随着特高压直流建设的发展,我国已步入区域电网大容量特高压交直流互联新时代,电网“强直弱交”特性突出[1]。华东电网作为世界上直流输电系统馈入最多的受端电网,直流系统带来的电压稳定等问题十分突出[2-3]。直流换相失败及恢复过程中,会从系统吸收大量无功[4],若换相失败导致直流闭锁,将对电网稳定产生冲击[5-7]。

通过与其他无功设备对比,新一代调相机可以通过强励提供动态电压支撑,降低直流系统发生换相失败的风险[8-10],利用调相机次暂态特性抑制电压波动,系统电压迅速恢复[11],通过分析表明,调相机可以提高系统的静态电压稳定裕度,提高系统暂态电压稳定水平[12-13],解决受端电网各种类型的电压稳定问题[14-15]。稳态运行时,调相机还可以维持电压稳定,作为区域电压调节手段[13,16]。2015年底,国网公司决定在各区域电网内配置一定数量的调相机。华东电网在某些换流站配置调相机,容量均为单台300Mvar。调相机组采用调相机-变压器单元接线,接入500kV换流站母线,或接入500kV滤波器母线。

文献[17]提出考虑特高压交流近区AVC控制分区建立二级电压控制区域,对特高压换流站的AVC控制有指导作用。电网应通过AVC控制保证受端电网保留足够的动态无功储备,动态无功补偿装置如何定位其角色是一个新问题[18],文献[19]将动态无功补偿装置纳入AVC控制策略,但未明确动态无功补偿装置的出力限值,文献[20]提出关于调相机的AVC子站控制策略,但实际运行中因母线电压波动,此策略有可能导致AVC子站控制模式频繁自动切换,降低了控制的稳定性。

本文通过分析调相机励磁系统采用的“快速电压环+慢速无功环”相结合的控制策略,明确不同励磁控制模式之间的切换逻辑。根据调相机AVC功能投入的电压条件和华东AVC主站的三级电压控制模式,在调相机所在的高压直流换流站及近区电网建立二级电压控制区域,对该区域实行调相机与其他无功设备协调控制。基于AVC主站控制策略,制定调相机AVC子站控制模式。通过RTDS动模试验,验证AVC控制策略满足调相机无功控制技术要求。

调相机励磁系统主要由励磁快速电压环和励磁慢速无功环构成,其中励磁慢速无功环可以接受来自AVC子站的无功电压参考值,如图1所示。

图1 调相机励磁控制系统 Fig. 1 Excitation control system of synchronous condenser

1）调相机励磁快速电压环。

调相机励磁快速电压环,以机端定子电压为目标,通过励磁调节维持机端电压恒定。这是最基本的励磁控制方式,又称为自动运行。机端电压闭环调节方式以调相机端电压作为调节变量,调节目的是维持发电机端电压与电压参考值一致。机端电压参考值Uref则主要由增减磁命令,此命令来自分散控制系统(distributed control system,DCS)进行调整,从而改变机端电压和机组无功功率。在系统发生故障时,机端电压随之变化,通过机端电压闭环,以几十ms级,快速调节励磁电压和电流,从而调节机组无功出力。调相机装置由于物理结构以及电磁耦合所表现出来的无功电压快速自主响应,外部系统无法干预,当电网故障发生瞬间发挥作用,提供无功快速支撑。

2）调相机励磁慢速无功环。

调相机励磁慢速无功环是叠加无功外环控制,通过系统电压和机组无功的慢速调节,百ms级-s级,改变调相机的稳态无功输出,可以采用“就地控制”和“AVC控制”2种模式。“就地控制”时,由运行人员就地通过DCS设置无功参考值和系统电压参考值;“AVC控制”时,则由调相机的DCS从AVC子站获取无功参考值。

当AVC子站运行在就地自动模式下,其控制电压目标值为调度下发的电压曲线,此时由PI电压环求解增减磁指令数值。若换流站发生电压故障后,调相机强励动作,故障恢复后,AVC子站不会自动切到就地自动模式,所以此时图1中的PI电压环不起作用。

3）励磁电流闭环。

该方式为励磁控制的辅助方式,主要在电压环故障(电压互感器断线或机端电压异常)时使用,又称为手动运行。励磁电流闭环调节方式以调相机励磁电流作为调节变量,调节目的是维持调相机励磁电流与电流参考值一致。此时励磁电流参考值则主要由增磁命令(取自DCS)和减磁命令(取自DCS)进行调整。当系统侧发生故障时,该方式也仅维持机组励磁电流不变,无强励能力,不能提供对系统故障时的足够无功和电压支撑。

