2020年增刊河南电力049
河南邵陵调相机甩负荷试验及验证分析
崔
惟1，饶宇飞1，王建波1，王
骅1，曹晓璐2，黎量子
3
（1．国网河南省电力公司电力科学研究院，河南
郑州450052；
2．河南合众电力技术有限公司，河南郑州450000；3．河南九域恩湃电力技术有限公司，河南郑州450000）
作者简介：崔惟（1986－），男，博士，
工程师，从事电力系统无功优化运行与控制研究。摘要：新一代调相机由于具有更强的过载能力和更快的动态响应速度，
在系统故障时可为系统提供动态无功支撑，已成为破解强直弱交受端电网电压稳定问题的关键。为保证邵陵调相机的顺利投运，本文从河南电网豫南地区低电压问题出发，分析调相机的响应特性及控制策略，通过邵陵#1、#2调相机组四次甩负荷试验，研究调相机甩负荷冲击对河南电网的影响。最后通过向量测量装置（Phasor Measurement Unit ，
PMU ）数据与电网电力系统综合程序（Power Sys-tem Analysis Synthesis Program ，PSASP ）仿真结果的对比分析，验证了PSASP 数据、模型及参数的准确性。关键词：调相机；甩负荷；PMU ；PSASP ；试验中图分类号：TM761
文献标识码：B
文章编号：411441（2020）01－0049－05
0引言
随着电网远距离、大容量特高压交直流输电工程
的阶跃式发展，受端电网“强直弱交”网架格局日益凸
显。长治－南阳－荆门1000kV 特高压交流工程与哈密－郑州ʃ800kV 特高压直流工程（天中直流）的建成投运，标志着河南电网在全国率先建成首个跨区特高压交直流受端电网。2020年，青豫直流和交流特高压驻马店站即将落地河南，届时河南电网将由“一交一直”过渡到“两交两直”新格局，受端电网的电压稳定问题将更为严峻
［1］
。
究其原因，动态无功能力不足是导致强直弱交背
景下受端电网电压稳定问题的根源，具体体现为：（1）多直流密集馈入和新能源承载将大大削弱常规化石类燃料机组（主要无功电源）的作用，带来动态无功不足和动态电压支撑困难的严重问题；（2）直流换相失败过程需从系统吸收大量无功，瞬时消耗无功可达直流输送有功功率的40% 60%，持续时间20 50ms ，故障情况下动态无功需求激增。
调相机作为特高压交直流电网的“稳定器”和“压舱石”，成为破解上述问题的关键。作为旋转设备，调相机与SVC 、STATCOM 等基于电力电子技术的动态无功补偿装置相比，具有更强的过载能力和更快的动态响应速度
［2］
。调相机自发的次暂态过程可在
故障瞬间释放大量无功，即刻提升母线电压；其暂态
过程（强励控制）可提供多达3.5倍额定容量无功，为系统提供动态无功功率支撑［3］
；其稳态过程可改善故
障前系统电压水平和无功分布，使系统稳态运行点远
离电压安全边界。
邵陵变增装的2台300Mvar 调相机，是目前国内唯一加装于500kV 变电站接入500kV 电网的调相机组。该机组位于中州换流站和驻马店换流站中枢位置，可在故障情况下为系统提供紧急动态无功支撑，提高受端电网抵御电压失稳的风险
［4］
。本文从河南
电网豫南地区低电压问题出发，分析调相机的响应特性及控制策略，然后，通过邵陵#1、#2调相机组四次甩负荷试验，开展调相机投运后河南电网的适应性研究，分析甩负荷冲击对河南电网电压、无功的影响，以及周边发电机的励磁响应性能。最后，通过向量测量装置（Phasor Measurement Unit ，
PMU ）数据与电网电力系统综合程序（Power System Analysis Synthesis Pro-gram ，PSASP ）仿真计算结果对比，校验电网PSASP 计算数据、模型及参数的准确性。
1河南电网豫南地区低电压问题
在国调组织的年度运行方式计算中，针对河南
