同步调相机故障对上海庙—临沂特高压直流输电系统影响的研究

王继豪，曹志伟，王安东，商攀峰，代海涛

（1.山东电力研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.国网山东省电力公司超高压公司，山东 济南 250118）

0 引言

特高压直流输电技术是我国实现新能源消纳和资源优化配置的有效手段，随着直流输电容量和输电距离的增长，电网“强直弱交”问题突出，为了维持电网稳定，在输出直流功率的同时应该配套动态无功补偿设备［1-3］。相对于静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）、精致同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等传统无功补偿设备，新型大容量同步调相机暂态和动态特性优良、输出功率不受系统电压影响、定转子承受过电流的能力强［4-5］。国家电网有限公司首批调相机规划21 站47台调相机，已投运18 站40 台调相机，有效支撑了特高压直流输电的安全稳定运行；预计十四五末，国家电网有限公司将达到80台调相机。

同步调相机投运初期，由于安装调试遗留缺陷或者设备质量问题，山东省外已经发生了16 次故障跳机事件。同步调相机与站内500 kV交流母线直接相连，耦合紧密，应对调相机故障足够重视并评估调相机发生各种故障对特高压直流输电的影响。

目前关于同步调相机故障分析的研究主要关注调相机本体及辅助系统故障机理及对本体的影响，如励磁系统故障分析［6］、定子绕组匝间短路故障诊断［7］、定子线棒水路堵塞温度场分析［8］等，而针对调相机故障对特高压直流输电系统影响的研究较少。

为此，以±800 kV上海庙—临沂分层接入特高压直流输电工程为依托，系统梳理全网调相机故障案例并进行归类，采用PSCAD 软件建立分层接入特高压直流直流输电系统仿真模型，重点研究调相机失磁、甩负荷、出口短路故障对特高压直流输电的影响，以期对现场运维有所帮助。

1 特高压直流输电系统

±800 kV 上海庙—临沂特高压直流输电工程包括两级（极Ⅰ和极Ⅱ），每一极包括2个12脉动阀厅。伊克昭换流站为送端，配置1 个交流滤波器场；沂南换流站为受端，低端、高端阀厅分别通过换流变压器接入2个交流系统，并配置有2个交流滤波器场。此外，沂南换流站配置有3 台300 Mvar 同步调相机［9］。基于PSCAD建模，系统结构如图1所示。

图1 系统结构

1.1 特高压直流输电原理

系统等效电路如图2 所示，系统等效电路参数含义如表1所示。

表1 系统等效电路参数含义

图2 系统等效电路

正常运行时，直流电流为

送端的传输功率为

受端接收的功率为

直流系统可以通过调节α、β，在1～10 ms 内快速大幅调节直流电流、电压和功率［10］。

1.2 直流输电控制策略

送端配置有带最小触发角（5°）控制的定电流控制，受端配备有定电流控制（电流定值比送端小10%）、电流偏差控制（Current Error Controller，CEC）和定关断角控制。为了在系统故障时限制直流线路过电流、加快故障恢复，受端还配有低压限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）。正常情况下，送端主要采用定电流控制，受端主要采用定关断角控制，实现送受端的协调配合［11-12］。直流输电控制策略如图3所示。

图3 特高压直流输电控制策略

1.3 换相失败控制策略

常规特高压直流输电系统受端的低端、高端阀厅均接入相同电压等级的交流系统，而上海庙—临沂特高压直流输电系统受端高、低端阀厅分别接入2个交流系统，2个阀厅存在一定的耦合：一是2个电压等级的交流系统存在一定的耦合，一个交流系统故障会引起另一个电网扰动；二是高端、低端阀厅通过相同的直流电流，一个阀厅换相失败会对另一个阀厅造成冲击，进而增大了换相失败发生概率［13］。沂南换流站在常规换流站换相失败预测控制措施（例如基于零序电压、αβ变换、谐波电压原理、等关断面积法、六脉动桥电流判据等换相失败预测控制措施）的基础上进行了增加或改进［9］，下面介绍增加或改进的措施。

1.3.1 阀厅间交换换相失败预测信息策略

当同极高端或低端阀厅换相失败预测控制启动后，会及时通过阀厅控制主机间通信将换相失败预测启动信号和预测的角度增大值传送至同极另一个阀厅控制主机，及时增大另一阀厅的熄弧角，防止换相失败发生。

