2019.6 EPEM 73
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1 引言
由
于西北各类新能源的并网以及新能源出力的不确定性，部分地区电网面临的调峰压力日益增大。同时风电呈现出的反调峰特性，会使得电网调峰难
度进一步提高。据西北能源局估计，调峰能力不足而导致的弃风问题将会越来越严重。其中部分地区受水电大发、冬季供热等因素的影响，当地火电和水电机组的调峰能力将会受限，这种调峰容量的不足将会呈现出季节性甚至是长期性的特点[1]。
所以如何减少新能源集中地区的调峰压力，就成为了亟待解决的问题。部分研究中提出了基于常规特高
压直流功率灵活调整，使直流跟随风电出力变化的方法来减少送端调峰、调频的压力。由于直流功率调节过程中会引起换流器中消耗无功功率变化，所以无功功率的调节容量将是限制直流功率调节的重要因素。仅依靠常规无功补偿装置来满足直流功率波动带来的无功变化，将可能会导致装置动作次数过于频繁，寿命缩短，应额外配置无功装置或无功调节策略来减少其投切次数[2]。 2 直流功率波动运行的无功功率问题
2.1 直流输电系统的无功功率
对于LCC-HVDC 型直流输电系统，由于换流器中的晶闸管是无自关断能力的半控型器件，需要电网提供换相电源。所以换流器在工作过程中会从交流系统中吸收大量无功功率，造成交流系统中无功功率变化，引发无功控制问题。换流器中吸收的无功功率一般可由下式计算。
直流功率跟随新能源调节的无功控制研究
旱獭皮
突发公共卫生事件与传染病疫情监测信息报告管理办法中国电力科学研究院 柳东昊
摘要：研究了直流功率跟随新能源调节后的无功功率波动问题，分析了功率变化对常规无功装置的动作的影响，在此基础上提出相关策略并通过仿真计算验证了有效性。关键词：特高压直流；风电；无功控制；同步调相机
式中，Pdc 为直流传输的有功功率；Qdc 为换流器中消耗的无功功率；Xc 为换流变压器电抗；μ为换相角；Id 为直流电流；E 为换流器阀侧空载电压有效值；α为整流侧触发角。
当触发角变化范围不大时，无功功率可与有功大致呈正比关系。所以直流功率在跟随风电功率调节的过程中，其换流器中吸收的无功功率也会随之变化。
2.2 直流功率跟随新能源调节
为了使直流功率跟随新能源变化，通常采用直流调制的方式，将新能源的出力作为输入量，经过滤波器传输至定功率控制环节，使直流功率的参考值与新能源出力相同，从而实现直流功率跟随新能源调节的控制目标。
考虑到新能源功率变化范围较大，直流调节过程中需要考虑多种约束因素，以防止引起严重的稳定性问题。其中，由于无功波动会带来电压稳定性问题和无功装置频繁动作，所以无功功率问题将是限制直流调节容量的因素之一。
2.3 常规无功补偿装置
dota6.51无功功率在交流系统中流动，会使交流系统的电压稳定性下降，所以换流器所需无功功率一般采
用就地补偿的原则。通过在交流侧会配置多组无功
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滤波器和电容器，来满足交流侧的无功补偿和交流滤波需求。
中国实验方剂学杂志
由于无功装置容量固定，在投切的过程中会引起系统中无功功率呈阶梯状波动，会对系统电压稳定产生一定影响。此类常规无功补偿装置一般采用机械式开关进行投切，其动作后需要一定的恢复时间，而动作寿命受动作次数影响较大。在传统的分段式运行方式下，无功补偿装置基本参照直流的日计划曲线动作，不会产生频繁动作问题。但是在直流功率跟随风电功率灵活调节的运行方式下，由于
风电功率随机性较大，容易引起无功补偿装置在日内多次动作，不仅会导致其开关寿命缩短，还会引起交流母线电压稳定性下降。不利于长期稳定运行，考虑利用具有连续无功调节能力的同步调相机来减少常规无功补偿装置的动作次数。
2.4 同步调相机
同步调相机通常是工作于空载状态的同步电动机。作为无功调节装置，同步调相机能够通过改变励磁电流大小来调节输出的无功功率，因此调相机具有连续调节无功功率的能力。此外，调相机还具有良好的暂态性能，能够通过强励磁提供的无功功率来改善系统的故障后恢复特性。
利用同步调相机作为额外的无功装置，一方面能够利用其平滑的无功输出特性，减少系统电压因无功装置投切而产生的波动。另一方面，在系统中配置同步调相机能增大系统的短路容量，改善弱交流系统的稳定性[3]。
3 应用大型同步调相机的无功控制策略
3.1 常规无功补偿装置的控制策略
传统无功装置的控制策略，一般采取分级控制，优先级由高到低依次为[4]：绝对最小滤波器控制；最大交流电压控制；最大无功功率控制；最小滤波器控制；无功交换控制/电压控制进行分级控制。
由于直流系统运行时不仅有无功问题，还会有基本的交流滤波需求问题，相应的控制功能应尽量避免受到同步调相机动作的影响。所以上述控制中，同步调相机无功调节控制，需要与传统无功装置的第五级控制，即无功交换控制进行配合。该控制环节一般通过限制换流母线与交流系统之间的无功功率交换，来防止无功功率在交流系统中流动所引起的电压稳定性问题。
