陳 濤，何 山，2*，王本廣，張學友，賀文軍

(1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830049)

相對于高壓交流輸電，特高壓直流輸電(ultra high voltage direct current，簡稱UHVDC)具有成本低、后期維護工作量小的優(yōu)勢[1-6].風能及太陽能直接饋入送端[7]，導致功率不穩(wěn)定[7-8].新疆哈密特高壓直流輸電送端所在的網(wǎng)架結構復雜，且短路容量不足[9].送端換流站故障極易導致功率波動，嚴重時能使大量風電及光電從電網(wǎng)樞紐中解列[10]，因此有必要安裝大容量無功補償設備[11-12]，為電網(wǎng)提供無功功率支撐，防止換相失敗，維護系統(tǒng)穩(wěn)定.文獻[13]仿真分析了調相機對整流站及逆變站的影響，驗證了大容量新型調相機在無功調節(jié)方面具有獨特優(yōu)勢.文獻[14]分析了在特高壓直流輸電的受端安裝2臺大容量新型調相機對系統(tǒng)的影響，研究表明安裝大容量新型調相機能一定程度解決受端電壓波動及換相失敗問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

作為旋轉設備的調相機，與靜止無功補償裝置(static var compensator，簡稱SVC)、靜止同步并聯(lián)型無功補償裝置(static synchronous compensator，簡稱STATCOM)等相比，在增加系統(tǒng)短路容量、降低換相失敗頻率、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性方面均有優(yōu)勢[15].目前，將調相機作為無功功率源接入 UHVDC線路仍處于理論研究階段[16]，另外，線路中負荷突增或短路出現(xiàn)時，應對措施也少.鑒于此，筆者以哈—鄭UHVDC線路為研究對象，在Simulink中搭建哈—鄭UHVDC交直流混聯(lián)線路及大容量新型調相機模型，分析大容量新型調相機接入送端后對哈—鄭UHVDC穩(wěn)定性的影響.

1 大容量新型調相機

1.1 大容量新型調相機的運行原理

大容量新型調相機是一臺不帶機械負載的同步電動機，由靜止變頻啟動 (static frequency conventer，簡稱SFC)系統(tǒng)、啟動切換系統(tǒng)、勵磁及電機系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)組成，如圖1所示.

圖1 大容量新型調相機結構

圖2為新型大容量調相機運行原理圖.

圖2 新型大容量調相機運行原理圖

從圖2可知，信號采集模塊采集換流站母線上的電壓及電流信號，邏輯檢測模塊將信號傳至信號綜合處理器，然后將處理后的信號送至勵磁模塊.

1.2 大容量新型調相機的數(shù)學模型

文獻[17]構建的大容量新型調相機的數(shù)學模型為

(1)

其中：δ為功角；ω為轉子角速度；ωs為速度基準值；Pe為電磁功率；D為阻尼系數(shù)；TJ為轉子慣量；T′d0為直軸暫態(tài)開路時間；Xd，Xq分別為直軸、交軸電抗；X′d為直軸暫態(tài)電抗；Efq為勵磁電壓；Ud，Id分別為直軸電壓、電流分量；Rs為定子電阻；Iq為交軸電流分量；Uq為交軸電壓分量；E′q為交軸暫態(tài)電動勢.

將接入UHVDC線路的大容量新型調相機作為無功功率備用裝置.當無功功率不能滿足換流站換相需求時，換流站母線電壓下降，當電壓降至換流站最低換相電壓時，會出現(xiàn)電壓崩潰和有功功率傳輸失敗，此時若有大容量調相機作為無功功率備用裝置，通過SFC啟動調相機，根據(jù)系統(tǒng)需求提供所需的無功功率，能使換流站母線電壓及有功功率穩(wěn)定.

基于Simulink平臺搭建的大容量新型調相機的仿真模型如圖3所示.

圖3 大容量新型調相機的仿真模型

圖4為單臺調相機無功功率曲線.由圖4可知，無功功率從額定值增至2.5倍額定值的時間大約為6 s，表明調相機能在較短時間輸出無功功率，能滿足系統(tǒng)的快速需求.

圖4 單臺調相機無功功率曲線

2 哈密—鄭州特高壓直流輸電線路的運行特性

2.1 哈密地區(qū)的網(wǎng)架結構

圖5為哈密地區(qū)220 kV及以上線路的網(wǎng)架結構.由圖5可知，該地區(qū)電能以新能源為主，風能、太陽能受天氣影響較大，火電與水電較少，無功儲備不足，增加無功儲備成為哈密地區(qū)亟待解決的問題.天山換流站是電網(wǎng)樞紐，屬于750 kV特高壓線路.哈—鄭UHVDC線路的送、受端處于兩個不同的電網(wǎng)，送、受端功率波動對自身所在的網(wǎng)架沖擊較小，但會對兩主網(wǎng)架間的線路產生較大沖擊[18].

圖5 哈密地區(qū)220 kV及以上線路的網(wǎng)架結構

2.2 基于MATLAB搭建的哈—鄭特高壓直流輸電模型

根據(jù)天山樞紐無功功率設備的接入方式及直流線路功率輸送的特點，基于MATLAB搭建的哈—鄭特高壓直流輸電模型如圖6所示.

圖6 基于MATLAB搭建的哈—鄭特高壓直流輸電模型

2.3 整流站與逆變站的功率關系

基于文獻[19]將圖6哈—鄭特高壓直流輸電模型簡化為如圖7所示的等效電路.

