大容量調相機靜止變頻器起動方式研究

王 瀟周 平王 洋李志強

（1.東方電機控制設備有限公司，四川 德陽 618000；2.中國電力科學研究院，北京 100192）

大容量調相機靜止變頻器起動方式研究

王 瀟1周 平1王 洋1李志強2

（1.東方電機控制設備有限公司，四川 德陽 618000；2.中國電力科學研究院，北京 100192）

本文介紹了靜止變頻器（SFC）起動方式的原理，對兩種起動方案進行了對比研究，通過建模仿真分析SFC容量與起動時間的關系。研究表明兩種起動方案各有其優缺點，均能滿足調相機起動的需求。

調相機；靜止變頻器；起動回路；起動流程

調相機又稱同步補償機，實質是接在電網上的一種空載運行的同步電動機，它僅從電網吸收少量的有功功率來維持運行時的空載損耗（機械損耗、銅耗和鐵耗），專門用來補償系統無功的不足和吸收系統多余的無功，改善系統功率因數，降低網絡中的損耗，對調整電網電壓和提供電網運行的穩定性具有較好的作用。

雖然目前 SVC靜止無功補償等以電力電子元件為主的無功補償設備占據了電網電壓調節的主要市場，但是經過研究表明：在電網電壓大幅跌落的情況下，調相機強勵作用可快速向系統提供無功缺額，對于維持電網電壓穩定具有SVC不可替代的作用。在歐美發達國家電網中采用調相機補償無功的方式也占有相當大的比例。

隨著我國特高壓直流輸電發展，為了保障電網的安全穩定，根據系統仿真計算，特高壓直流輸電系統對調相機有了新的需求：特高壓直流弱送端系統，兼顧考慮換相失敗引起的暫態電壓升高和短路容量支撐問題，需要在送端換流站配置300Mvar調相機，同時為抑制換相失敗引起的暫態電壓升高，個別送端換流站要求調相機單機進相能力不低于200Mvar。直流受端系統，特別是單一特高壓直流饋入的受電系統，一般在直流近區電網受電比例超過 30%時，可能出現局部電壓穩定問題需要配置300Mvar調相機；直流多饋入的受電系統，存在區域性電壓凹陷，也應在直流換流站落點配置300Mvar調相機。

因此，大容量調相機采用何種方式起動、起動裝置容量如何選擇、起動回路如何設計成為關注的熱點。

1 調相機的起動方式

由于調相機沒有起動力矩，不能自起動，必須采取各種起動方式，包括：①直接起動方式；②電抗器降壓異步起動方式；③電動機起動方式；④變頻起動方式。其中直接起動和電抗器降壓異步起動方式起動電流大，對調相機沖擊大，僅用于小型機組起動。

電機起動通過異步電機與液力耦合器起動調相機。該方式受起動電機和液力耦合器最大功率的限制，同樣存在起動容量較小的問題。

變頻起動采用靜止變頻器SFC把頻率可調的交變電流加到調相機定子上，使調相機以調頻調速電動機方式轉動起來。采用SFC起動具有以下優點：①無復雜的機械機構和旋轉部件，結構簡單維護方便；②采用負載換向式變頻器 LCI，采用晶閘管作為功率元件，結構簡單，功率元件少，容量大；③可以根據起動時間的要求靈活選擇SFC容量；④若調相機站有兩臺或以上的調相機，起動回路可采用冗余設計，即兩套SFC起動多臺調相機設計。

因此大容量調相機優先推薦SFC起動方式。

2 SFC的原理及容量計算

2.1 SFC的原理

SFC由輸入變壓器、DC電抗器、整流器、逆變器、輸出變壓器（根據起動方案配置，詳見本文3.1）組成，如圖1所示。

圖1 SFC主回路

整流器由1或2個三相六脈波全控可控硅整流橋組成（即6脈波或12脈波），將恒定的三相AC電壓變成可變的DC電壓。

逆變器也是采用三相六脈波全控可控硅整流橋，將整流器輸出的 DC電壓轉變成變幅值和變頻率的AC電壓。這個可變的交流電源施加于調相機使調相機加速到指定的轉速。每個裝置的功能見表1。

