北极星智能电网在线讯:摘要：研究了新一代调相机在我国特高压直流送受端的应用。首先结合直流对于调相机的技术需求，研究了调相机模型，提出基于不同时间尺度的次暂态、暂态、稳态 3 种运行特性。然后，基于酒泉—湖南直流风火打捆送端，从增加系统短路比、降低新能源高压脱网风险、抑制稳态过电压等角度研究了调相机在特高压直流送端的应用效果;基于华东多直流馈入受端电网，从提高直流多馈入短路比、降低多回直流同时换相失败的风险、提升严重故障下的系统电压稳定水平等角度研究了调相机在特高压直流受端电网的应用效果。
最后，从设备角度提出新一代调相机在运行维护、无功响应特性等方面相较于传统调相机的技术优势，旨在为调相机后续投入工程运行提供技术支撑。
关键词： 调相机;特高压直流;次暂态特性;强励;进相;新能源高压脱网;直流换相失败
0 引言
我国能源资源与负荷呈逆向分布，多采用高电压等级直流进行大容量输电[1-3]。目前我国已投运向家坝上海、锦屏—苏南、天山—中州等多回特高压直流。根据特高压直流设计原则，正常工况下直流换流站与系统无功交换为零，直流本身不向系统提供动态无功。因此，在系统发生故障的动态过程中，直流需从系统吸收大量的无功，随着直流的大规模馈入，尤其对于华东等直流多馈入受端电网，多回直流换相失败问题、电压稳定问题愈显突出[4-6]。另一方面，特高压直流送端多建设在风电、光伏等大规模新能源集中开发的边远地区，网架薄弱、短路容量不足问题突出，同时送端直流故障易引起系统暂态电压升高，严重情况下导致新能源大面积脱网[7-10]。
针对我国特高压直流送受端动态无功储备和电压支撑不足的突出问题，客观要求直流大规模有功输送，必须匹配大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支撑”。调相机作为旋转设备，与 SVC、STATCOM 等基于电力电子技术的动态无功补偿装置相比，既为系统提供短路容量， 又具有更好的无功出力特性，在降低直流送端暂态过电压、抑制直流受端换相失败、利用强励提高系统稳定性等方面具备独特优势[11-13]。国外从 1950 年代开始有多个国家应用调相机提高系统的稳定性，如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等国家在大规模水电基地远距离外送的直流换流站加装调相机。根据国网公司战略规划，在“十三五”期间，将在多回特高压直流的送受端加装调相机。新一代调相机设备在设备维护、技术特性等方面将进行大幅改进完善，以适应电网运行需求。
本文结合特高压直流输电工程对于调相机的技术需求，研究了调相机的模型及运行特性，然后分别基于酒泉—湖南特高压直流风火打捆送端电网和华东多直流馈入受端电网，仿真论证了调相机在直流送受端的应用效果，最后从设备角度提出新一代调相机相比传统调相机的技术优势， 旨在为调相机后续投入工程运行提供技术支撑。
1 调相机模型及运行特性
1.1 调相机励磁模型
调相机主要由本体、励磁系统、升压变、起动系统、冷却系统、油系统、控制保护系统共 7 部分组成。新一代大容量(额定容量 300 Mvar)调相机采取隐极机。
调相机励磁方式与发电机励磁相同，主要分为交流励磁机方式和自并励励磁方式， 2 种励磁系统的特性如表 1 所示。现代大型发电机多采用自并励励磁方式，调节速度更快，调节容量更大。调相机也采用自并励励磁方式。
1.2 调相机运行特性
电力系统事故后运行曲线按照时间尺度可划分为次暂态过程、暂态过程、稳态过程，如图 1 所示。对应于每段过程，调相机可分别发挥次暂态特性、暂态特性、稳态特性，为系统提供动态无功支撑。
1)次暂态特性。
调相机具备次暂态特性，在故障瞬间内电势保持不变，可瞬时发出/吸收大量无功。调相机加装于直流受端时，可瞬时发出大量无功，支撑电网电压，尤其对于多直流馈入电网，可减少多回直流同时换相失败几率，提高电网安全稳定水平。调相机加装于直流送端时，可瞬时吸收大量无功，抑制暂态过电压，尤其对于新能源外送的直流送端，可抑制新能源大规模脱网，提高直流系统新能源输送比例。
2)暂态特性。
调相机具备暂态特性，即强励特性，短时(1 s)能够发出额定容量 2 倍以上无功。调相机加装于直流受端，当系统发生严重故障导致电压大幅跌落时，调相机进入强励状态，为系统提供紧急无功电压支撑，有助于直流功率和系统电压迅速恢复，防止电压崩溃。
3)稳态特性。
调相机具备稳态特性， 300 Mvar 调相机具备300 Mvar 迟相和 150~200 Mvar 进相的持续运行能力。调相机加装于直流送端时，可利用深度进相能力在直流闭锁等故障后吸收系统多余无功，抑制送端系统稳态过电压。调相机加装于直流受端时，在交流系统故障清除后可能存在系统电压无法恢复至稳态电压运行范围内的情况，调相机进入迟相运行，改善系统稳态电压水平。
2 调相机在直流送端的应用研究
2.1 研究条件
研究将规划的酒湖特高压直流风火打捆外送系统作为仿真算例[14]。酒湖直流送端将近区敦煌、桥湾并网风电与自身配套火电捆绑输送到受端湖南电网。 直流额定电压800 kV，额定功率 8000 MW。配套火电暂定为 4 台 1000 MW 机组。敦煌、桥湾风电通过 330 kV送出线路汇集到敦煌、桥湾 750 kV站，敦煌风电上网功率约 1800 MW，桥湾风电上网功率约 4000 MW。酒湖直流送端系统结构见图 2。
研究采用 Window2007/Xp 平台中文版 BPA 潮流及暂态稳定程序作为主要仿真工具。直流模型采用基于 ABB 实际直流控制系统的 DA 准稳态模型。现有《电力系统安全稳定导则》与相关计算标准仅考虑了直流系统单双极闭锁故障形态。结合特高压直流实际运行经验及控制保护动作情况，还需考虑直流换相失败、再启动等故障对电网的影响[14-15]。风电机组需考虑高电压穿越，按照目前的实际运行条件，当风电场并网点电压超过标称电压的 1.15 pu时，风电场无延时脱网[14]。
另外，柴拉直流整流侧换流站 330 kV 母线需保证不低于 315 kV，以免电压大幅跌落影响柴拉直流功率[14]。
研究考虑在酒泉换流站加装 2 台调相机，单台额定容量 300 Mvar。