调相机励磁系统采用“快速电压环+慢速无功环”相结合的控制策略,在系统电压在500~550kV 范围内时,慢速无功环投入,无功复合控制起作用,采集调相机组无功出力作为无功环控制目标,实现稳态时调相机无功输出在指定范围内,以确保调相机具备足够的动态无功储备。在交流系统电压发生异常,系统电压测量值低于500kV或者高于550kV时,无功控制环限幅环节作用,将慢速无功环输出置0,靠机端快速电压环调节进行响应,调相机励磁系统采集机端电压作为电压环控制目标,实现在故障情况下快速输出调相机动态无功的目的。调相机能够依靠强励在较短时间输出大量的无功功率,稳定系统电压以及其他电气量[21]。当系统电压恢复到设置值时,慢速无功环满足条件后投入,实现了慢速无功环的自适应投退。

华东电网AVC系统是基于软分区的三级电压控制模式,向常规电厂下发目标电压值[18]。对于调相机AVC远方控制模式而言,AVC主站采集换流站500kV交流母线电压,作为电压控制约束参考值,AVC主站向调相机下发的调节指令为无功目标指令而非电压目标指令,作为当前调节目标数值,并同时以遥测量返送主站。控制目标母线则根据调度主站指定的规则进行选择。AVC主站侧,面向直流近区电网,实现直流换流站控制资源和近区电厂/变电站的协调控制,一方面确保电网电压满足电压安全域运行要求,另一方面,确保换流站有足够的动态无功资源来应对扰动。图2是调相机参与电网AVC的控制逻辑图。

图2 调相机参与电网AVC的控制逻辑 Fig. 2 AVC control logic concerned with synchronous condenser

华东电网配置调相机后,AVC的控制手段包括了机组、调相机等连续调节设备,也包含了可投切电容电抗器等离散控制设备。其中,机组、调相机等通常可以实现快速的无功动态补偿,但调相机在电压正常时需保有较多无功出力裕度,以有能力响应电压故障;而电容电抗器调节速度较慢,适用于调节稳态电压趋势变化,电容电抗器每天动作次数有限,而且每2次动作之间必须要满足一定的时间间隔,不同设备之间的调节特性、调节速度、运行约束各不相同,需要充分利用各自特点实现优势互补和协调。协调控制的总体原则如下。

1）在稳态情况下,容易预测的较大幅度的无功电压变化优先由可投切电容电抗器来补偿,最大化发挥电容电抗器的补偿作用,给连续调节设备腾出调节裕度,提高快速响应事故的能力,并确保不会频繁投切电容电抗器。

2）在稳态情况下,不易预测的快速变化、电压频繁波动由机组、调相机等连续调节设备来承担。

3）在准稳态小扰动下,如果直流计划调整等,调相机能够自主快速动作( 图3 考虑调相机的区域二级电压协调控制流程 Fig. 3 Flow chart of area coordinated secondary voltage control area considering synchronous condenser

图4 调相机AVC无功置换过程波形 Fig. 4 Waveform of reactive power replacement of synchronous condenser

AVC子站侧,面向直流换流站内的调相机、滤波器等各类无功资源,一方面确保调相机有足够的动态无功资源来满足故障/波动时的快速无功响应要求。另一方面,确保交流侧电压满足电压安全域运行要求,避免故障/波动诱发的连锁故障发生,同时兼顾减少滤波器动作次数的控制目标。调相机参与AVC控制的控制原则。

1）当交流侧高压母线电压满足电压上下限范围要求时,进入定无功控制模式,响应主站下发的无功调节能力,参与系统级电压控制。

2）当交流侧母线电压超过限值要求,调相机自动切入定电压控制模式,通过强励等手段,优先保证电压满足要求,保证直流系统安全运行,避免故障的扩散化。

3）故障结束电网进入新的稳态后,启动调相机和直流近区电厂/变电站的协调控制,通过近区发电机/电容抗器与调相机的无功置换,使得调相机无功尽快恢复到设定值附近,确保调相机有足够的向上向下调节裕度,来应对系统扰动。

AVC子站功能投入后,具备就地和远方两种控制模式,在特定的条件下允许自动切换控制模式。在特定安全约束条件不满足时,AVC子站功能退出,跟踪调相机实时无功输出值,并发送“AVC子站功能退出”信号给调相机DCS。基于上述AVC子站运行模式,设置以下参数。

