2020年增刊河南電力049
河南邵陵調相機甩負荷試驗及驗證分析
崔
惟1，饒宇飛1，王建波1，王
驊1，曹曉璐2，黎量子
3
（1．國網河南省電力公司電力科學研究院，河南
鄭州450052；
2．河南合眾電力技術有限公司，河南鄭州450000；3．河南九域恩湃電力技術有限公司，河南鄭州450000）
作者簡介：崔惟（1986－），男，博士，
工程師，從事電力系統無功優化運行與控制研究。摘要：新一代調相機由于具有更強的過載能力和更快的動態響應速度，
在系統故障時可為系統提供動態無功支撐，已成為破解強直弱交受端電網電壓穩定問題的關鍵。為保證邵陵調相機的順利投運，本文從河南電網豫南地區低電壓問題出發，分析調相機的響應特性及控制策略，通過邵陵#1、#2調相機組四次甩負荷試驗，研究調相機甩負荷沖擊對河南電網的影響。最后通過向量測量裝置（Phasor Measurement Unit ，
PMU ）數據與電網電力系統綜合程序（Power Sys-tem Analysis Synthesis Program ，PSASP ）仿真結果的對比分析，驗證了PSASP 數據、模型及參數的準確性。關鍵詞：調相機；甩負荷；PMU ；PSASP ；試驗中圖分類號：TM761
文獻標識碼：B
文章編號：411441（2020）01－0049－05
0引言
隨著電網遠距離、大容量特高壓交直流輸電工程
的階躍式發展，受端電網“強直弱交”網架格局日益凸
顯。長治－南陽－荊門1000kV 特高壓交流工程與哈密－鄭州?800kV 特高壓直流工程（天中直流）的建成投運，標志著河南電網在全國率先建成首個跨區特高壓交直流受端電網。2020年，青豫直流和交流特高壓駐馬店站即將落地河南，屆時河南電網將由“一交一直”過渡到“兩交兩直”新格局，受端電網的電壓穩定問題將更為嚴峻
［1］
。
究其原因，動態無功能力不足是導致強直弱交背
景下受端電網電壓穩定問題的根源，具體體現為：（1）多直流密集饋入和新能源承載將大大削弱常規化石類燃料機組（主要無功電源）的作用，帶來動態無功不足和動態電壓支撐困難的嚴重問題；（2）直流換相失敗過程需從系統吸收大量無功，瞬時消耗無功可達直流輸送有功功率的40% 60%，持續時間20 50ms ，故障情況下動態無功需求激增。
調相機作為特高壓交直流電網的“穩定器”和“壓艙石”，成為破解上述問題的關鍵。作為旋轉設備，調相機與SVC 、STATCOM 等基于電力電子技術的動態無功補償裝置相比，具有更強的過載能力和更快的動態響應速度
［2］
。調相機自發的次暫態過程可在
故障瞬間釋放大量無功，即刻提升母線電壓；其暫態
過程（強勵控制）可提供多達3.5倍額定容量無功，為系統提供動態無功功率支撐［3］
；其穩態過程可改善故
障前系統電壓水平和無功分布，使系統穩態運行點遠
離電壓安全邊界。
邵陵變增裝的2臺300Mvar 調相機，是目前國內唯一加裝于500kV 變電站接入500kV 電網的調相機組。該機組位于中州換流站和駐馬店換流站中樞位置，可在故障情況下為系統提供緊急動態無功支撐，提高受端電網抵御電壓失穩的風險
［4］
。本文從河南
電網豫南地區低電壓問題出發，分析調相機的響應特性及控制策略，然后，通過邵陵#1、#2調相機組四次甩負荷試驗，開展調相機投運后河南電網的適應性研究，分析甩負荷沖擊對河南電網電壓、無功的影響，以及周邊發電機的勵磁響應性能。最后，通過向量測量裝置（Phasor Measurement Unit ，
PMU ）數據與電網電力系統綜合程序（Power System Analysis Synthesis Pro-gram ，PSASP ）仿真計算結果對比，校驗電網PSASP 計算數據、模型及參數的準確性。
1河南電網豫南地區低電壓問題
在國調組織的年度運行方式計算中，針對河南