“一交一直”网架结构，在大受电、豫南小开机、低初始电压（约515kV ）和小负荷的特殊运行方式下，天中直流闭锁后（如图1所示），
豫南地区电压不满足标准（DL /T1234－20136．7．4）“负荷母线电压能够保持或
DOI:10.19755/jki.hnep.2020.s1.014
050崔惟，等：河南邵陵调相机甩负荷试验及验证分析2020年增刊
恢复到0.9p．u．”的要求，发生电压失稳，如图2所
示
。图1
天中直流闭锁郑州近区电压
图2天中直流闭锁豫南地区电压
天中直流双极闭锁后，
直流输送功率瞬时降至0，此时由于换流站内滤波器切除动作有一定的延时，换流站内出现大量无功冗余，造成交流电网短时电压陡升。滤波器切除后，加之大规模功率转移，潮流转移的关联交流通道无功损耗大幅增加，电压出现骤降。特高压南阳站作为潮流转移的主要通道，电压跌落幅度最为明显，以南阳站为辐射中心，周边500kV 白河变、玉都变，以及群英变母线电压波动具有相似的趋势。
2
调相机运行特性及控制策略
2．1
调相机运行特性
针对我国特高压交直流受端电网动态电压支撑不足的突出问题，客观要求直流大规模有功输送时，
必须匹配大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支
撑”
。
作为旋转设备，调相机与SVC 、STATCOM 等基于电力电子技术的动态无功补偿装调相装置相比，既为系统提供短路容量，又具有更好的无功出力特性，
在降低直流送端暂态过电压、抑制直流受端换相失败、利用强励提高系统稳定性等方面具备独特优势。按照电力系统事故后调相机的时序动态响应过程，可将调相机的响应特性细分为次暂态、暂态特性以及稳态特性。调相机自发次暂态特性与其次暂态电抗有关，无延迟响应，并随时间衰减，可瞬时发出/吸收大量无功，是提供瞬时电压支撑的主要手段；调相机暂态特性，即调相机的强励过程，短时可发出额定容量2 3倍以上无功。强励响应有一定的延迟，励磁电压可在40 60ms 到达峰值，但励磁回路响应时间常数较大，励磁电力达到峰值需要600ms 。综合调相机自发无功响应的衰减以及励磁控制器的增磁动作，调相机无功输出在100ms 左右达到最低值，约为250 300Mvar ，之后随着励磁控制器的作用不断增加，最终达到当前电压水平下的最大无功过载能力。实际中，如考虑20ms 的励磁响应延时，则在200ms 时刻励磁控制器的无功输出只能达到20%最大出力。因此，调相机对直流闭锁、换相失败等电压扰动的抑制能力主要来源于自发无功响应，励磁控制作用有限。
调相机的稳态特性，即调相机在系统稳态运行时所具备的进相与迟相能力。以邵陵调相机为例，
300Mvar 调相机可具备300Mvar 迟相和150 200Mvar 进相持续运行的能力。调相机的稳态调节过程可改善故障前系统电压水平和无功分布，使系统稳态时可运行在更合理的范围内。2．2调相机控制策略
调相机一般采用励磁无功环+励磁电压环相结合的方式进行无功电压的输出控制。系统正常运行时（电压在500 550kV 波动），调相机励磁无功环投入，调相机以无功出力作为无功环控制目标，在百毫秒 秒级时间尺度内，实现无功功率参考值的实时跟踪。
在故障情况下（电压低于500kV 或高于550kV ），调相机以机端电压作为电压环控制目标，励磁无功环置
0，依靠励磁电压环调节，实时响应机端电压的变化，在瞬时输出大量动态无功。
3邵陵调相机甩负荷试验及验证分析
为保证邵陵站两台调相机的顺利投运，基于
PMU 实际量测数据和河南电网PSASP 仿真计算结
果，开展邵陵#1、#2调相机甩负荷试验及验证工作。对比分析调相机甩负荷后对河南电网无功冲击的影
2020年增刊河南电力051
响，并校验电网PSASP计算数据、模型及参数的准确性。
3．1试验工况
