高壓直流輸電系統(tǒng)中調(diào)相機的啟動與并網(wǎng)策略

趙永正，代海濤，王安東，李 明

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南 250003）

高壓直流輸電系統(tǒng)中調(diào)相機的啟動與并網(wǎng)策略

趙永正1，代海濤1，王安東2，李 明2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南 250003）

在高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生嚴重電壓跌落故障時，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低換相失敗的風(fēng)險，在直流輸電系統(tǒng)受端或弱交流系統(tǒng)送端宜加裝調(diào)相機。正常情況下調(diào)相機的運行狀態(tài)與同步電動機相同，但因其功能的特殊性，調(diào)相機與同步電動機在結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別，這就有必要對其啟動和并網(wǎng)方式進行探討。確定了調(diào)相機的最佳啟動方式，提出在105%額定頻率下墮速運行尋找同期點的方法，并以實例驗證了該方法的可靠性。

調(diào)相機；變頻啟動；墮速并網(wǎng)

0 引言

調(diào)相機具備較強的雙向無功調(diào)節(jié)能力，在發(fā)生嚴重電壓跌落故障時，短時（1 s左右）動態(tài)無功最高輸出接近額定容量的2倍。電網(wǎng)加裝調(diào)相機后可以為系統(tǒng)提供緊急無功電壓支撐，在系統(tǒng)動態(tài)過程中，無功調(diào)節(jié)魯棒性好；降低了直流發(fā)生連續(xù)換相失敗的風(fēng)險，有助于直流功率的快速恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定；還可大幅降低故障后的電壓波動幅度，有助于故障后系統(tǒng)電壓的快速恢復(fù)；同時可以有效提升換流站的系統(tǒng)短路容量和短路電流水平，提升直流有效短路比，增強受端交流系統(tǒng)對直流的支撐能力。

圖1 三相合成磁動勢波形

正常情況下調(diào)相機以同步電動機狀態(tài)運行，在調(diào)相機定子繞組中通入三相交流電時，每一相繞組感應(yīng)的基波磁動勢為一駐波，其可分解為沿正反兩個方向旋轉(zhuǎn)的幅值、頻率相等，方向相反的正弦波，另外兩相繞組與之相同。3個正方向旋轉(zhuǎn)的磁動勢波相位相同可直接相加，3個反方向旋轉(zhuǎn)的磁動勢波相位相差120°，相加后互相抵消。因此三相對稱繞組通入三相對稱交流電后會產(chǎn)生一個在氣隙做正向旋轉(zhuǎn)的磁動勢波。圖1以A相為例給出了基波與分解出的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁動勢波，以及合成的正轉(zhuǎn)的磁動勢波［1］。

當(dāng)在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電時，轉(zhuǎn)子會感應(yīng)出磁場，方向可根據(jù)右手定則判定。因此，轉(zhuǎn)子的磁極會受到定子旋轉(zhuǎn)磁場的吸引作用，而使電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。

調(diào)相機的特殊性決定了其啟動和并網(wǎng)策略與普通的同步電動機有一定區(qū)別。不同的啟動方式對應(yīng)著不同的并網(wǎng)方式。如同步電動機在異步啟動時，在啟動之初定子就是連接在電網(wǎng)上的，因此也就不存在并網(wǎng)這個步驟。輔助電動機啟動時，雖然電機被拖動到同步速后需要并網(wǎng)，但是調(diào)相機的結(jié)構(gòu)決定了其不能使用輔助電動機啟動法。鑒于此，對調(diào)相機的啟動和并網(wǎng)策略進行分析，就顯得尤為重要。

1 啟動方法分析

調(diào)相機是同步電動機的一種特殊工作狀態(tài)，其啟動方式與同步電動機的啟動方式相同。同步電動機本身是沒有啟動轉(zhuǎn)矩的。定子繞組通入三相交流電后會產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子繞組通入直流電時轉(zhuǎn)子上會建立磁場。如圖2所示，在通電瞬間，轉(zhuǎn)子承受一個逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子有沿逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢，但由于機械慣性的存在，轉(zhuǎn)子還沒有啟動起來，定子磁場就已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了180°，此時轉(zhuǎn)子又承受一個順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子有順時針轉(zhuǎn)動的趨勢［2-3］。因此，在半個周期的時間內(nèi)轉(zhuǎn)子承受了兩個方向相反且大小相等的電磁轉(zhuǎn)矩，此合成轉(zhuǎn)矩大小為0。電機不能直接啟動。