“一交一直”網架結構，在大受電、豫南小開機、低初始電壓（約515kV ）和小負荷的特殊運行方式下，天中直流閉鎖后（如圖1所示），
豫南地區電壓不滿足標準（DL /T1234－20136．7．4）“負荷母線電壓能夠保持或
DOI:10.19755/jki.hnep.2020.s1.014
050崔惟，等：河南邵陵調相機甩負荷試驗及驗證分析2020年增刊
恢復到0.9p．u．”的要求，發生電壓失穩，如圖2所
示
。圖1
天中直流閉鎖鄭州近區電壓
圖2天中直流閉鎖豫南地區電壓
天中直流雙極閉鎖后，
直流輸送功率瞬時降至0，此時由于換流站內濾波器切除動作有一定的延時，換流站內出現大量無功冗余，造成交流電網短時電壓陡升。濾波器切除后，加之大規模功率轉移，潮流轉移的關聯交流通道無功損耗大幅增加，電壓出現驟降。特高壓南陽站作為潮流轉移的主要通道，電壓跌落幅度最為明顯，以南陽站為輻射中心，周邊500kV 白河變、玉都變，以及群英變母線電壓波動具有相似的趨勢。
2
調相機運行特性及控制策略
2．1
調相機運行特性
針對我國特高壓交直流受端電網動態電壓支撐不足的突出問題，客觀要求直流大規模有功輸送時，
必須匹配大規模動態無功，即“大直流輸電、強無功支
撐”
。
作為旋轉設備，調相機與SVC 、STATCOM 等基于電力電子技術的動態無功補償裝調相裝置相比，既為系統提供短路容量，又具有更好的無功出力特性，
在降低直流送端暫態過電壓、抑制直流受端換相失敗、利用強勵提高系統穩定性等方面具備獨特優勢。按照電力系統事故后調相機的時序動態響應過程，可將調相機的響應特性細分為次暫態、暫態特性以及穩態特性。調相機自發次暫態特性與其次暫態電抗有關，無延遲響應，并隨時間衰減，可瞬時發出/吸收大量無功，是提供瞬時電壓支撐的主要手段；調相機暫態特性，即調相機的強勵過程，短時可發出額定容量2 3倍以上無功。強勵響應有一定的延遲，勵磁電壓可在40 60ms 到達峰值，但勵磁回路響應時間常數較大，勵磁電力達到峰值需要600ms 。綜合調相機自發無功響應的衰減以及勵磁控制器的增磁動作，調相機無功輸出在100ms 左右達到最低值，約為250 300Mvar ，之后隨著勵磁控制器的作用不斷增加，最終達到當前電壓水平下的最大無功過載能力。實際中，如考慮20ms 的勵磁響應延時，則在200ms 時刻勵磁控制器的無功輸出只能達到20%最大出力。因此，調相機對直流閉鎖、換相失敗等電壓擾動的抑制能力主要來源于自發無功響應，勵磁控制作用有限。
調相機的穩態特性，即調相機在系統穩態運行時所具備的進相與遲相能力。以邵陵調相機為例，
300Mvar 調相機可具備300Mvar 遲相和150 200Mvar 進相持續運行的能力。調相機的穩態調節過程可改善故障前系統電壓水平和無功分布，使系統穩態時可運行在更合理的范圍內。2．2調相機控制策略
調相機一般采用勵磁無功環+勵磁電壓環相結合的方式進行無功電壓的輸出控制。系統正常運行時（電壓在500 550kV 波動），調相機勵磁無功環投入，調相機以無功出力作為無功環控制目標，在百毫秒 秒級時間尺度內，實現無功功率參考值的實時跟蹤。
在故障情況下（電壓低于500kV 或高于550kV ），調相機以機端電壓作為電壓環控制目標，勵磁無功環置
0，依靠勵磁電壓環調節，實時響應機端電壓的變化，在瞬時輸出大量動態無功。
3邵陵調相機甩負荷試驗及驗證分析
為保證邵陵站兩臺調相機的順利投運，基于
PMU 實際量測數據和河南電網PSASP 仿真計算結
果，開展邵陵#1、#2調相機甩負荷試驗及驗證工作。對比分析調相機甩負荷后對河南電網無功沖擊的影
2020年增刊河南電力051
響，并校驗電網PSASP計算數據、模型及參數的準確性。
3．1試驗工況
在河南電網低負荷水平下，開展調相機進相甩負荷試驗，在河南電網高負荷水平下，開展調相機遲相甩負荷試驗。試驗驗證具體運行工況如表1所示。
