隨后母線電壓變化趨勢相同,考慮到同步調相機的有功損耗大于MCR,因此采用MCR替代同步調相機抑制交流母線暫態壓升具有可行性。

4 結論

本研究主要提出了一種基于新型磁控電抗器的直流系統故障引發送端電網暫態電壓升高的抑制措施,以魯固直流工程為試驗對象進行仿真試驗,對比了不同抑制措施下的扎魯特母線電壓波動情況。主要結論如下:

1)當僅投入2臺同步調相機時,為了控制暫態過電壓小于1.3 p.u.,直流輸送功率最大為7 500 MW,當增加2 000 Mvar MCR后,直流輸送功率可提升至10 000 MW。

2)當切除系統中容性無功的時間小于200 ms時,可有效降低母線暫態過電壓峰值,且切除容性無功可降低穩定后的母線電壓;且切除系統中的容性無功,能有效減少母線電壓的恢復時間。

3)投入2 500 Mvar MCR時,可在不切除容性無功的情況下,輸送功率提升至10 000 MW時,將母線暫態過電壓幅值降低至1.3 p.u.以下。

4)投入不同容量的MCR將會對母線暫態過電壓峰值產生影響,但不影響過電壓峰值出現的時間,以及母線電壓恢復穩定的時間。

5)投入同等容量同步調相機與MCR時,其對交流母線暫態壓升的抑制效果相似,考慮到同步調相機的損耗較大,因此選擇采用MCR來進行暫態壓升抑制更具有優越性。