第39卷第9期2019年9月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol.39No.9Sept.2019
大规模新能源直流外送系统调相机配置研究
索之闻1，刘建琴1，蒋维勇1，李志强2，杨
林1
（1.国网经济技术研究院有限公司，北京102209；
2.中国电力科学研究院有限公司，北京100192）
摘要：针对抑制送端电网暂态过电压的技术需求，首先分析了送端电网暂态过电压的影响因素；然后构建了
直流外送试验仿真系统，基于机电暂态仿真，考虑分布式调相机及其分层分散配置的作用，分别提出了调相机集中和分散接入不同电压等级配置方案；最后通过对比各方案给出了大规模新能源直流外送系统调相机配置建议，研究结果表明在各新能源汇集站低电压等级侧分散配置小型化调相机，不仅可以全面解决送端系统的暂态过电压问题，还能进一步提高经济性。关键词：电力系统；新能源直流外送系统；安全稳定；暂态分析；暂态过电压；分布式调相机；分层分散配置中图分类号：TM 721.1；TM 342文献标志码：A DOI ：10.16081／j.epae.201909054
0引言
目前，我国风电、光伏仍处于高速发展时期，并网装机容量均位居世界第一。我国的资源禀赋决定了能源建设必须走开发大基地、依托大电网、融入大市场的发展道路［1-2］。
高压直流输电技术能够大幅提高电网远距离、大规模输电能力，使我国西、北部清洁能源的集约高效开发和大范围配置消纳成为可能，对保障能源安全、推动东西部地区协调发展具有重要意义［3-4］。
采用特高压直流输送新能源，由于送端电网相对薄弱，当发生直流系统线路故障、受端换相失败、直流闭锁等故障时，特高压直流在暂态过程中的无功大范围波动导致送端电网电压剧烈变化，这将对新能源运行产生影响，可能造成新能源的无序脱网（以风电为例，国家标准规定当风电场并网点电压为标准电压的90％～110％时，风电机组应能正常运行；当风电场并网点电压超过标准电压的110％时，风电场的
运行状态由风电机组的性能确定），进一步导致直流输送新能源能力受限，严重情况下还会引起电网的稳定问题［5-6］。
动态无功补偿对于保障电网电压稳定和特高压直流安全运行至关重要，新一代调相机在系统故障瞬间电压支撑能力强、暂态响应速度快、过载能力大，且具备较大容量的进相能力，相比于静止无功补偿器SVC （Static Var Compensator ）、静止无功发生器SVG （Static Var Generator ）等电力电子动态无功补偿设备，调相机作为同步旋转设备对直流引起的
系统暂态电压波动具有更好的抑制效果［7-10］。根据
规划，国家电网有限公司将在多回特高压直流工程送端系统加装调相机，如已投运的扎青、酒湖等直流工程［11］。
现有关于动态无功补偿配置的研究，主要考虑以低电压为特征的静态、暂态电压稳定性，研究对象主要为SVC 和SVG ［12-19］。文献［12］基于向量场正规形理论，提出了一种确定SVC 安装位置的新方法；文献［13］计及多馈入直流间的相互影响，研究了提高直流换相失败后恢复的SVC 布点方法；文献［14］针对多直流馈入电网电压稳定特性及与无功补偿的关系，提出了一种基于电压灵敏度的动态无功补偿实用选点方法。对于含大规模新能源的送端系统，目前调相机原则上均配置在换流站高压侧（调相机单台容量为300Mvar ），用以抑制直流典型故障下换流站暂态过电压。然而，由于新能源通常采用逐
级升压的汇集方式，距离换流站的电气距离较远，大容量调相机集中装设在换流站无法有效缓解新能源对于送端系统暂态过电压的助增作用，现有研究未考虑分布式调相机及其分层分散配置的作用。
本文首先分析了大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素，然后构建了直流外送试验仿真系统，基于时域仿真计算，分别提出了高、低电压等级调相机配置方案，最后通过对比给出了送端系统调相机的配置建议。
1送端系统暂态过电压影响因素
直流系统常见的故障类型：如直流重启动、直流闭锁、换相失败等，均会导致送端系统暂态过电压。由于换相失败故障发生的概率较高，且通常是双极同时发生，因此换相失败故障是本文关注的重点。1.1直流控制环节
