同步调相机接入对电网特性影响分析

郭 琪，张爱军，刘石川，慕 腾，赵 越，雷 轲，武海燕

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；
2.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020）

随着大规模新能源接入，内蒙古电网对快速灵活动态无功补偿需求日渐增大，动态无功不足问题凸显[1-3]。锡林郭勒东部地区拟新增的白音华负荷项目，处于内蒙古电网末端，距离主网较远，网架薄弱，容性无功备用不足，短路容量较低。配套白音华电厂配置2台350 MW机组，为其660 MW负荷供电，当白音华电厂开单机工况下，严重N-1故障时存在暂态电压问题，无法满足全部负荷接入系统，约一半负荷无法上网，拟加装1 台300 Mvar 调相机解决该地区负荷受限问题。

目前，针对电网动态无功相对不足问题，除了加强网架结构，还可加装各类动态无功补偿装置，常见的主要有静止无功补偿器（Static Var Compenstator，SVC）、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）和同步调相机等[4-7]。与SVC 相比，同步调相机的无功输出功率受系统电压的影响较小，对于较长时间故障和严重故障，可以提供足够的无功支撑[8-10]。

本文针对末端薄弱电网发生严重故障时无功支撑不足的问题，仿真论证加装调相机的应用效果，为后续调相机投运提供技术参考。

同步调相机作为无功补偿装置，实质为空载运行的同步电动机，正常运行时不提供有功功率，通过改变励磁电流的大小，调整其无功功率输出，向系统提供或吸收无功功率。由于其没有原动机，无机械输入，需外加启动装置。同步调相系统结构如图1所示。

图1 同步调相系统结构图Fig.1 Structure diagram of synchronous compensator

由文献[9]可知，调相机直轴电压Ud≈0，交轴电压Uq≈U（U为调相机升压变压器高压侧电压），故障时输出无功功率ΔQ 主要取决于直轴电流的变化量ΔId。

同步调相机处于过励运行状态时，发出感性无功功率，抬升系统电压水平；
处于欠励运行状态时，吸收感性无功功率，降低系统电压。系统处于轻负荷小开机工况时，同步调相机吸收系统中多余的感性无功功率，维持无功功率平衡及电压稳定；
当系统发生严重故障时，电压跌落明显，同步调相机迅速进入强励状态，向系统快速补偿大量无功功率，紧急提供电压支撑，有助于防止系统电压崩溃[11-12]。

选取电网2022年冬季平峰负荷数据进行计算，建立发电机暂态电势模型；
系统负荷采用60%的电动机负荷和40%的恒定阻抗负荷构成的综合负荷模型。

白音华项目用电负荷660 MW，配套建设2×350 MW机组，计划于2022年投产。机组通过2回线路接入白音华220 kV变电站，作为项目的供电电源。

由于白音华负荷中95%为一类负荷，需保证不间断供电，地区检修以及电厂开单机时不能满足供电需求，为保证负荷的全部接入，考虑在白音华电厂配置1台300 Mvar调相机。

白音华220 kV变电站、白音华自备电厂及调相机投运后，该地区网架结构示意图如图2所示。

图2 白音华地区网架结构示意图Fig.2 Schematic diagram of Baiyinhua grid structure

3.1 对暂态电压稳定水平的影响

对白音华电厂附近场站各类N-1故障进行扫描得知，当发生白音华电厂跳机故障时，电压跌落严重，系统动态无功功率支撑不足，引发暂态电压稳定问题，严重制约供电能力。

暂态稳定仿真计算采用BPA 程序。同步调相机可以在故障时迅速提供动态无功功率支撑，有利于提高暂态电压稳定水平。白音华电厂开1台机工况下，发生跳机故障时，含调相机和不含调相机两种方案下，白音华220 kV变电站电压变化曲线如图3所示。

图3 白音华220 kV变电站电压变化曲线Fig.3 Voltage variation curve of Baiyinhua 220 kV station

白音华电厂跳机故障，调相机无功功率输出如图4所示。

图4 白音华调相机无功功率输出Fig.4 Reactive power output of Baiyinhua compensator

含调相机方式下，当系统发生故障时，白音华调相机迅速进入强励状态，1 s 内发出大量无功功率，最终维持在160 Mvar，为该地区提供紧急无功电压支撑，加快了故障切除后系统电压的恢复速度，中长期电压可恢复到0.9（p.u.）以上，并能保持平稳运行。因此调相机对提高系统暂态电压稳定水平效果明显。

3.2 对白音华电厂带负荷能力的影响

故障地点：选取地区相关线路两端发生故障。故障类型：双回及多回线路，发生三相短路故障不重合。故障时序：0 s 发生三相永久性短路故障，220 kV线路0.12 s故障线路两端同时跳断路器。

对白音华电厂区域各类N-1 故障进行计算，电厂开1台机情况下，电源来自机组和电网，供电能力主要受限因素为白音华电厂跳机，电压跌落明显。

正常方式下，对白音华电厂不同开机方式和是否安装调相机方式进行计算，结果如表1所示。

表1 正常方式暂态计算结果Tab.1 Transient calculation results in normal mode

在白音华电厂配置300 Mvar 调相机，可以有效提升白音华变电站的带负荷能力。白音华电厂开双机时，基本达到供电平衡，有、无调相机方案皆可满足项目负荷660 MW的全部接入。

开单机时：不加装调相机，能够满足300 MW负荷的供电需求；
加装调相机后，相同条件下，白音华变电站负荷承载能力提升至600 MW。

加装调相机后，白音华电厂开单机运行方式下，为保证白音华变电站660 MW负荷全部接入，需控制创源变电站负荷在250 MW及以下。

3.3 对短路电流的影响

短路容量可以反映电网电压支撑强度，短路容量大，则系统阻抗相对较低，系统支撑能力相对更强；
反之，短路容量小，系统支撑能力较弱。

对加装调相机前后，白音华变电站和乌里雅斯太变电站单相短路电流和短路容量进行计算，结果见表2。

表2 加装调相机前后短路电流及短路容量计算结果Tab.2 Short-circuit current and short-circuit capacity before and after adding the compensator

由表2可知，加装调相机可提高系统短路容量，白音华地区各站短路电流水平均有一定程度的提高。调相机的增设使该地区短路电流和短路容量提升明显，有利于提高系统支撑能力。且加装调相机后各站短路电流均未超过现有开关遮断容量。

本文从系统暂态电压、白音华变电站带负荷能力和短路电流影响三方面，仿真分析了白音华电厂加装调相机对系统运行的影响，得到的主要结论如下。

（1）加装调相机后，对于地区由于电压跌落较大引起的稳定问题起到支撑作用，故障时可及时提供无功电压支撑。

（2）加装调相机可有效提升白音华变电站带负荷能力，当控制创源变电站负荷小于250 MW时，白音华电厂开单机、双机方式下，均可满足660 MW负荷的供电要求。

（3）加装调相机可提高系统短路容量，提升附近场站的短路电流水平，提高系统支撑能力。

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