U1为AVC子站功能投入母线电压下限值;U2为系统故障恢复后AVC子站远方功能重新投入母线电压下限值;U3为系统故障恢复后AVC子站远方功能重新投入母线电压上限值;U4为AVC子站功能投入母线电压上限值;U5为母线电压控制下限值;U6为母线电压控制上限值;Q0为AVC主站指令校验过程中,单机无功最大偏差值;Q1为调相机额定输出无功下限值;Q2为系统正常时,调相机限定运行范围下限值;Q3为系统正常时,调相机限定运行范围上限值;Q4为调相机额定输出无功上限值。

以华东某换流站为例,参数U1、U2、U3、U4、U5、U6可分别设置为500,515,540,550,515,540kV,Q0、Q1、Q2、Q3、Q4可分别设置为10、-150、-50、50、300Mvar。

根据华东电网运行特点,电压在(U1,U4)区间内,调相机AVC子站投入,有以下3种AVC子站控制模式：

1）就地手动控制模式。操作员在人机界面手动给定无功负荷,调相机单机无功输出限定在额定无功输出范围(Q1,Q4)。

2）就地自动控制模式。依据当前500kV母线电压,以计划区间(U5,U6)为目标值,通过PI控制,AVC子站自动计算无功指令,单机无功调节范围(Q2,Q3)。

3）远方控制模式：AVC子站接收AVC主站调节指令,单机无功调节范围限定在(Q2,Q3)范围,以确保调相机具备足够的动态无功备用,应对系统故障。电网处于故障恢复状态时,以调相机单机额定输出无功(Q1,Q4)为无功限定范围。

当调相机母线电压在(U1,U4)正常运行区间之内,且AVC子站满足相应运行条件时,根据值班员操作,AVC子站可在就地手动控制模式、就地自动控制模式和远方控制模式之间切换,切换逻辑如图5所示。

图5 调相机AVC子站控制模式切换逻辑 Fig. 5 Switching logic of control modes of synchronous condenser AVC slave station

其中AVC子站功能允许投入条件包括：AVR无“综合故障告警”;AVR投入慢速无功外环;DCS投入AVC功能;AVC子站系统软硬件自检正常;AVC子站I/O采样信号正常;母线电压在(U1,U4)区间之内。

AVC子站远方控制模式允许条件包括：AVC子站功能投入;AVC子站与主站通信链路正常;AVC主站下发的总无功指令与当前实发总无功偏差在±Q0 /每台机组范围之内。

当AVC子站无法获取主站指令、主站指令格式错误、主站指令越限时,AVC子站维持上一指令周期目标数值,并告警。当连续3个指令周期无法获取调节指令、主站指令格式错误、主站指令越限时,AVC子站报警,并自动切换到“就地自动控制模式”。当连续2个指令周期正确收到AVC主站调节指令,且主站指令校验合格后(AVC主站下发的总无功指令与当前实发总无功偏差在±Q0/每台机组范围之内),AVC子站应自动切换到“远方控制模式”。为实现调相机无功的平滑调节,AVC子站设置调节最大步长,当2次指令数值超过最大步长之差,AVC子站只执行最大步长的调节量。

当母线电压小于U1或大于U4时,认为换流站发生故障,AVC子站接收到“复合环失效”信号,退出AVC子站功能。母线电压恢复后,调相机AVC子站控制逻辑如图6所示。

图6 电压恢复后调相机AVC子站控制模式 Fig. 6 Control modes of synchronous condenser AVC slave station continuous operating after voltage recovery

故障恢复后的“就地手动控制模式”,在人工输入新指令之前,AVC子站指令跟踪全站实时无功输出值。若AVC子站处于故障恢复态下的远方控制模式,即上一个逻辑周期励磁系统切除励磁慢速无功环,本逻辑周期励磁系统投入励磁慢速无功环,则接收的主站无功指令不受单机(Q2,Q3)范围的限制,可以执行AVC主站的无功置换指令。该指令会减小调相机无功出力绝对值,使调相机无功出力回到预设的(Q2,Q3)范围内后,AVC子站恢复正常状态,其后接收的主站无功指令恢复单机(Q2,Q3)范围的限制。

通过在RTDS系统中对调相机励磁系统进行仿真,可得换流站故障时母线电压和调相机无功的波形。再引入故障恢复后AVC子站控制模式的策略,可得母线电压跌落后其电压和调相机无功变化过程,示意图如图7所示。