直流换相失败故障发生后，送端交流系统电压
收稿日期：2018-11-19；修回日期：2019-08-15基金项目：国家电网公司总部科技项目（5102-201956301A-0-0-00）
Project supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China （5102-201956301A -0-0-00）
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第9期索之闻，等：大规模新能源直流外送系统调相机配置研究
先降后升，文献［20］对影响直流控制系统特性的主
要控制环节进行了灵敏度分析，包括换相失败预测控
制环节、电流控制CCA（Current Control Amplifier）
环节、低压限流VDCOL（Voltage Dependent Current
Order Limit）环节以及正斜率控制环节，指出CCA环
节的比例系统、积分时间常数以及VDCOL环节的最svg的类型有几种
小限制电流、直流电压下降时间常数对送端交流系
统的暂态过电压特性影响较大，是控制系统优化的
关键参数。例如，VDCOL环节中的最小限制电流将
影响送端系统暂态过电压的持续时间，而直流电压
下降时间常数将影响暂态过电压的幅值。然而，在
大规模新能源直流外送场景下，仅通过优化直流控
制参数并不能有效抑制新能源系统对于送端电网暂
态过电压的助增作用。
1.2无功补偿类型
1.2.1SVC
SVC拓扑和控制结构如附录中图A1所示，其通
过晶闸管控制电容／电抗器投退，实现无功功率的
平滑调节。
直流换相失败后SVC的无功出力如附录中图
A2所示，无功功率为正值表示吸收无功。可以看
出，直流换相失败后送端交流系统电压先降后升，当
系统电压降低时，SVC滞相发出一定数量的无功功
率；而当系统电压升高时，进相无功无法立即跟上，
SVC仍滞相输出无功功率，这反而助增了系统的过
电压，呈现无功电压“反调”特性。
通过增加控制系统的响应速度和增益可以提高
SVC的响应速度，但是控制系统响应速度和增益的
提升可能导致SVC在弱系统下出现振荡，如附录中
图A3所示，对系统安全稳定造成不利影响。
1.2.2SVG
SVG是一种快速动态无功补偿设备，其通过调
节输出电压幅值和相位实现与交流系统无功功率的
交换。SVG无功功率、电压特性曲线如附录中图A4
所示。虽然SVG比SVC有更快的响应速度，但由于
其仍是通过控制环节响应电网电压的变化，当送端
系统电压变化较快时（如连续换相失败故障），仍将
可能呈现电压“反调”特性。
1.2.3调相机
调相机可以在几十毫秒内将定转子储存电磁场
能提供至电网，其无功功率与调相机主参数相关。
机端电压突变时，次暂态过程中定子输出电流如下：
I″
d=(E″q-U t)/X″d（1）
其中，E″q为调相机q轴次暂态电动势，在故障发生时
不能发生突变；U t为机端电压（电网电压）；X″d为d轴
次暂态电抗；I″d为次暂态过程中定子输出电流。
X″d 越小，调相机提供的次暂态无功功率越大，
越有利于系统暂态特性改善。但由于调相机动稳和
热稳需求，X″d不能过小。
在系统电压发生突变时，调相机可根据系统电
压的情况快速发出或吸收无功功率，不呈现电压“反
调”特性，较SVC和SVG无功电压性能更优。调相
机无功功率、电压特性曲线如附录中图A5所示。图
中，Q SC为调相机无功出力。
调相机接入可能导致系统短路电流超标，可采
取线路出串或加装串抗等多种方式解决，而且主要
针对受端地区。对于本文所提大规模新能源直流外
送系统，其短路电流水平相对较低，加装调相机反而
能够提高系统短路容量，有利于抑制送端系统的暂
态过电压。不仅如此，调相机还能提供转动惯量，更
有利于提高新能源直流外送系统的频率稳定水平。
1.3新能源发电系统
1.3.1无功功率控制策略
送端交流系统的暂态过电压水平和新能源发电
系统并网逆变器的无功功率控制策略有关，以光伏
为例：当采用定电压控制时，逆变器会根据系统电压
的变化发出或吸收无功功率；当直流发生双极闭锁
故障时，逆变器响应系统电压的变化迅速吸收无功
