調相機廠用電的研究

沈洪流，錢 翊

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

調相機廠用電的研究

沈洪流，錢 翊

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

通過分析調相機運行負荷和起動負荷的特征，結合換流站電源情況和施工現狀，提出了2種換流站加裝調相機工程的廠用電接線方案。通過技術經濟比較，認為方案1適用于換流站和調相機同期建設的工程，方案2適用于調相機擴建工程，針對調相機擴建工程給出對已建換流站影響最小且切實可行的廠用電接線方案。

調相機；起動負荷；廠用電源

0 引言

電力系統中的異步電動機和變壓器均可從電網汲取大量的無功功率以供其勵磁之用，因此電網擔負著很大一部分感性無功電流，導致電網的功率因數偏低，線路損耗和電壓損失增大，輸電質量變壞，甚至影響輸電的穩定性。在長距離輸電線路中，線路電壓隨著負載情況的不同而發生變化，如果在輸電線路的受電端安裝同步調相機，在電網重載時，讓其過勵運行，減少輸電線路中滯后的無功電流分量，從而可減少線路壓降；在電網輕載時，讓其欠勵運行，吸收滯后的無功電流，可防止電網電壓上升，從而維持電網電壓在一定的水平上。調相機具備較強的雙向無功調節能力，在發生嚴重電壓跌落故障時，短時（1 s左右）動態無功最高輸出接近額定容量的2倍。

1 工程概況

基于此，國家電網公司提出在送端和受端直流換流站加裝調相機，將300 Mvar大容量調相機首次在電網中應用。位于江蘇淮安某換流站是華東地區加裝調相機的示范工程，為在建項目。調相機作為換流站配套工程，其建設進展滯后于換流站。

該換流站裝設2臺300 Mvar調相機，每臺調相機通過1臺360 MVA變壓器接入換流站500 kV交流系統，以達到向電網輸送強大無功的目地。

2 廠用負荷分析

同步調相機是一種專門設計的無功功率發電機，它運行于電動機狀態，但不帶機械負載，只向電力系統提供無功功率改善功率因數，降低網損，對調整網絡電壓和提高電能質量有較好的作用。同步調相機經常運行在過勵狀態，勵磁電流和損耗較大，發熱比較嚴重。該工程調相機為雙水內冷機組，調相機輔助系統的負荷可分為正常運行負荷和起動負荷。

2.1 正常運行負荷

調相機系統主要包括：調相機本體、勵磁系統、升壓變壓器、起動系統、冷卻系統、油系統、保護系統。

調相機區域正常運行負荷主要包括調相機的潤滑油系統和內冷水系統。公用負荷包括外冷水系統、化學水處理系統、直流系統電源、UPS電源、暖通負荷等。根據《火力發電廠廠用電設計技術規程》，采用換算系數法計算得出調相機低壓負荷為1 100 kVA，廠變容量為1 600 kVA。

2.2 起動負荷

調相機采用變頻起動，2臺調相機共配置2套獨立的SFC（靜止變頻裝置），一用一備。每套SFC輸出經切換開關切換后可為任何1臺調相機提供電源。SFC系統原理如圖1所示。

圖1 PCS-9575靜止變頻器系統組成

2.2.1 調相機起動和同步過程

（1）同步電動機的起動由變頻器控制。

（2）調相機起動時勵磁系統為他勵。

（3）在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合電源側的饋線斷路器，然后SFC按照事先調整好的加速轉矩曲線給電動機加速，直至大約105%的額定轉速。

（4）到達105%轉速后，SFC斷開電源側的饋線斷路器，變頻起動隔離開關斷開，SFC退出運行，調相機勵磁系統切換為自并勵系統。

（5）同步裝置和勵磁裝置調整調相機速度和電壓。

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（6）一旦電動機相位角、頻率和電壓幅值被調整到與電網電壓一致，則閉合主變壓器高壓側斷路器，調相機被牽入電網。

（7）電動機工頻運行。

2.2.2 SFC變頻起動特性

SFC系統的起動特性曲線如圖2所示，SFC的總起動時間約294 s，包括：圖2所示的純加速時間259 s；電動機起動前大約5 s建立磁場的時間；電動機與電網同步大約需要30 s。

圖2 SFC系統起動特性曲線

2.2.3 SFC系統諧波分析

SFC由整流器、變頻器、逆變器等非線性負載組成，當正弦電壓施加于非線性負載上時，基波電流發生畸變并產生諧波，因此調相機起動由SFC拖到同步轉速，同時也會產生諧波。另外，SFC只用于機組起動，運行時間短，屬于調相機區域的起動負荷。

3 換流站站用電現狀

3.1 換流站站用電源

該換流站站用10 kV系統采用單母雙分段接線，設2個工作段（1M，2M），每段各由1回獨立的工作主電源供電，另設1個專用備用段（0M）。3段母線分別有3路站用電源：一路站內工作電源，由換流站500/10 kV降壓變壓器接入10 kV工作母線1M；另一回引自1 000 kV變電站110/ 10 kV降壓變壓器10 kV側，經10 kV高壓電纜引接至換流站10 kV工作母線2M；備用電源采用外引，由站外的35 kV變電站引接1回35 kV線路，經35/10 kV降壓變壓器后接入10 kV備用母線0M。

3.2 換流站站用電設備選擇及布置

每個10 kV工作段接4臺2 000 kVA低壓站用變壓器用于閥組站用負荷，接l臺2 000 kVA低壓站用變壓器專用于換流站的公用負荷，每段設一個備用出線回路。