圖2 勵磁后啟動時調(diào)相機的電磁轉(zhuǎn)矩

同步電動機通常的啟動方法有輔助電動機啟動法、異步啟動法和變頻啟動法。

輔助電動機啟動法是指用另一臺電動機將需要啟動的同步電動機轉(zhuǎn)子拖動到同步速后再將定子通電，使電機能夠在同步速下穩(wěn)定運行。這種啟動方式原理簡單，但是調(diào)相機在正常運行時不帶機械負載，故其轉(zhuǎn)子尺寸比普通的同步電機轉(zhuǎn)子尺寸要小，而且為了具有更好的密封性，調(diào)相機轉(zhuǎn)軸通常不會伸出機座，這就不能用原動機拖動其轉(zhuǎn)子運行。故輔助電動機啟動法不適用于調(diào)相機啟動。

異步啟動法是同步電動機常用的一種啟動方法：在同步電機的轉(zhuǎn)子上裝上一套像異步電機一樣的鼠籠繞組，如圖3所示，這套鼠籠繞組稱為啟動繞組［4］。當(dāng)定子繞組通入三相交流電后，在啟動繞組中便會產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，使電機沿定子旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來。電機以異步電機形式啟動。但這種啟動方式下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達95%～97%同步速，這時立即給勵磁繞組通入勵磁電流，使電機牽入同步速。這種情況下轉(zhuǎn)子勵磁繞組不能開路以防止過高的感應(yīng)電勢損壞絕緣，也不能短路，防止短路電流過大而發(fā)熱過度。為解決這一問題，應(yīng)在勵磁回路串接為勵磁繞組電阻值10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路。

圖3 同步電動機異步啟動

變頻啟動是指啟動時在定子通入頻率很低的交流電，使轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動起來，然后逐漸增加定子電流的頻率，直至同步速，轉(zhuǎn)子也跟隨轉(zhuǎn)到同步速。這種啟動方式較上述兩種方式更為可靠，但由于啟動過程中定子繞組與變頻裝置相連接而不是直接連到電網(wǎng)上，因此這種啟動方式又帶來了一個新問題，即電機如何同期并網(wǎng)。

2 調(diào)相機變頻啟動并網(wǎng)策略

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)備性能不滿足在變頻器帶動下利用同期裝置的增減速信號微調(diào)變頻器的頻率找到同期點并網(wǎng)。為了解決這一問題，可以先用變頻器將電機帶動到105%的同步速，然后退出變頻器，讓電機墮速運行，在電機接近同步速時尋找同期點并進行并網(wǎng)。

墮速運行的調(diào)相機相當(dāng)于一臺發(fā)電機，同步發(fā)電機并網(wǎng)需滿足：發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓幅值相等、發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓相序相等、發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓相位相等、發(fā)電機與電網(wǎng)的頻率相等。

發(fā)電機的電壓幅值可通過調(diào)節(jié)電機的勵磁電流來調(diào)節(jié)，發(fā)電機在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不變的情況下相序不變［5］。即前兩項要求容易實現(xiàn)，因此為保證調(diào)相機可靠并網(wǎng)只需滿足后兩項要求即可。電機墮速時，在轉(zhuǎn)子墮速到同步速時，電機頻率等于電網(wǎng)頻率，但若此時并網(wǎng)不能保證發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓相位相等。因此，允許在并網(wǎng)的時刻有一定的頻率偏差，而在這一偏差范圍內(nèi)尋找兩者同相位的點。