功率，有效阻止系统电压升高；而当直流发生换相失
败时，送端系统电压先降后升，和1.2节提到的SVG
“反调”特性类似，由于电压上升过程中光伏逆变器
仍可能滞后输出无功功率，进而助增了光伏并网点
的暂态过电压，最终导致系统电压的进一步升高。
光伏无功功率、电压特性曲线如附录中图A6所示。
1.3.2机组类型
送端交流系统的暂态过电压水平也和新能源发
电单元类型有关，不同于光伏／直驱风机与系统完
全解耦，双馈风机的定子与电网直接相连，转子通过
三相背靠背换流器实现交流励磁。当系统电压突然
变化时，由于风机定子磁链不能突变，会感应出直流
分量，反应在并网点则会发出或吸收部分无功功率。
双馈风机在系统过电压瞬间拥有类似“同步机”的特
性。双馈风机无功功率、电压特性曲线如附录中图
A7所示。
1.4新能源汇集方式
送端交流系统的暂态过电压水平还和新能源汇
集方式有关，搭建仿真算例，对于同一运行方式，在
采用相同新能源机组类型和控制方式的情况下，附
录中图A8为新能源分散和集中汇集时，直流发生换
相失败故障后送端换流母线的电压曲线。可以看
出，新能源分散汇集时的暂态过电压约为1.345p.u.，
新能源集中汇集时的暂态过电压约为1.397p.u.。
因此，在进行大规模新能源直流外送系统规划时，需
进一步考虑新能源汇集方式对送端系统暂态过电压
的影响。
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电力自动化设备第39卷
2调相机高电压等级接入方式
针对某实际大规模新能源直流外送场景，构建了图1所示的直流外送试验仿真系统，其中送端换流站和变电站C 合建，直流额定功率为104MW ，额定电压为±800kV ，直流配套水电为2.2×103MW ，近区无火电。配套新能源电站（风电4×103MW ，光伏1.3×104MW ）经35kV 、110kV 、330kV 、750kV 逐级升压后，分散汇集于换流站近区750kV 变电站A 、B 、C ，按新能源容量的20%配置动态无功补偿装置（SVC 或SVG ），换流母线配置8台300Mvar 的调相机（接于750kV ）。
直流控制系统采用PSD -BPA 仿真软件中的DA 卡，包括极功率控制、整流侧最小触发角控制、低压限流控制、换相失败预测等环节；风电采用PSD -BPA 中的GE 风电机组模型（双馈型），风电均采用恒功率因数控制模式；光伏控制系统采用PSD -BPA 中的BC 、BC+卡，其中部分光伏电站采用定交流电压控制模式，选取部分典型控制环节参数如附录中表A1所示。
考虑风光大发运行方式，送端系统水电小开机，换流母线短路电流约为29.2kA ，直流发生换相失败故障后换流母线电压满足不超过1.3p.u.的要求，然而新能源并网点电压基本均超过1.3p.u.，如图2所示。图中，U c 、U r 分别为换流站母线电压、新能源并网点电压，两者均为标幺值，后同。2.1换流站750kV 侧集中接入
换流站集中接入8台调相机不能保证送端系统暂态过电压的要求，因此，本节进一步研究不同数量调相机集中接入换流站750kV 侧对直流故障后系统暂态过电压的影响。
选取3个典型新能源电站，不同数量300Mvar 调相机集中接入换流站750kV 侧，各站的暂态过电压情况如表1所示（表中U r 为标幺值，后同）。可以看出，随着换流站750kV 侧集中接入调相机数量的增加，各典型新能源电站的暂态过电压逐渐降低，但
即使是集中接入12台调相机，变电站A 光伏场3和
变电站B 光伏场1的并网点电压依然超过了1.3p.u.。
表2为随着调相机数量的增加，各典型新能源电站并网点暂态过电压降低百分比。可以看出，随着集中换流母线调相机数量的增加，各典型新能源电站暂态过电压降低百分比逐渐减小，更多数量调相机集中接入换流母线的优势并不明显。这是由于随着调相机数量的增加，各新能源站并网点的短路电流水平也逐渐增加，但各新能源站并网点的短路电流增长率逐渐降低，
各新能源并网点的强度增加也越来越有限，因此直流故障后暂态过电压的抑制效果也逐渐降低。
由计算结果可知，仅通过在换流母线750kV
侧累加调相机并不能全面解决送端系统的暂态过电压问题，经济性也较差。