由于邵陵#1、#2調相機容量、參數設置、安裝位置以及控制方式基本相同，因此，本文僅針對#1調相機進相甩負荷（150Mvar）和#2調相機遲相甩負荷（170Mvar）進行說明。
表1邵陵調相機甩負荷試驗工況
運行工況
調相機
#1#2
系統
負荷水平
（MW）
受電
水平
（MW）
許漯周地區
負荷情況（MW）開機情況
進相試驗遲相試驗－150Mvar，甩負荷停機
停機－150Mvar，甩負荷
停機170Mvar，甩負荷
170Mvar，甩負荷停機
2760077602800
3355083103540
龍崗#1、#2、#3，
蓮城#2，隆達#1、
#2，澤華#1開機
3．2基于PMU量測數據的試驗分析
邵陵調相機甩負荷試驗后，主要對周邊許漯周地區電壓產生影響，且主要集中在500kV電壓等級。在#1調相機進相甩負荷（150Mvar）試驗中，邵陵500kV 母線電壓變化量最大，升高2.5kV；在#2調相機遲相甩負荷（170Mvar）試驗中，邵陵500kV母線電壓變化量最大，降低2.4kV，電氣距離較遠地區電壓變化量均小于1kV，具體如表2所示。
表2#1調相機甩負荷后系統母線電壓
母線電壓（kV）
電壓波動（kV）
#1調相機
進相150Mvar
#2調相機
遲相170Mvar
邵陵500 2.5－2.4花都500 1.4－1.3遲營500 2.2－2.3郾城500 2.0－2.0嫘祖500 1.5－1.6邵陵2200.8－1.0花都2200.5－0.5遲營2200.8－0.8浉河500 1.0－0.9中州換5000.7－0.6
表3#1調相機甩負荷后線路無功線路無功
無功波動（Mvar）
#1調相機
進相150Mvar
#2調相機
遲相170Mvar 邵花ⅠⅡ線邵側30*230+25
邵郾ⅠⅡ線邵側25*226*2
孝浉ⅠⅡ線浉側5*26*2
邵遲ⅠⅡ線邵側7*28*2
邵嫘Ⅰ線邵側3030
臥奚ⅠⅡ線奚側 2.5*23*2表4#1調相機甩負荷后發電機無功
發電機
無功波動（Mvar）
#1調相機
進相150Mvar
#2調相機
遲相170Mvar 澤華#1－108.3
龍崗#3－86
華豫#4－65
魯陽#1－65
隆達#1－98
蓮城#2－1.82
鴨河#4－102
新密#4－56
052崔惟，等：河南邵陵調相機甩負荷試驗及驗證分析2020年增刊
調相機甩負荷后，無功主要通過500kV網絡由邵
陵站向周邊疏散。在#1調相機進相甩負荷
（150Mvar）和#2調相機遲相甩負荷（170Mvar）試驗
中，邵花ⅠⅡ線無功波動量均為最大，分別達60Mvar
和55Mvar。線路無功波動總量與調相機甩負荷量相
當，如表3所示。
豫中東、豫東南、許漯周等地區重要機組通過勵磁
控制，在#1調相機進相甩負荷（150Mvar）試驗中吸收無
功功率；在#2調相機遲相甩負荷（170Mvar）試驗中，發
出無功功率，具體如表4所示。邵陵周邊發電機的及
時響應可較好地抑制甩負荷后系統的無功波動。
3．3基于PMU量測與PSASP仿真的驗證分析
基于河南電網實際模型，在PSASP中模擬PMU
量測時的實際運行工況。針對邵陵#1、#2調相機甩
負荷（斷開開關）后，對比分析河南電網母線電壓波動
情況。以低負荷情況下#1調相機進相150Mvar甩負
荷進行說明，參見表5。
表5#1調相機進相150Mvar甩負荷系統母線電壓
母線電壓（kV）
電壓波動（kV）
PMU PSASP
偏差量
（kV）
邵陵500 2.5 2.640.14花都500 1.4 1.470.07遲營500 2.2 2.560.36郾城500 2.0 2.1680.17嫘祖500 1.5 1.7690.27邵陵2200.80.9980.20花
都2200.50.
