大容量新型調相機關鍵技術參數及其優化設計

李志強，蔣維勇，王彥濱，李文鋒，李朝科，咸哲龍

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大容量新型調相機關鍵技術參數及其優化設計

李志強1，蔣維勇2，王彥濱3，李文鋒1，李朝科4，咸哲龍5

（1. 中國電力科學研究院，北京 100192；2. 國網北京經濟技術研究院，北京 102209；3. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；4. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000；5. 上海電氣電站設備有限公司上海發電機廠，上海 200240）

大容量新型調相機旨在滿足特高壓直流輸電大規模發展帶來的強大的系統動態無功需求，因此其電氣參數必然不同于以穩態無功補償為主的傳統調相機。本文通過系統分析各電氣參數對調相機暫態及次暫態特性的影響，提煉出調相機動態性能優化的關鍵技術參數和措施，即盡可能降低直軸次暫態電抗和主變短路電抗，減小直軸開路及短路時間常數和，并將勵磁系統強勵倍數提高至3.5倍。同時對調相機的具體優化設計方案給出了建議。

調相機；動態無功；關鍵技術參數；優化設計

0 前言

近年來，隨著大容量、遠距離特高壓直流輸電技術的推廣應用，電網“強直弱交”問題突出[1-3]。根據特高壓直流設計的原則，直流系統在大規模輸送有功功率的同時，本身并不向系統提供無功，由此導致動態過程中需從系統中大量吸收無功，與同容量的發電機組相比，特高壓直流大規模饋入受端系統的動態無功儲備顯著下降，電壓穩定問題愈顯突出[3-6]。同時，直流逆變站在系統電壓降低時的無功電壓調節特性與常規電源相反，即在交流系統電壓降低時，常規發電機組在系統電壓下降時自動向系統增加無功，而直流逆變站將從系統吸收更多的無功，由此惡化了受端系統的電壓調節特性[7-8]。另一方面，隨著大型能源基地的開發向邊遠地區延伸，特別是風電、光伏的大規模集中開發，直流輸電送端電網薄弱、短路容量不足問題突出，直流輸送能力的提升嚴重依賴于送端火電的開機方式，直接影響了清潔能源消納和電網運行方式的靈活性；同時，直流換相失敗還會引起送端系統暫態電壓升高，嚴重情況下導致風機大面積脫網。

由此可知，特高壓直流的快速發展使電網特性發生較大變化，電壓穩定問題成為大電網安全穩定的主要問題之一，客觀要求直流大規模有功輸送，必須匹配大量動態無功補償裝置，即“大直流輸電、強無功支撐”[6, 9-12]。

除同步發電機外，目前主要的動態無功補償裝置有同步調相機、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。當系統運行受到較大擾動而導致換流站等樞紐站母線電壓大幅波動時，SVC和SVG無功補償裝置受其工作原理限制在故障過程中難以給系統提供足夠的動態無功支撐，其中SVC無功輸出能力與接入點電壓的平方成正比，而SVG無功輸出與接入點電壓成正比，且當三相嚴重不平衡時無法正常工作[13]。而同步調相機高、低電壓穿越能力強，短時過載能力大，其調節能力基本不受系統電壓影響，故障情況下具有強大瞬時無功支撐和短時過載能力，在動態無功補償方面具有獨特的優勢；同時，作為空載運行的大型同步電動機，調相機還可為薄弱的特高壓直流送端系統提供一定的短路容量和轉動慣量支撐。

同步調相機上世紀九十年代之前作為一種穩態無功調節裝置在我國電力系統有一定的應用，隨著廠網分家和SVC和SVG等靜態無功補償設備的興起與發展，因國網系統缺乏專業的旋轉設備維護團隊，近十幾年來調相機已被逐步拆除和取代。然而，隨著特高壓直流輸電導致的電網特性的改變，電壓穩定的主要問題在于故障期間動態無功支撐不足，調相機固有的無功輸出特性恰好符合故障期間電網對動態無功的需求。因此，大容量新型調相機主要是為了解決系統故障期間的動態無功支撐問題。