1.3.2 配置双重换相失败预测控制模块

沂南换流站控制程序中将基于零序电压判据、αβ变换电压判据的换相失败预测控制措施封装在一个控制模块（定义为换相失败预测控制模块，其他换相失败预测控制措施不在该控制模块中）。2 个不同电压等级交流电网的母线电压测量值同时接入高端和低端阀厅，每个阀厅均配置两个换相失败控制模块，同步检测两个交流系统异常，熄弧角的增加量取两个模块的最大值。

1）零序电压判据。

当受端交流系统发生不对称故障时，交流母线电压中的零序电压分量满足判据启动条件时，则增大熄弧角，避免换相失败。

启动判据的条件及熄弧角增量为

式中：Ua、Ub、Uc为交流母线三相相电压标幺值；U0为零序电压分量标幺值；∆γ为熄弧角增量；k1为增益。

2）αβ变换电压判据。

该判据用于检测交流系统三相接地短路故障。首先利用式（6），通过αβ变换将相电压映射到αβ平面；然后将扰动时αβ变换输出值与稳态时αβ变换输出值比较，当满足启动条件时及时增加熄互角，启动判据的条件及熄弧角增量如式（6）所示。

式中：Uα、Uβ分别为αβ变换后的两个分量；∆Uαβ为αβ变换的变化量；t为判断周期；∆γ为熄弧角增量；k2为增益。

3）基于谐波电压原理的换相失败预测控制措施。

启动判据：交流电网中2 次、3 次、5 次谐波的任一个值大于8 kV（500 kV 交流电网）或16 kV（1 000 kV 交流电网）。

动作策略：与其他换流站动作策略不同（例如青州换流站根据谐波大小增大γ角），沂南换流站在谐波超过定值时仅锁定交流电压换相失败预测模块中所增大的γ角，防止γ角度频繁波动。

以高端阀为例：采集的高端阀组对应的交流系统电压谐波超过定值，则锁定高端阀组换相失败预测模块输出的γ角；采集的低端阀组对应的交流电压谐波超过定值，则锁定低端阀换相失败预测模块输出的γ角。

4）配置直流电流上升率检测模块。

单个阀厅换相失败会导致直流电流瞬间升高，可能导致另一个阀厅随之发生换相失败。因此，可通过检测直流电流上升的速度判断是否发生换相失败，及时增加触发角，防止换相失败［14］。该判据启动条件为满足式（7）且保持2 ms时，增大γ角5°。

式中：Id为直流电流实测值的标幺值；Iorder为直流电流指令值。

综上，受端换流阀换相失败预测控制策略如图4所示。

图4 沂南站换向失败预测控制策略

1.4 换流变压器

送端换流变压器容量为508 MVA，阻抗为21%，变比为530 kV/172.8 kV；受端换流变压器容量为493.1 MVA，阻抗为20%，低端阀厅对应的换流变压器变比为1 030 kV/167 kV，高端阀厅对应的换流变压器变比为530 kV/164.7 kV。换流变压器的空载特性曲线如图5所示。

图5 换流变压器空载特性曲线

1.5 交流滤波器

受端换流站500 kV、1 000 kV 交流滤波器场包括双调谐滤波器HP12/24、三次谐波滤波器HP3、并联电容器SC 3种类型的交流滤波器。交流滤波器等效电路如图6，参数如表2所示。

图6 交流滤波器等效电路

表2 交流滤波器参数

1.6 直流滤波器

送端和受端换流站每极各有两小组直流滤波器，其中一组为HP6/30 型双调谐滤波器，另一组为HP12/24 型双调谐滤波器，等效电路如图7 所示，参数如表3 所示。

表3 直流滤波器参数

图7 直流滤波器

1.7 同步调相机励磁控制

同步调相机动态无功补偿特性的发挥受励磁系统控制，沂南换流站调相机励磁系统起主要作用的是快速无功电压环和慢速无功环，励磁系统策略如图8 所示。稳态运行时慢速无功环起主要作用，通过检测调相机无功出力QF、机端电压幅值UT与设定值（Qref、Uref）的偏差，慢速调节调相机输出功率；当检测到系统电压跌落超过限值时，切除慢速无功环，通过快速电压环比较机端电压与设定值，在几十毫秒的时间内快速调节无功功率，维持系统电压［15-16］。

图8 同步调相机励磁控制

2 同步调相机故障仿真研究

山东省外调相机投运以来先后发生了16 次跳机，故障类型主要分为励磁系统故障、油水系统故障、调相机出口短路故障（升压变低压侧封闭母线凝露跳机、升压变高压侧套管闪络跳机）和热工保护误动。下面重点研究调相机失磁（反映励磁系统严重故障）、甩负荷（反映油水系统故障、热工保护误动）、调相机出口短路故障对分层接入特高压直流输电的影响。