550.05
遲營
2200.80.9570.16
浉河500 1.00.9080.09
中州換5000.70.6820.02
調相機甩負荷后約0.06秒，邵陵500kV母線電壓突增量2.64kV，邵陵站直接電氣聯系的遲營站、郾城
站、嫘祖站、花都站500kV母線電壓依次降低，其中花都站最低為1.47kV；電氣距離較遠的浉河站、中州換流站、奚賢站500kV母線電壓突變量均低于1kV。PSASP仿真結果與PMU實際量測基本一致，量測值與仿真值偏差量均小于0.4kV。
500kV母線電壓PMU量測與PSASP仿真曲線如圖3至圖5所示。在甩負荷5秒內，邵陵站、花都站、中州站500kV母線電壓仿真波形與PMU量測數據一致性較高；甩負荷5秒后PMU電壓量測數據出現較明顯波動，幅度約0.5kV，這是因為PMU量測數據包含了電網實際運行中負荷波動以及發電機勵磁控制等作用。隨著仿真時間的進一步拉長，PSASP仿真結果與PMU量測偏差增大，難以準確刻畫實際電網中電壓連續波動的情況。
圖3邵陵站500kV母線電壓
圖4花都站500kV母線電壓
圖5中州站500kV母線電壓
調相機甩負荷瞬間，對上述發電機組無功突變量（甩負荷后約5 10s）仿真結果（表6）分析表明：許漯周地區隆達#1，澤華#1，龍崗#3無功突降6.1 8.4Mvar，電氣距離較遠的100萬機組新密#4、魯陽#1無功突降4.2 4.8Mvar。PSASP仿真結果與PMU實際量測基本一致，量測值與仿真值偏差（下轉第62頁）
062河南電力2020年增刊
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檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾
（上接第52頁）
量均小于4Mvar 。
表6#1調相機進相150Mvar 甩負荷發電機無功發電機發電機無功短時波動（Mvar ）PMU PSASP 偏差量
（Mvar ）澤華#1－10－6.1 3.9龍崗
#3－8－8.30.3華豫#4－6－60.0魯陽#1－6－4.2 1.8隆達
#1－9－8.440.6蓮城#2－1.8－1.90.1新密#4
－5
－4.8
0.2
發電機無功輸出PMU 量測與PSASP 仿真曲線
如圖6和圖7所示。在甩負荷5秒內，隆達#1，龍崗#3無功動態響應速度以及穩態增量仿真結果與PMU
有較高的吻合度；而在甩負荷5秒以后，隆達#1PMU 無功輸出量測數據出現了一定的波動，幅度約3Mvar 。
圖6隆達#1無功輸出
對比分析可知，PSASP 數據模型參數與實際電網吻合度較高，在一定時間尺度內，能夠較準確模擬擾動后電網的穩定特性以及各電氣量的變化。
4結論
邵陵#1、#2調相機進相（150Mvar ）、遲相
圖7
龍崗#3無功輸出
（170Mvar ）甩負荷后，主要對周邊許漯周地區電壓產生影響，且主要集中在500kV 電壓等級，總體影響較
小。
在電壓方面，邵陵500kV 母線電壓變化量最大，約2.5kV ，電氣距離較遠地區電壓變化量小于1kV 。在無功方面，甩負荷后無功缺額主要通過500kV 網絡進行疏散。豫中東、豫東南、平頂山等地區重要機組通過勵磁響應，增發或吸收無功功率，能夠較好抑制甩負荷后系統的無功波動。
PMU 量測數據與PSASP 仿真結果的對比分析驗證了PSASP 數據、模型及參數與實際電網吻合度較高。但隨著時間尺度的拉長，由于電網實際運行中存
在的負荷波動以及控制裝置的調節作用，
PSASP 仿真結果與PMU 量測將產生一定的偏差，難以完全吻
合。
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