設(shè)電網(wǎng)電壓矢量相位為

式中：f0為電網(wǎng)頻率，50 Hz。

電機定子側(cè)電壓矢量的相位為

式中：fm（t）=（f1-kt）為電機頻率；f1為變頻器退出時電機的頻率；k為電機頻率下降的速率；φ0∈［0，2π），為電網(wǎng)與定子側(cè)電壓矢量的初始夾角。

可以得到電網(wǎng)與電機定子側(cè)電壓矢量的夾角隨時間變化的函數(shù)為

將fm（t）=f1-kt代入式（3）得：

將公式兩邊同時除以2π得：

由上述公式可知，當(dāng)此二次函數(shù)的縱坐標(biāo)為整數(shù)時，電網(wǎng)與電機定子側(cè)電壓矢量的夾角為2π的整數(shù)倍，即夾角為0°，是發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓相位相等的點，為最佳并網(wǎng)時機。函數(shù)的最大值在fm=f0，即電網(wǎng)頻率處。

假設(shè)允許的頻率偏差為±fp，此時fm=f0±fp。顯然，當(dāng)Δφ′（f0）與Δφ′（f0±fp）在某一整數(shù)兩側(cè)時一定有同期點。

舉例說明。取f1=52.5 Hz，k=5／34（由機組墮速仿真結(jié)果得出），φ′0=0，則函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 電機頻率—并網(wǎng)角差曲線

取fp=0.5 Hz，由圖4可知，在50.5～49.5 Hz范圍內(nèi)有兩個同期點，fm分別為50.27 Hz和49.73 Hz。

即當(dāng)變頻器在52.5 Hz時退出，電網(wǎng)與調(diào)相機定子側(cè)電壓矢量的初始夾角為0，且調(diào)相機以5／34 Hz／s的速度墮速時，在允許的頻率偏差0.5 Hz內(nèi)一定有兩個同期點。

3 結(jié)語

通過比較調(diào)相機兩種可用的啟動方式，得出變頻啟動最適合調(diào)相機啟動。針對調(diào)相機變頻啟動難以同期并網(wǎng)的問題，提出了讓調(diào)相機在105%額定頻率下墮速運行尋找同期點的方法。通過分析，得出了調(diào)相機墮速并網(wǎng)的必要條件，并以實例驗證了結(jié)論的正確性。

［1］李發(fā)海，朱東起.電機學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］李志民，張遇杰.同步電動機調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

［3］鐘步青.淺談同步電動機的特點與啟動［J］.華北電力技術(shù)，1986，12（6）：25-30.

［4］王耀明，趙榮祥.永磁同步電動機的起動并網(wǎng)控制研究［J］.微特電機，1994，22（4）：14-16.

［5］周德貴.發(fā)電機組作調(diào)相機運行的分析與實踐［J］.四川電力技術(shù)，2001，24（3）：1-6.

Start-up and Grid-Connection Strategies of Phase Modifiers in HVDC System

ZHAO Yongzheng1，DAI Haitao1，WANG Andong2，LI Ming2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

In the event of the fault that the voltage of HVDC system decreases unexpectedly，it is suggested to install phase modifiers at the receiving end of the DC transmission system or the sending end of the weak AC system to improve the stability of the system and reduce the risk of commutation failures.Normally phase modifiers operate in the same way as synchronous motors， however，due to their distinctive functions， phase modifiers are different from synchronous motors in structure，which makes it quite necessary to discuss itsstart-up and grid-connection ways.Therefore，the best start-up way of phase modifiers is put forward，the way of determining the synchronizing point is presented through naturally decreasing their speed at the rated frequency of 105%，and the liability of the method is finally verified with a real example.

phase modifier；variable frequency starting；grid-connection through a naturally decreasing speed

TM342

A

1007－9904（2017）02－0020－03

2016-08-30

趙永正（1989），男，從事高壓交直流運維檢修工作；

代海濤（1985），男，從事高壓交直流運維檢修工作；

王安東（1969），男，從事調(diào)相機技術(shù)研究和高壓技術(shù)監(jiān)督工作；

李 明（1988），男，從事電源測高壓技術(shù)監(jiān)督工作。