图1仿真系统图
Fig.1
Simulation system diagram
图2换流母线和新能源并网点电压（750kV 集中配置）
Fig.2Voltage of converter bus and renewable energy grid-connected point （750kV centralized configu
ration ）表1各新能源并网点电压（750kV 集中配置）Table 1Voltage of renewable energy grid-connected
point （750kV centralized configuration ）
新能源站A 站光伏场3
B 站光伏场1
C 站光伏场2
U r
4台调相机1.4301.5111.419
6台调相机1.3921.4651.377
8台调相机1.3621.4311.34610台调相机1.3361.4031.319
12台调相机1.3121.3791.291
表2各典型新能源电站并网点暂态过电压降低百分比Table 2Transient overvoltage decreasing percentage of
renewable energy grid-connected point
换流站集中配置调相机数量变化情况4台增至6台6台增至8台8台增至10台10台增至12台
并网点暂态过电压降低百分比／%
A 站光伏场3并网点3.83.02.62.4
B 站光伏场1并网点4.63.42.82.4
C 站光伏场2并网点
4.23.12.72.5
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第9期索之闻，等：大规模新能源直流外送系统调相机配置研究
2.2换流站近区750kV变电站分散接入
由于汇集于变电站A、B、C的新能源均可能助增系统过电压，而且新能源电站距离调相机布点（换流站750kV侧）的电气距离较远，考虑无功功率的就地平衡，可采用调相机750kV分散配置方案，即变电站A和B分别配置2台300Mvar调相机，变电站C配置4台300Mvar调相机。
仿真结果如附录中图A9所示，与换流站750kV 侧集中接入8台调相机方案类似，虽然直流发生换相失败故障后换流母线电压满足不超过1.3p.u.的要求，然而新能源并网点电压基本均超过1.3p.u.。
由于新能源电站距离调相机的电气距离较远，调相机分散接入高电压等级方案仍有可能无法全面解决送端系统的暂态过电压问题。
表3为各新能源电站并网点的暂态过电压情况，可以看出，和调相机集中接入换流站750kV侧方案相比，采用分散接入750kV方案能够略微降低变电站A和变电站B新能源并网点的暂态过电压，但变电站C新能源并网点的暂态过电压情况反而更为严重，调相机分散接入750kV方案的优势仍不明显。
3调相机低电压等级接入方式
由前文可知，无论调相机集中还是分散接入750kV侧，虽然可以抑制换流母线的暂态过电压，但并不能有效抑制各新能源并网点的过电压。无功补偿的基本原则是分层分区就地平衡，借鉴这种思想，本文提出了分散式调相机配置方案，通过在330kV 侧或110kV侧分散配置小型化调相机（配置在更低电压等级
将造成调相机数量过多经济性不佳，不便于统一管理以及不能很好地抑制换流母线过电压等问题），实现直流故障后送端系统无功功率的“就地消纳”，以容量为50Mvar的小型调相机为例。3.1330kV分散接入
在换流站750kV侧配置4台300Mvar调相机的基础上，分别在变电站A、B、C330kV母线分散接入不同数量50Mvar的小型调相机，监测换流母线和各新能源并网点直流故障后的暂态过电压情况，如图3所示。通过合理布置，最少接入25台50Mvar小型调相机，可保证换流母线和各新能源并网点电压均满足不超过1.3p.u.的要求。
3.2110kV分散接入
在换流站750kV侧配置4台300Mvar调相机的基础上，分别在变电站A、B、C110kV母线分散接入不同数量50Mvar的小型调相机，监测换流母线和各新能源并网点直流故障后的暂态过电压情况，如附录中图A10所示。通过合理布置，最少接入18台50 Mvar小型调相机，可保证换流母线和各新能源并网点电压均满足不超过1.3p.u.的要求。