表1 裝置的功能

調相機為同步電機，由定子和轉子組成。定子主要由定子鐵心、三相對稱繞組和機座和端蓋組成。空間上三相對稱繞組通入時間上對稱的三相電流就會產生一個空間旋轉磁場，旋轉磁場的同步轉速為

式中，fs為定子電源頻率，np為電機極對數。

同步電機三相對稱的定子繞組通入三相對稱電流會在氣隙內產生一旋轉磁場，旋轉磁場的同步轉速為 ns。同步電機的轉子的勵磁繞組通入直流，在轉子內產生一恒定磁場，根據電機統一理論，兩磁場在電機穩態運行時，必須保持相對靜止，才能產生穩定的電磁轉矩，驅動電機以同步轉速旋轉。

2.2 SFC容量計算

工程應用中，靜止變頻器 SFC容量直接影響SFC裝置體積及設備造價。因此應選擇滿足調相機運行要求的SFC容量，避免將SFC容量選得太大。靜止變頻器SFC在起動的過程中，拖動轉矩TM與阻力轉矩TR之間的關系如下：

式中，TM為SFC的拖動轉矩，N·m；TR為機組的阻尼轉矩，N·m（轉速的函數）；J為機組轉動部分的轉動慣量，t·m2；Ω 為機組的阻尼轉矩，N·m。

其中J與飛輪矩GD2的關系為

式中，GD2單位為N·m2；g為重力加速度，m/s2。

求解上述微分方程，推導如下：

式中，PSFC為SFC的容量，W；PR為機組起動過程中與阻力轉矩相當的功率損耗，W。

從上述公式中可知，SFC的容量取決于要求的機組加速時間、轉動慣量和阻力轉矩。求解此方程，可以獲得PSFC。為進行SFC容量計算，編制了一套專用程序進行方程的求解。

利用上述程序，以某300Mvar隱極調相機參數為輸入條件，分別按照機組加速時間 60s、240s、300s、350s進行了計算，仿真出以下曲線。

圖2 起動時間60s

圖3 起動時間240s

圖4 起動時間300s

從仿真計算的結果看，SFC容量PSFC與起動時間存在類似于反比例關系，增大起動時間可以降低SFC拖動轉矩，從而降低SFC容量，但是起動時間增大到一定程度時，降低SFC容量的效果并不明顯，見表2。

為保證電網的安全穩定運行，調相機長期處于旋轉熱備用狀態，對起動時間沒有太高要求，因此選取合適的起動時間，對于降低設備造價和保證調相機起動性能有積極的意義。

圖5 起動時間350s

表2 起動時間與容量關系

3 SFC起動方案

調相機長期處于旋轉熱備用狀態，年起動次數較少，為降低工程造價和減少廠房占地面積，建議調相機出口不設置主斷路器，并網開關采用升壓變高壓側斷路器。基于上述設定可采用兩種SFC起動方案：①SFC帶輸出變壓器；②SFC不帶輸出變壓器。兩種方案起動回路主接線圖不同，各有其特點。

3.1 方案一

SFC通過變頻軟起的方式將同步調相機起動到準同步轉速后，將其同步到電網后退出運行，電機掛網運行。

起動流程如下：

1）調相機的起動由變頻器（SFC）控制，并網由同期裝置控制。

2）在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合進線側與變頻變壓器相連的輸入斷路器（ICB），然后SFC按照事先調整好的加速轉矩曲線給電機加速，直至大約95%的額定轉速。