換流站用電系統負荷包括高端閥廳系統、低端閥廳系統和公用系統3部分。主要站用電負荷有換流變冷卻系統、閥冷卻系統和閥廳空調系統、繼電器交流負荷等，連續負荷總容量約為8 077 kVA。考慮一定的裕度，站用電源的輸送容量和高壓站用變壓器容量選10 000 kVA。按單臺高壓站用變壓器容量滿足全站負荷的要求考慮，選擇500/10 kV高壓站用變容量40 MVA，110/10 kV高壓站用變容量10 MVA，35/10 kV站用變容量10 MVA。

35 kV和10 kV高壓開關柜分別布置在35 kV和10 kV站用電室內，目前換流站配電裝置土建已完成施工。

4 廠用電電源引接

4.1 廠用電接線方案

方案1：調相機區域不設10 kV配電裝置，2臺低壓廠用變壓器（以下簡稱廠變）分別接入換流站10 kV配電裝置1M和2M段母線，2套SFC接入換流站10 kV配電裝置0M母線。

方案2：調相機區域設獨立廠用電高壓母線，SFC電壓等級為10 kV，由于該工程沒有雙套10 kV輔機，因此每臺機設一段10 kV母線，兩段母線間設聯絡開關。每段母線接1臺低壓廠變和1套SFC裝置。

圖3 方案1：調相機不設10 kV段廠用電接線

4.2 方案分析比較

（1）方案1中，考慮到調相機正常運行負荷約為1 100 kVA，接入后換流站500 kV站用變壓器（以下簡稱站用變）和110 kV站用變容量由原來的8 077 kVA變為9 177 kVA，基本能滿足要求但裕度不大。目前換流站已完成35 kV和10 kV站用變室的基礎施工，若4個設備電源從換流站10 kV站用電室引接，需在原有10 kV站用電室增加2面開關柜，拆除建筑物基礎進行返工，影響后續施工工序。另外即使接入調相機負荷后，換流站10 kV配電裝置既無備用開關柜也無備用屏位，不利于換流站的運行和發展，且35 kV配電間無預留開關柜和屏位。因此方案1不適合該工程。

（2）方案2中，調相機區域獨立設兩段10 kV母線，每段母線接1臺低壓廠變和1套SFC，每段母線負荷為5 300 kVA。換流站每臺變壓器已有負荷8 077 kVA，500 kV站用變容量40 MVA，110 kV站用變和35 kV站用變容量10 MVA。由于500 kV站用變容量裕度較大，因此一回電源由500 kV站用變低壓側T接入10 kV母線A段，另一回電源從站外35 kV備用電源引接。鑒于換流站35 kV配電裝置室已無擴建余地，電源只能由35 kV站用變高壓側T接，經35 kV廠用變壓器降壓后接入10 kV母線B段。

方案2中每段母線接1臺低壓廠變和1套SFC，會引起2個問題：SFC起動時正弦電壓施加壓于非線性負載上，基波電流發生畸變產生諧波可能對站內設備造成一定影響；備用電源需長期運行。

受35 kV變電站容量限制，國家電網公司要求外引電源只能作為備用電源，因此考慮在兩段母線間設聯絡開關，將35 kV變壓器作為起動/備用變壓器。當換流站站用電1M和2M工作電源正常，電網需要調相機起動時，A段母線進線開關斷開，B段母線進線開關閉合，聯絡開關閉合，由外接35 kV電源供調相機起動時SFC的電源和廠用輔機電源。調相機起動完成后，SFC退出運行，10 kV快切裝置采用并聯或串聯切換的方式將電源切換至A段進線電源，B段進線電源退出運行。調相機正常工作時10 kV兩段母線均由換流站500 kV站用變供電，起動由站外電源短時供電，從而解決了SFC起動時諧波對站內設備影響的問題。

另外，方案2比方案1多2面10 kV進線柜、2面10 kV計量柜、1座10 kV母線橋、2臺35 kV干式變壓器、1面35 kV饋線柜、1面35 kV計量柜，設備總投資多165萬左右。

圖4 方案2：調相機設獨立10 kV段廠用電接線

5 結語

近年來，隨著大容量、遠距離特高壓交直流輸電技術的發展，電網資源優化配置能力顯著提高。目前，電網“強直弱交”問題突出，局部電網受電比例較高，系統動態無功補償不足和電壓穩定問題凸顯，主要表現為特高壓直流受端電網動態無功不足以及直流弱送端系統短路容量不足。

為了解決上述問題，客觀要求直流大規模有功輸送，必須匹配大規模動態無功，即“大直流輸電、強無功支撐”，因此會有更多調相機加裝至已投運換流站。該工程調相機晚于換流站項目建設工期，屬擴建項目，廠用電接線采用方案2，雖然投資較高，但不影響換流站工期，也解決了SFC起動時因基波電流發生畸變產生諧波可能對站內設備影響問題，為已建換流站擴建調相機提供一種思路。

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（本文編輯：方明霞）

Research on Auxiliary Power System in Rotary Condenser

SHEN Hongliu，QIAN Yi
（Zhejiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.of China Energy Engineering Group，Hangzhou 310012，China）

By analyzing characteristics of operation load and start-up load of rotary condenser，the paper proposes two auxiliary power wiring schemes for rotary condenser installation in converter station on the basis of converter power and construction condition.Through technical and economic comparison，it is believed that the first scheme is applicable to projects with converter station and rotary condenser synchronously constructed；the second scheme is applicable to rotary condenser expansion project.Therefore，a feasible auxiliary power wiring scheme that has minimum impact on existing converter station is presented.

rotary condenser；start-up load；auxiliary power

TM621.7+1

B

1007-1881（2017）02-0017-05

2016-08-12

沈洪流（1972），男，高級工程師，從事發電廠電氣設計。