调相机对特高压换流站无功支撑作用研究

刘坤，陈茜茜

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏南京，211102）

随着大量特高压直流工程投运，大电网进入了特高压网架形成的过渡期，“强直弱交”矛盾突出，受端站的无功支撑问题成了困扰电网安全运行的一个难题，为保证大电网的安全可靠运行，保证频率可靠、电压稳定，选择运行灵活的无功支撑手段迫在眉睫，相比于传统的滤波器，新一代的调相机具备响应快，工况灵活，无功支撑效果好等优势，逐步成为了大电网安全综合防御体系的重要组成部分，实现了大直流输电与强无功支撑的匹配。

1 特高压换流站无功需求分析

■1.1 无功需求分析

特高压换流站输电具备距离远、功率损耗小、经济投资小等优点，但是换流器在工作中，需要消耗大量无功，从无功需求角度分析，已投运的直流输电工程中，换流器无功消耗占输送功率的30%-50%。根据无功补偿“分层分区、就地平衡”的原则，换流站的无功需求必须就地满足，传统的手段是投切滤波器。根据运行工况的不同，无功消耗也会有所变化。换流站在运行过程中，控制保护程序根据当前运行工况，投切交流滤波器，从而实现换流站的无功平衡，同时，也抑制换流器工作中产生的谐波。

■1.2 换相失败分析

换相失败是特高压直流输电中危险性较大的故障之一，该故障一般发生在受端，受端交流电网电压跌落，触发脉冲丢失、换流阀短路等都可能导致该故障。该故障的成因主要是两桥臂换相结束后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，从而导致换相过程未能完成，承受正电压的阀向应该退出的阀进行倒换相，这种现象就是换相失败。

由于电容器的容量与电压平方成正比，特高压直流馈入的受端电网电压跌落时，受端换流站将从系统吸收无功，特高压换流站受端发生换相失败，换流器将从受端电网吸收500MVar左右无功，如果交流电网无法提供充裕的无功，则会发生连续换相失败，从而导致直流闭锁，造成负荷瞬时跌落。

2 调相机无功支撑作用

■2.1 调相机原理

同步调相机运行于电动机状态，运行过程中处于空载状态，不产生有功，只产生和消耗无功功率。

调相机主要由三部分组成：

(1)调相机主机：由定子、转子、隔音罩、轴承等组成。

(2)调相机二次系统：由控制系统（DCS）、保护系统、故障录波、同期装置、禁止变频器启动系统（SFC）、励磁系统组成。

(3)调相机辅助系统：由内冷水系统、外冷水系统、润滑油系统、盘车系统、循环水处理系统、在线监测系统组成。

■2.2 调相机优势

相比于传统无功手段，调相机主要技术优势：

图1 调相机结构图

(1)调相机具备过载能力。且调相机对交流电网电压要求较低。同时，运行于强励磁工况时，可以在极短的时间内，发出大量无功，该特性对于换相失败和持续时间较长的故障具有很好的支撑作用。

(2)运行稳定性好。调相机是一项成熟的技术，在设备制造、逻辑制定、建设维护等方面，都有配套的标准和规范，具备良好的运行稳定性。

(3)经济效益突出。调相机建设面积一般为同容量SVC的1/3，且使用年限达到40年，具备良好的经济效益。

■2.3 调相机运行工况

调相机日常处于空载运行，随时监测站端无功交换情况，并采取相应策略：

(1)迟相运行。处于该运行状态时，调相机的励磁电流将会增加，定子电流相位滞后于电压，调相机向交流电网发出无功功率，提高电网电压，此时功率因数为正。

(2)进相运行。处于该运行状态时，调相机的励磁电流将会减小，定子电流相位超前于电压，调相机从交流电网吸收无功功率，降低电网电压，此时功率因数为负。

图2 调相机迟相运行

图3 调相机进相运行

(3)强励运行。处于该运行状态时，控制系统将会立刻提高励磁电压到最大值，调相机的励磁电流将会迅速增大，一般为额定电流的数倍，该种状态一般出现在交流电网电压瞬时快速跌落时，定值一般为额定电压的85%，调相机运行于该状态，将有效支撑交流电网电压。

■2.4 调相机控制策略

(1)调相机运行于稳态时，由调相机母线电压和无功控制策略实现控制目标。

(2)调相机运行于暂态时，由电压闭环进行快速控制，从而快速实现强励和减励，实现无功支撑的作用。

(3)调相机和滤波器配合实现快速无功控制环节，当滤波器投入运行时，调相机减少无功出力，保留充足的无功裕度，当滤波器无功调节能力不足时，调相机快速输出无功，此时调相机无功出力越大，对受端换流站无功支撑作用越明显。

3 案例分析

2021年1月8日，下午13：12，某换流站双极四换流器大地回线运行，输送功率1860MW。由于其他特高压交流站1000千伏线路因故障跳闸，之后重合闸动作，重合于故障，线路沟通三跳。交流电网电压出现两次瞬时跌落，该站极1高端换流器三套保护检测到任一桥换相失败一次。同时，极1高、极2高、极2低各报2次换相失败预测。OWS报警信息如表1所示。

表1 OWS后台报警

如图4、图5所示，1000kV电压跌落至858.9kV，500kV电压跌落至483.2kV。此时，如图6、图7所示，调相机动作，向站端输出大量无功，1号调相机输出无功额定值的29.7%，及89.1MVar,2号调相机输出无功额定值的29.2%，及87.6MVar。

图4 1000kV交流电网波形

图5 500kV交流电网波形

图6 1号调相机无功输出波形

图7 2号调相机输出波形

从上述波形可以发现，交流电网出现两次瞬时跌落时，调相机均立刻动作，发出大量无功，为交流电网提供支撑，确保交流电网电压快速恢复，避免了换流器连续换相失败的产生，提高了输电可靠性。

4 结语

调相机的运行特性和发电机相似，调相机一直运行于空载状态，发出和吸收无功，并且具备进相能力，即吸收无功的能力，调相机动态处于强励状态时，无功输出最高可以达到额定值的2倍，因此，调相机技术适合解决大容量直流系统接入弱交流系统引起从而导致的无功支撑不足的问题，在本文的案例分析部分，通过实际案例，验证了调相机无功支撑的重要作用。