2.1 调相机失磁

令1台调相机满负荷运行，在30 s时失磁。为定性分析调相机的失磁性特性，暂不考虑保护跳闸，调相机无功输出波形如图9（蓝色）所示。分析可知，由于调相机转子呈感性，失磁瞬间励磁电流不能突然变为0，无功功率将缓慢下降。调相机失磁性后将由迟相运行变为进相进行，功率从1.0 pu到-0.5 pu大约需要5 s，即失磁导致无功功率波动是一个相对缓慢的过程。

图9 调相机无功功率仿真波形

进一步分析调相机失磁对母线电压波动的影响，在故障发生0.5 s后跳闸，调相机输出无功功率及交流母线电压分别如图9（红色）和图10 所示。分析可知，调相机失磁后输出无功功率首先由1.0 pu 下降到0.5 pu，跳闸后快速下降到0；交流母线电压跌落幅值小于1%，直流输电几乎不受影响。极端情况下，若调相机故障跳闸导致无功功率损失过大触发控制投入交流滤波器组（秒级），将进一步减弱调相机故障的影响。综上，调相机失磁故障的影响很小。

图10 500 kV交流母线仿真波形

2.2 调相机甩负荷

令1 台调相机运行在1.0 pu 和-0.5 pu 下甩负荷，统计故障瞬间母线电压跌落最低值或上升的最高值（交流滤波器投退均需要秒级，故暂不考虑），仿真计算结果如表4所示。

表4 调相机甩负荷仿真计算结果

研究表明，调相机甩负荷会造成交流母线电压轻微波动，对直流输电几乎没有影响。

2.3 调相机出口短路

在30 s 时设置A 相接地短路，在0.05 s 后切除故障调相机（交流滤波器投退均需要秒级，故暂不考虑）。通过调整接地电阻的大小，模拟不同严重程度的单相接地故障。

1）升压变压器低压侧单相接地。

接地电阻大小影响：当只有1 台调相机挂网满载运行时，主变压器低压侧单相接地不会导致换相失败，但可能导致直流功率的降低；当接地电阻大于1 Ω 时，主变压器低压侧接地电阻对直流的影响很小，仿真数据如表5所示。

表5 仿真计算数据

投运机组数量影响：当分别有1～3台调相机满载运行时，令其中1台机发生故障（接地电阻为0），研究表明，投运调相机数量越多，500 kV母线电压、直流电压、直流功率下降程度和直流过电流程度越小，故障后系统恢复速度越快，仿真波形如图11所示。

图11 升压变压器低压侧接地短路时的仿真波形

2）升压变压器高压侧单相接地。

接地电阻大小影响：当只有1 台机挂网满载运行时，接地电阻小于20 Ω 会引起换相对失败；接地电阻大于20 Ω 一般不引起换相失败，但会引起母线电压和直流功率大幅波动，数据如表6 所示。

表6 仿真计算数据

投运机组数量影响：当分别有1～3 台调相机满载运行时，令1 台机组发生接地短路故障。研究表明，当发生换相失败时（接地电阻5 Ω，图12），直流电压和电流大跌落程度较大，即便有多台机组同时运行，也无法削弱电压跌落的程度。但在电压恢复阶段，挂网运行机组数量越多，直流电流和直流功率恢复越快。

图12 接地电阻为5 Ω发生换相失败时的波形

当未发生换相失败时（接地电阻20 Ω，如图13），挂网运行机组数量越多，直流功率损失和直流电流波动越小，故障恢复越快。

图13 接地电阻为20 Ω未发生换相失败时的波形

3 结语

基于PSACD 仿真平台及现场设备实际参数，建立了上海庙—临沂分层接入特高压直流输电工程的计算模型，研究表明：调相机失磁及甩负荷对直流输电影响很小；主变压器低压侧接地短路故障一般不会导致换相失败，但可能导致直流功率大幅下降；主变压器高压侧短路故障大概率会导致换相失败。当发生故障时有2 台以上调相机运行时，能够减少交流母线和直流功率跌落程度，加快故障恢复过程，充分发挥调相机紧急无功支撑作用。因此，现场人员应该加强运维检修，采取措施重点避免调相机出线罩至主变压器升压侧区间出现接地短路故障。