在河南电网低负荷水平下，开展调相机进相甩负荷试验，在河南电网高负荷水平下，开展调相机迟相甩负荷试验。试验验证具体运行工况如表1所示。
由于邵陵#1、#2调相机容量、参数设置、安装位置以及控制方式基本相同，因此，本文仅针对#1调相机进相甩负荷（150Mvar）和#2调相机迟相甩负荷（170Mvar）进行说明。
表1邵陵调相机甩负荷试验工况
运行工况
调相机
#1#2
系统
负荷水平
（MW）
受电
水平
（MW）
许漯周地区
负荷情况（MW）开机情况
进相试验迟相试验－150Mvar，甩负荷停机
停机－150Mvar，甩负荷
停机170Mvar，甩负荷
170Mvar，甩负荷停机
2760077602800
3355083103540
龙岗#1、#2、#3，
莲城#2，隆达#1、
#2，泽华#1开机
3．2基于PMU量测数据的试验分析
邵陵调相机甩负荷试验后，主要对周边许漯周地区电压产生影响，且主要集中在500kV电压等级。在#1调相机进相甩负荷（150Mvar）试验中，邵陵500kV 母线电压变化量最大，升高2.5kV；在#2调相机迟相甩负荷（170Mvar）试验中，邵陵500kV母线电压变化量最大，降低2.4kV，电气距离较远地区电压变化量均小于1kV，具体如表2所示。
表2#1调相机甩负荷后系统母线电压
母线电压（kV）
电压波动（kV）
#1调相机
进相150Mvar
#2调相机
迟相170Mvar
邵陵500 2.5－2.4花都500 1.4－1.3迟营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迟营2200.8－0.8浉河500 1.0－0.9中州换5000.7－0.6
表3#1调相机甩负荷后线路无功线路无功
无功波动（Mvar）
#1调相机
进相150Mvar
#2调相机
迟相170Mvar 邵花ⅠⅡ线邵侧30*230+25
邵郾ⅠⅡ线邵侧25*226*2
孝浉ⅠⅡ线浉侧5*26*2
邵迟ⅠⅡ线邵侧7*28*2
邵嫘Ⅰ线邵侧3030
卧奚ⅠⅡ线奚侧 2.5*23*2表4#1调相机甩负荷后发电机无功
发电机
无功波动（Mvar）
#1调相机
进相150Mvar
#2调相机
迟相170Mvar 泽华#1－108.3
龙岗#3－86
华豫#4－65
鲁阳#1－65
隆达#1－98
莲城#2－1.82
鸭河#4－102
新密#4－56
052崔惟，等：河南邵陵调相机甩负荷试验及验证分析2020年增刊
调相机甩负荷后，无功主要通过500kV网络由邵
陵站向周边疏散。在#1调相机进相甩负荷
（150Mvar）和#2调相机迟相甩负荷（170Mvar）试验
中，邵花ⅠⅡ线无功波动量均为最大，分别达60Mvar
和55Mvar。线路无功波动总量与调相机甩负荷量相
当，如表3所示。
豫中东、豫东南、许漯周等地区重要机组通过励磁
控制，在#1调相机进相甩负荷（150Mvar）试验中吸收无
功功率；在#2调相机迟相甩负荷（170Mvar）试验中，发
出无功功率，具体如表4所示。邵陵周边发电机的及
时响应可较好地抑制甩负荷后系统的无功波动。
3．3基于PMU量测与PSASP仿真的验证分析
基于河南电网实际模型，在PSASP中模拟PMU
量测时的实际运行工况。针对邵陵#1、#2调相机甩
负荷（断开开关）后，对比分析河南电网母线电压波动
情况。以低负荷情况下#1调相机进相150Mvar甩负
荷进行说明，参见表5。
表5#1调相机进相150Mvar甩负荷系统母线电压
母线电压（kV）
电压波动（kV）
PMU PSASP
偏差量
（kV）
邵陵500 2.5 2.640.14花都500 1.4 1.470.07迟营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
迟营
