摘要：随着直流的大规模馈入，受端电网运行特性发生显著变化，大量本地机组关停，导致动态无功储备和电压支撑不足问题凸显，电网承受扰动能力下降，因此迫切要求配置同步调相机等动态无功补偿装置。通过仿真软件对电网加装调相机前后的电压稳定裕度、引起直流换相失败的交流故障范围及短路电流水平进行仿真计算和比较分析，全面评估了多直流馈入受端电网中时加装调相机后对系统运行的影响。该研究为同步调相机布点配置和参数选取提供有效参考和依据，有助于推进多直流馈入大受端电网时同步调相机配置工作的开展。
关键词：同步调相机；多直流馈入；受端电网；电压稳定；换相
近几年，随着大容量和远距离特高压交直流输电技术的发展，大比例受电地区的集中出现，电网特性发生较大变化。
1）直流馈入降低了系统动态无功储备。因直流的大规模馈入，且本身不提供动态无功支撑，受端电网电源增速明显放缓，部分已投产电源因系统调峰能力不足还需调停，系统动态无功储备明显降低。
2）直流馈入恶化了系统电压调节特性。直流馈入的受端电网，在交流系统电压降低时，常规发电机组将增加无功出力，而直流逆变站从系统吸收无功。常规电源和直流逆变站在系统电压降低时无功电压调节特性相反，直流馈入恶化了系统电压调节特性。
3）直流馈入降低了系统抵御无功冲击的能力。由于直流大规模馈入替代了常规电源，受端系统短路容量降低，导致系统抵御无功冲击能力减弱，在直流多馈入地区尤为明显。
4）直流换相失败恢复过程需从系统吸收大量无功。单一特高压直流换相失败，直流恢复过程中逆变侧从系统吸收4000—5000 Mvar 的无功。若多回直流同时换相失败，将从系统吸收大量无功，带来巨大无功冲击。因此，随着电网“强直弱交”问题凸显，客观上要求直流大规模有功输送，必须匹配大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支撑”。
目前电力系统中应用比较广泛的动态无功补偿装置主要有同步调相机、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（SVG/STATCOM）等。调相机由于具有无功输出受系统电压影响小、能短时强励、能进相运行以及使用寿命长等优点，在很多国家已得到应用，如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等国家在大规模水电基地远距离外送的受端变电站加装调相机，法国、日本在电网中加装调相机来避免发生电压崩溃事故。本文以多直流馈入受端电网为研究对象，通过仿真比较分析，全面评估了加装调相机前后，受端电网电压稳定、短路电流水平和直流换相失败范围的变化情况，全面分析调相机对受端电网系统运行的影响，从而为同步调相机布点配置和参数选取提供参考和依据。
1.同步调相机基本原理
同步调相机是一种专用的无功功率发电机，实质上是空载运行的同步电动机，其主要用途是向系统提供或吸收无功功率，改善功率因数，因此它与同步电动机一样，也是通过改变励磁电流的大小进行无功功率调控。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。当系统处于轻负荷运行时，需要将系统中某些发电机改为同步调相机，以吸收系统中多余的无功功率，达到系统的无功平衡。当系统发生严重电压跌落故障时，调相机会进入强励状态，短时间内提供大量无功，为系统提供紧急无功电压支撑，有助于直流功率和系统电压迅速恢复，防止电压崩溃。调相机具有如下技术特点：
1）具备过载能力且无功输出受系统电压影响小。在强励作用下可短时间内发出超过额定容量的无功，并且对于持续时间较长的故障可提供较强的无功支撑。
2）具备进相能力。调相机进相能力约为额定容量的 50%。
3）运行稳定性好。调相机在制造上不存在技术难度，设备技术成熟，运行稳定性好。
4）使用寿命长，占地面积小。调相机使用寿命约 30 年，占地面积约为同容量 SVC 的 1/3。但调相机仍有一些不足之处：
1）增加短路电流。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆故障时调相机将向系统输出短路电流，可能引起电网短路电流超标。
2）旋转设备运维相对复杂，且功率损耗较SVC和 STATCOM 分别大 1.5 和 1.9 倍左右。
3）调相机调节速度要慢于SVC、STATCOM，从开始到发出最大无功需2 s 左右。
2.同步调相机在电力系统无功补偿中有其独特优势
2.1 有功功率和无功功率
有功功率是电能转化为其他形式能量（ 热能、光能、机械能、化学能等）的电功率，对应的电流称为有功电流。有功功率单位是瓦（ W）、千瓦（ kW）、兆瓦（ MW）。无功功率是在存在电感、电容的交流电路中，进行电场或磁场能量交换、并用来在电气设备中建立和维持电场、磁场的功率。由于这种功率不对外做功，才被称为“无功”。无功功率的单位是乏（ Var）、千乏（ kVar）、兆乏（ MVar）。值得注意的是，无功功率并不是无用功率。例如，一台电动机运行既需要有功功率转变为机械能，又需要无功功率建立和维持旋转磁场使转子旋转。电动机的旋转磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。另外，从广义上讲，电流与电压的相位不同也等效于无功存在；谐波引起的电压、电流失真也要引入无功。
2.2 容性（ 超前）无功功率和感性（ 滞后）无功功率
侠义的无功功率可分为容性（ 超前）无功功率和感性（ 滞后）无功功率。容性无功功率是电场变化时吸收或释放的功率。在交流电路中，电容器需要无功，随着电压极性的改变，电容器周期性地吸收和释放电能，其功率称为容性无功功率。由于电容器的电流超前电压90°，所以习惯上将容性无功电流称为超前无功电流，将容性无功功率称为超前无功功率。感性无功功率是磁场变化时吸收或释放的功率。在交流电路中，电感器周期性地吸收和释放能量，其功率称为感性无功功率。由于电感器的电流滞后于电压90°，所以习惯上将感性无功电流称为滞后无功电流，将感性无功功率称为滞后无功功率
2.3 电力系统中无功补偿的意义
现代电力系统中，大部分负载（ 如电动机、变压器等）都是感性负载，要从电源或电网吸收感性（滞后）无功功率，从而造成发电机励磁损耗增大、出力降低，并降低输电线路输电能力，降低输电质量和增大输电损耗。因此，必须在输电线路中加装容性无功设备，用容性无功补偿感性无功。在长距离高压输电系统中，由于输电线对地电容产生的容性无功功率很大，可能大于电抗消耗的无功功率，致使电压上升，危及设备和系统的安全。为了保持输电线路的无功平衡，需要在线路中装设并联电抗器或其他感性无功设备，用感性无功补偿容性无功。近年来，电力系统中由于非线性负载和新能源电源的接入，电能质量有劣化的趋势，因此也需装设无功补偿设备改善电能质量和降低电能损耗。
3结束语
近年来，为了应对高压直流输电和新能源接入电网带来的无功调节问题，对大型同步调相机的研制提出了紧迫要求。一方面要充分吸取过去大型调相机研制所积累的经验教训；另一方面应注意吸收近30 多年来大型同步电机的研究成果
（如大型空冷汽轮发电机的研究成果）。针对现代电力系统局部电压不稳、区域性电压凹陷等对同步调相机提出的新要求，全面把握现代大型同步调相机的新特点，深入开展科研工作，研制出高性能的机组，以充分满足电力系统的要求。
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论文作者:薛军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
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