图7 母线电压和调相机无功变化过程 Fig. 7 Change course of bus voltage and synchronous condenser reactive power

图7以单台调相机为例,参数设置如2.2节所述。T0时刻AVC子站运行在远方控制模式,母线电压为530kV,处于正常状态。T1时刻,母线电压突降到500kV以下,强励动作,调相机发无功370Mvar,强励动作10s,10s后无功恢复为280Mvar,强励动作时直接切至励磁控制模式,励磁慢速无功环被切除。T2时刻,强励消失,DCS自动投入励磁慢速无功环,AVC子站投入为就地手动模式,无功指令为当前实发无功反馈,为280Mvar。T3时刻,AVC主站开始无功置换,投入换流站周边无功设备,换流站母线电压升高,随后通过手动设定AVC子站无功目标值,降低调相机无功出力。T4时刻,调相机无功出力在[-50,50] Mvar之间,电压在[500,550]kV之间,AVC子站可切为远方控制模式。若强励动作后,系统电压在[515,540]kV范围内,AVC子站可自动投入至远方控制模式,接收AVC主站的命令。

为确保调相机AVC子站装置满足系统无功调节要求,利用华东电力试验研究院RTDS实验室的RTDS系统进行动模试验以验证相关功能。试验按照某换流站2台300Mvar调相机组配置,试验内容包括：输入输出精度测试、参数设置、通信功能测试、装置基本功能试验、调控性能测试、保护和安全性能测试、连续运行稳定性测试等试验项目。参数设置如2.2节所述。选取远方控制模式下的AVC子站恢复投入功能试验进行说明,如表1所示。

表1 远方控制模式下的AVC子站恢复投入功能试验 Tab. 1 Experiment of AVC slave station re-entry in remote control mode

步骤1）设置AVC子站为远方控制模式,下发远方指令-90Mvar,指令合理,AVC子站达到稳定后,实际发出无功-91.6Mvar。

步骤2）调整RTDS电压输出,使得系统电压小于U1,AVC子站自动退出,强励动作,调相机输出无功为141.9Mvar。

步骤3）调整RTDS电压输出,使得系统电压恢复到533kV,处于U2和U3范围内,主站下发指令135.2Mvar,与调相机实发无功141.9Mvar偏差在±2Q0范围之内,AVC子站子站功能满足投入条件后投入运行,此时AVC子站处于远方控制模式。

步骤4）主站下发指令130Mvar,在2Q3~2Q4之间,AVC子站执行命令,调相机输出无功为130.8Mvar。

步骤5）主站下发指令30Mvar,在2Q2~2Q3之间,AVC子站执行命令,调相机输出无功为30.2Mvar。

步骤6）设主站下发指令-130Mvar,在2Q1~2Q2之间,AVC子站不执行命令。

步骤7）设主站下发指令200Mvar,在2Q3~2Q4之间,AVC子站不执行命令。

步骤8）设主站下发指令50Mvar,在2Q2~2Q3之间,AVC子站执行命令,调相机输出无功为50.4Mvar。

根据实验结果得出以下结论,调相机AVC子站可以准确执行AVC主站的控制命令,根据换流站500kV母线电压等运行情况切换控制模式,满足调相机无功控制技术要求。

通过对调相机励磁系统、AVC主站调相机控制策略和调相机AVC子站控制策略的分析,确定调相机AVC的控制模式和切换逻辑,得到以下结论。

1）当调相机接入的换流站交流侧高压母线电压满足电压上下限范围要求时,调相机AVC子站进入定无功控制模式,响应主站下发的无功调节能力,参与系统级电压控制。调相机作为无功调节手段,稳态时无功输出应在指定范围内,以确保调相机具备足够的动态无功储备。

2）当交流侧母线电压超过限值要求,即电网发生故障,调相机退出AVC控制,此时调相机通过强励等手段,通过励磁快速电压环,提供无功快速支撑,保证电压满足要求,降低直流系统发生换相失败风险,避免故障的扩散化。

3）故障结束电网进入新的稳态后,AVC主站启动直流近区发电机/电容抗器与调相机进行无功置换,通过电厂/变电站的协调控制,使调相机回到预设的无功出力运行点,恢复对调相机的AVC控制。

通过RTDS动模试验,验证了以上策略的正确性可可实行性。在电网故障时,调相机可以提供足够无功和电压支撑;稳态情况发生电压无功波时动,调相机也可以发挥无功源作用,丰富区域无功调节资源。

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