2200.80.9570.16
浉河500 1.00.9080.09
中州换5000.70.6820.02
调相机甩负荷后约0.06秒，邵陵500kV母线电压突增量2.64kV，邵陵站直接电气联系的迟营站、郾城
站、嫘祖站、花都站500kV母线电压依次降低，其中花都站最低为1.47kV；电气距离较远的浉河站、中州换流站、奚贤站500kV母线电压突变量均低于1kV。PSASP仿真结果与PMU实际量测基本一致，量测值与仿真值偏差量均小于0.4kV。
500kV母线电压PMU量测与PSASP仿真曲线如图3至图5所示。在甩负荷5秒内，邵陵站、花都站、中州站500kV母线电压仿真波形与PMU量测数据一致性较高；甩负荷5秒后PMU电压量测数据出现较明显波动，幅度约0.5kV，这是因为PMU量测数据包含了电网实际运行中负荷波动以及发电机励磁控制等作用。随着仿真时间的进一步拉长，PSASP仿真结果与PMU量测偏差增大，难以准确刻画实际电网中电压连续波动的情况。
图3邵陵站500kV母线电压
图4花都站500kV母线电压
图5中州站500kV母线电压
调相机甩负荷瞬间，对上述发电机组无功突变量（甩负荷后约5 10s）仿真结果（表6）分析表明：许漯周地区隆达#1，泽华#1，龙岗#3无功突降6.1 8.4Mvar，电气距离较远的100万机组新密#4、鲁阳#1无功突降4.2 4.8Mvar。PSASP仿真结果与PMU实际量测基本一致，量测值与仿真值偏差（下转第62页）
062河南电力2020年增刊
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准化接口方案研究［
J ］．电工技术，2019（06）ʒ44－46．收稿日期：2019－12－03
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页）
量均小于4Mvar 。
表6#1调相机进相150Mvar 甩负荷发电机无功发电机发电机无功短时波动（Mvar ）PMU PSASP 偏差量
（Mvar ）泽华#1－10－6.1 3.9龙岗
#3－8－8.30.3华豫#4－6－60.0鲁阳#1－6－4.2 1.8隆达
#1－9－8.440.6莲城#2－1.8－1.90.1新密#4
－5
－4.8
0.2
发电机无功输出PMU 量测与PSASP 仿真曲线
如图6和图7所示。在甩负荷5秒内，隆达#1，龙岗#3无功动态响应速度以及稳态增量仿真结果与PMU
有较高的吻合度；而在甩负荷5秒以后，隆达#1PMU 无功输出量测数据出现了一定的波动，幅度约3Mvar 。
图6隆达#1无功输出
对比分析可知，PSASP 数据模型参数与实际电网吻合度较高，在一定时间尺度内，能够较准确模拟扰动后电网的稳定特性以及各电气量的变化。
4结论
邵陵#1、#2调相机进相（150Mvar ）、迟相
图7
龙岗#3无功输出
（170Mvar ）甩负荷后，主要对周边许漯周地区电压产生影响，且主要集中在500kV 电压等级，总体影响较
小。
在电压方面，邵陵500kV 母线电压变化量最大，约2.5kV ，电气距离较远地区电压变化量小于1kV 。在无功方面，甩负荷后无功缺额主要通过500kV 网络进行疏散。豫中东、豫东南、平顶山等地区重要机组通过励磁响应，增发或吸收无功功率，能够较好抑制甩负荷后系统的无功波动。
PMU 量测数据与PSASP 仿真结果的对比分析验证了PSASP 数据、模型及参数与实际电网吻合度较高。但随着时间尺度的拉长，由于电网实际运行中存
在的负荷波动以及控制装置的调节作用，
PSASP 仿真结果与PMU 量测将产生一定的偏差，难以完全吻
合。
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