本质上，本节所提方案相当于将一定数量接于750kV侧的300Mvar调相机分散至各新能源汇集站，调相机距离新能源站的电气距离越近，对各新能源站并网点暂态过电压的抑制效果越明显。
根据调研，目前1台300Mvar的调相机设备投资为1.10亿元（未包含安装、土建等费用），1台50 Mvar的调相机投资为1.58×107元，各方案的经济性对比如表4所示。可以看出，与采用换流站750kV
表3各新能源并网点电压Table3Voltage of renewable energy grid-connected point
750kV变电站A站B站C站新能源站
风电场1
风电场2
光伏场1
光伏场2
光伏场3
光伏场4
光伏场1
光伏场2
光伏场3
光伏场4
光伏场5
光伏场1
光伏场2
光伏场3
光伏场4
U r
分散接入
1.241
1.248
1.359
1.358
1.358
1.315
1.423
1.406
1.426
1.391
1.403
1.345
1.357
1.341
1.329
集中接入
1.243
1.251
1.362
1.361
1.362
1.318
1.431
1.412
1.431
1.398
1.409
1.334
1.346
1.330
1.318
图3换流母线和新能源并网点电压（330kV分散配置）
Fig.3Voltage of converter bus and renewable energy
grid-connected point（330kV decentralized configuration）
表4各方案经济性对比
Table4Economic comparison of various schemes
方案
750kV集中配置
330kV分散接入
110kV分散接入调相机投资／亿元
13.20
8.35
7.25
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电力自动化设备第39卷
侧集中配置12台300Mvar调相机方案相比，采用330kV和110kV分散接入方案可分别节省调相机投资成本约36.7%和45.1%，采用小型化调相机分层分散配置方案的经济性更优。
需要强调的是，本文所提小型化调相机分层分散配置方案，不仅适用于高比例新能源直流外送系统，也同样适用于风火打捆直流外送系统，有利于送端电网暂态电压特性的整体改善。
4结论
随着新能源的不断发展，我国已规划了多条特高压直流输电工程输送新能源，由于送端网架相对薄弱，因此在送端系统安装调相机成为支撑直流稳定运行的必要条件。针对抑制送端系统暂态过电压的技术需求，本文分析了大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素，考虑小型化调相机及其分层分散配置的作用，对比了多种送端系统调相机配置方案。通过仿真算例分析，可得如下结论：（1）直流故障后送端系统的暂态过电压与直流系统控制参数、新能源发电系统类型、新能源发电系统无功电压控制方式、各变电站新能源的汇集情况等因素均有关；
（2）在大规模新能源直流外送场景，无论在换流站高电压等级侧集中配置或在换流站近区变电站分散配置调相机，虽然能够抑制换流母线的暂态过电压，但仍可能无法有效解决新能源并网点的暂态过电压问题，在考虑经济性的前提下，特高压直流的输送能力仍将可能受到限制；
（3）通过在各新能源汇集站低电压等级侧分散配置小型化调相机，不仅可以全面解决送端系统的暂态过电压问题，还能进一步提高经济性，配置小型化调相机对于新能源直流外送系统是一个较优选择。
本文对于大规模新能源直流外送系统调相机配置的研究主要基于大系统机电暂态仿真计算，后续将进一步研究适合该应用场景的电压安全性评估方法，通过理论分析得出大规模新能源直流外送系统调相机的最优配置方案。
致谢
东方电机厂、哈尔滨电机厂、上海电机厂提供了小型化调相机技术和经济相关参数，在此一并表示感谢。
附录见本刊网络版（http：∥www.epae）。
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