3.2 同步调相机与常规无功装置的协调控制
考虑直流跟随风电功率波动后，其无功功率可能会在一段时间内频繁调整，为了减少常规无功装置的动作次数，应该首先调节同步调相机的容量，当同步调相机容量不足时，再向无功装置发出动作信号[5]。
如图1，Qdc为换流器吸收的无功功率，Qfilter 是现已投入的无功装置总容量，Qsynmax和Qsynmin分别是同步调相机容量的上下限值，If为同步调相机励磁电流的值，能够直接控制同步调相机无功功率的大小。
换流器吸收的无功功率与无功装置容量之差，即为当前的无功功率缺额，经同步调相机容量检测后，如果未超过调相机容量，则经PI控制得到控制信号，即同步调相机励磁电流。若超过其容量限制，则向无功装置发出动作信号，在无功装置动作后重新计算同步调相机所需容量。
3.3 直流通道容量限制
加入同步调相机控制环节后，当风电功率变化频繁，且幅度很大时，由于同步调相机容量受限，仍然会引起常规无功装置动作。为了在这种不利情况下减少无功装置，可以考虑进一步增加同步调相机容量，或在无功装置动作次数过多时限制直流通道的有功功率调节范围。
如果考虑到直流送受端均能够承担一部分调峰压力，直流通道不需要完全跟随新能源出力的情况下，此时采取限制直流通道跟随新能源波动的调节容量是较为合理的。
可以在原协调控制环节上加入一个控制环节，
图1 无功装置动作策略
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变化幅度大，仅依靠同步调相机的容量将难以实现无功就地补偿，所以会多次投切滤波器来满足无功补偿的需要。
为减少频繁投切带来的不利影响，引入上述容量限值环节，当常规无功补偿设备在运行期间动作次数达到3次后，限制此时直流调节范围至±500MW。由图4（a）与（c ）中可看出，第三次无功设备动作后，直流功率的调节范围减小，此时同步调相机容量能够满足无功
李俊虎调节需求，无功设备动作次数减少。
5 结语
通过合理的无功容量配置，以及协调控制方式的选择，能够在不改变原有无功装置控制策略的前提下，使同步调相机与常规无功补偿装置形成良好配合。利用300Mvar 大型调相机对无功功率连续调节能力，能有效减少常规无功装置在直流功率跟随风电功率调整运行时的动作次数，有效提升系统的稳定性和运行的经济性。
参考文献
[1]肖创英，汪宁渤，丁坤，等.甘肃酒泉风电功率调节方式的研究[J].中国电机工程学报,2010,30(10):1-7.[2]朱艺颖，董鹏，谢国平，等.适应大规模风电外送的特高压直流协调控制实时仿真研究[J].电网技术,2013,37(7):1814-1819.
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[4]卫鹏，刘建坤，周前，等.锦屏—苏州±800kV 特高压直流滤波器投切及无功控制策略研究[J].高压电器,2016(9):14-19.
[5]李春华，蒋碧松，周勤勇，等.一种适用于风电外送的直流输电控制策略及无功投切方法[J].电网技
术,2015,39(11):3280-3285.
当无功装置动作次数过多时，限制直流跟随新能源波动的调节范围。此时有功功率的变化幅度减小，同步调相机容量基本能够满足无功补偿需要，进一步减少常规无功装置的动作次数。
4 算例分析
如图2中所示，在PSCaD 中搭建了双极12脉波直流输电系统，同步调相机接于送端交流母线上。
4.1 风电小幅度波动对系统的影响
设置风电初始功率为2000MW，直流通道初始
输送有功功率值为2000MW。在该初始状态下，风电功率全部由直流通道输送至受端。此时，直流系统输出的无功功率约为930Mvar，以多组230Mvar 的交流滤波器进行补偿，初始工况下滤波器投入组数为3组。同步调相机容量为300Mvar，迟相运行能力为300Mvar，进相能力为-150Mvar。
当功率发生如图3（a）所示±500MW 波动时，直流功率快速跟随风电功率变化，此时同步调相机中产生的无功变化如图3（b）。可明显看出在直流功率变化过程中，仅在2.8s 时刻产生一次投切，其余时段的无功调节全部由同步调相机提供，减少了交流滤波器的无功调节压力。
4.2 风电大幅度波动对系统的影响
初始工况不变、不加入限值情况下，当直流功率发生如图4（a ）±1000MW 无限值波动时，同步调相机中产生的无功变化如图4（b ）
，由于有功功率
鼻蛭
图2 直流输电系统模型
图（a ）直流有功功率 图（b ）同步调相机无功功率
图3 功率小幅波动时的系统运行特性
图（a
）直流有功功率
图（b ）未限值运行时的同步
调相机无功功率图（c）有限值运行时的同步调相机无功功率
图4 功率大幅波动时的系统运行特性
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