圖7 高壓直流線路的等效電路

圖7中，Vdorcosα為整流器內電勢，α為整流側觸發(fā)延遲角，Vdor為整流側空載直流電壓；Vdoicosγ為逆變器內電勢，γ為逆變側觸發(fā)延遲角，Vdoi為逆變側空載直流電壓；Rcr為換相疊弧影響下的整流側等效換相電阻；Rci為換相疊弧影響下的逆變側等效換相電阻；RL為線路阻抗；Id為線路直流電流；Vdr為整流側直流電壓；Vdi為逆變側直流電壓.

從整流側流向逆變側的直流電流[19]為

(2)

整流側的終端功率為

Pdr=VdrId.

(3)

逆變側的終端功率為

(4)

無觸發(fā)延遲時的平均直流電壓為

(5)

其中：ELN為線路額定電動勢.

基頻交流線電流的有效值為

(6)

其中：ILM為基頻電流最大值.

出現(xiàn)換相疊弧時的平均直流電壓[19]為

Vd=Vd0cosα-ΔVd，

(7)

由(5)～(7)式可得

(8)

其中：δ0為熄弧延遲角.

忽略損耗，且當交流功率等于直流功率時，由式(7)可得

(9)

其中：φ為換流站基頻交流線電流滯后于電源電壓的角度.

由(8)～(9)式可得

(10)

由(7)，(9)～(10)式可得

(11)

(12)

由換流站直流功率-電流關系[19]及式(11)可知，負荷增大，負荷電流Id增大，功率因數(shù)cosφ減小.由tanφ與cosφ變化一致且結合式(12)可知，無功Q不足時，為使功率平衡，有功功率必須下降.由式(11)可知，若Id繼續(xù)增大，直流功率會持續(xù)下降，進而會使換相電壓降低，當換相電壓下降至最低換相電壓時，會出現(xiàn)電壓崩潰、功率波動、系統(tǒng)不穩(wěn)定.

由上可知，當逆變側負荷出現(xiàn)較大波動時，無功不足影響送、受端功率的交換，進而影響功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性.若在系統(tǒng)中接入大容量新型調相機，提供無功功率，可保證UHVDC穩(wěn)定.

3 加入大容量新型調相機后的UHVDC系統(tǒng)仿真

基于哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路，利用Simulink搭建UHVDC交直流混聯(lián)線路模型，在線路的整流側(天山換流站)加裝大容量新型調相機，仿真分析2種典型工況下?lián)Q流站的功率特性.

3.1 逆變側重載

工況1：系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，在UHVDC線路中接入負載，達額定負載的80%.

由圖8～10及表1可知，2 s時負載增大至額定負載的80%;在2～2.5 s整流站及逆變站有功功率均出現(xiàn)了明顯波動，其波動幅度分別為0.08，0.09 p.u.；調相機接入后，整流站及逆變站的有功功率波動幅度均明顯降低，分別降至0.04，0.01 p.u.；調相機提供了短時380 MVar的無功功率.綜上，調相機安裝在UHVDC送端，可有效抑制由于負荷波動造成的有功功率波動，增強了換流站功率的穩(wěn)定性.

圖8 工況1下整流站的有功功率

圖9 工況1下逆變站的有功功率

圖10 工況1下單臺調相機的無功功率

表1 工況1下調相機的接入對有功功率的影響

名稱故障時的有功功率/(p.u.)恢復后的有功功率/(p.u.)差值/(p.u.)無功功率/MVar整流站(未加入調相機)0.840.760.080整流站(加入調相機)0.770.730.04380逆變站(未加入調相機)-0.76-0.850.090逆變站(加入調相機)-0.75-0.760.01380

3.2 整流側交流線路發(fā)生三相接地故障

工況2：UHVDC的整流側交流線路在2～2.5 s發(fā)生三相短路接地故障.

由圖11～13及表2可知，在2～2.5 s整流側交流線路發(fā)生三相接地故障，系統(tǒng)功率為0；在2.5 s時，故障消除，整流站及逆變站有功功率均恢復，功率有較小波動，其波動幅度分別為0.15，0.23 p.u.；從故障消除到正常運行，整流站及逆變站分別用時0.54，0.55 s；調相機接入后：(1)整流站、逆變站有功功率波動幅度分別降至0.1，0.17 p.u.；(2)從故障消除到正常運行，整流站、逆變站用時分別為0.25，0.24 s.綜上，調相機的接入有效抑制了有功功率的波動，縮短了從故障狀態(tài)恢復至正常狀態(tài)的時間，保證了換流站功率輸送的穩(wěn)定性.

圖11 工況2下整流站的有功功率

表2 工況2下調相機的接入對有功功率的影響

4 結束語

筆者利用Simulink仿真平臺搭建了含調相機的哈—鄭UHVDC線路模型，針對2種典型工況進行了仿真分析，結果表明：工況1下，調相機的加入降低了無功功率不足造成的有功功率波動，增強了換流站功率輸送的可靠性；工況2下，調相機的加入縮短了故障恢復時間，保證了換流站輸送功率的穩(wěn)定性.可見，大容量新型調相機加入哈—鄭UHVDC線路送端，增強了換流站有功功率輸送的可靠性，減小了負荷突增造成的有功功率波動，縮短了三相接地故障的恢復時間，保證了換流站功率輸送的穩(wěn)定性.