3）到達95%轉速后，同期裝置開始運行。

4）同期裝置給 SFC和勵磁系統發送速度和電壓調整信號。

5）達到同期條件后，同期裝置向并網斷路器發出合閘命令（合RCB）。RCB合閘的同時變頻器電流降到零，晶閘管脈沖封鎖。因此，當RCB合上時變頻器已經沒有電流。

6）變頻器等待RCB的反饋信號來檢查操作是否成功（RCB已合上）。

7）電機工頻運行。

3.2 方案二

SFC通過變頻軟起的方式將同步調相機起動到105%轉速后退出運行；當調相機頻率、相位和電壓幅值由同期裝置調整到與電網電壓一致后，調相機投入電網，掛網運行。

圖7 起動回路主接線圖

起動流程描述：

1）調相機的起動由變頻器（SFC）控制，并網由同期裝置控制。

2）在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合進線側與變頻變壓器相連的斷路器（ICB），然后SFC按照事先調整好的加速轉矩曲線給電機加速，直至大約105%的額定轉速。

3）到達105%轉速后，輸出斷路器OCB斷開，SFC退出運行。

4）勵磁裝置、同期裝置開始運行。

5）一旦調相機相位、頻率和電壓幅值被調整到與電網電壓一致，同期裝置向并網斷路器RCV發出合閘命令（合RCB）。

6）電機工頻運行。

3.3 方案對比

兩種起動方案各有其優缺點，均能滿足調相機起動的需求。具體采用何種方式，應考慮調相機參數、設備成本及廠房可用面積等因素。

表3 方案對比表

3.4 冗余起動回路設計

一般來說，調相機站多為多臺機組配置，為了便于調相機站起動的靈活性，不同的SFC可以對不同的機組進行起動。在每次機組起動之前需要確定用哪一臺SFC來起動，這樣涉及到不同的機組、相關設備、開關等。整個調相機站的起動時一個完善的系統，如何合理設計起動系統來實現各臺機組、各相關設備和裝置的控制邏輯，是整個正常運行的關鍵。

參照M701F4重型燃機起動控制系統設計，在配置上采用“二拖二”冗余結構方式，即每個調相機站配置2套SFC且互為備用，任何一套SFC都可以通過切換邏輯盤COLP和切換開關盤GSS的切換控制，拖動任何一套調相機，如圖8所示。

這種配置的優點是既實現了SFC的冗余備用，大大提高了系統的可靠性，同時兼顧了投資經濟性，其優點是信號集中，接口簡明，靈活，便于維護。

圖8 “二拖二”冗余結構方式

切換邏輯盤 COLP是整個起動控制系統的核心，每套機組及其外部開關的狀態、每套 SFC及GSS的狀態均送入COLP進行狀態監控和起動流程操作。因此COLP本身的可靠性對整個調相機站的起動運行有重大影響。

4 結論

靜止變頻器SFC在大容量調相機起動過程中具有極其重要的作用，研究其容量選擇計算及起動回路設計對機組起動性能、系統可靠性、工程造價，對于大容量調相機的工程應用有極其重要的意義。

［1］潘仁秋，何其偉，陳俊.大型調相機的保護［J］.江蘇電機工程，2011（11）：45-47.

［2］李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］魯勇勤，況明偉，李宇俊，等.燃機變頻啟動系統技術引進和創新開發設計［J］.東方電氣評論，2009，23（4）：43-48，56.

Bushing PD Analysis and Electric Field Simulation Large Capacity Synchronous Compensator

Wang Xiao1Zhou Ping1Wang Yang1Li Zhiqiang2
（1.DFEM Control Equipment Co.，Ltd，Deyang，Sichuan 618000；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192）

This paper introduces the principles of static frequency converter（SFC）start-up mode，compares the two starting schemes，analyzes the relationship between SFC capacity and starting time by modeling and simulation.The research shows that the two schemes have their advantages and disadvantages，which can meet the requirements of the starting of the synchronous compensator.

synchronous compensator； SFC； starting circuit； starting process

王 瀟（1983-），男，四川蓬溪人，工程師，從事發電機勵磁系統及靜止變頻器的技術開發及設計工作。

國家電網公司總部科技項目：特大型城市和主要負荷中心電壓穩定性及

動態無功補償優化措施研究（XT71-15-026）