考慮到特高壓直流弱送端系統換相失敗引起的暫態電壓升高和短路容量支撐問題，以及特高壓多饋入受端系統對調相機快速無功調節和過載能力的要求，新型調相機的關鍵電氣參數與普通發電機或調相機必然有很大的不同。因此，如何通過參數的優化設計充分發揮調相機對系統的動態無功支撐作用就顯得非常重要。本文首先對調相機系統的主要設備進行了簡要的介紹；然后通過系統分析調相機的動態特性提煉出關鍵電氣參數；最后給出了電氣參數的優化方向和具體設計方案。

1 調相機系統主要設備選型

調相機系統包括調相機本體、勵磁系統、起動系統、冷卻系統、油系統等。

調相機本體按結構可分為凸極和隱極兩種。凸極調相機進相能力大，大多為全空冷機組，冷卻系統相對簡單。隱極調相機進相能力較差，冷卻系統一般比較復雜，常見類型為水氫氫、雙水內冷、全空冷。凸極調相機由于徑向尺寸較大，因此當容量較大時通常采用立式布置，而隱極調相機幾乎全為臥式布置。由于立式凸極調相機尺寸大，基建費用較高，在進相能力滿足系統要求的情況下大容量（100MVar及以上）調相機優先采用隱極機。

勵磁系統分為靜止勵磁系統、三機勵磁系統和無刷勵磁系統三種。靜止勵磁系統又可分為自并勵和他勵兩種，其優點在于軸系短，系統簡單，運行維護量較少，勵磁響應速度很快。對于自并勵勵磁系統，由于勵磁電源取自機端，當發電機出口或機組近區發生短路時，短路期間勵磁系統強力能力不如其它勵磁方式。三機及無刷勵磁系統的優點是勵磁系統不受電網運行狀態的影響。缺點是軸系長，易引起軸系振動，勵磁響應速度較慢，考慮到系統故障情況下對暫態無功需求的快速性，推薦采用靜止勵磁系統。

調相機的起動系統分為靜止變頻器（SFC）起動或電機拖動兩種。SFC起動時由勵磁系統建立轉子磁場，由變頻器向定子繞組供電，拖動電機轉速至同步速以上，之后同期并網完成起動。SFC起動適用于靜止勵磁系統，對大容量調相機組應優先采用。電機拖動起動時，由于所拖動的調相機轉動慣量很大，若直接拖動則起動初期相當于長時間堵轉運行，易導致電機過流損壞，因此電機通常采用降壓、變頻或液力耦合器起動等方式。電機拖動控制系統相對簡單，適用于各類勵磁系統，但增加了旋轉設備和軸系長度，加大了維護量及正常運行時的附加損耗。

調相機冷卻型式可分為水氫氫、雙水內冷和全空冷三種。總體而言，全空冷系統結構簡單，安全余度大，維護量少，檢修方便。但目前國內可生產的單機最大容量為300MVar等級。雙水內冷發電機比空冷發電機定轉子繞組溫度低，絕緣壽命高，因為端部繞組為水內冷,無需表面通風冷卻端部繞組,端部可整體注膠，線圈受力均勻，其固定和防暈效果更好。氫冷系統在冷卻效果和環境噪聲上優于空冷和雙水內冷機組，是目前汽輪發電機的主流技術，不過由于需要制氫或儲氫設備，每次起動前需要二氧化碳等氣體進行置換，對防火及維護人員要求較高，目前暫不考慮。

油系統主要為調相機軸承提供潤滑和冷卻，防止軸承干磨損壞；包括潤滑油系統和頂軸油系統。頂軸油系統主要為了低轉速下建立油膜，正常運行后退出，對200MVar及以下調相機可不設頂軸油系統。

根據以上主要設備的選型，調相機系統主接線示意圖如圖1所示。

圖1 調相機系統主接線示意圖

2 調相機動態特性研究的簡化與假設

在當前的電網結構下，穩態工況下系統并不缺乏無功容量，而故障情況下的動態無功支撐才是系統面臨的主要問題。因此，如何通過參數的優化使調相機具備更好的次暫態及暫態無功輸出特性就成為新型大容量調相機需要解決的關鍵問題。

調相機正常運行時相當于空載運行的同步電動機，動態特性研究時采用同步發電機模型，故障點之外的系統可用一個等值系統代替，網絡結構示意圖如圖2所示。

圖2 調相機網絡結構示意圖

為了便于提煉出影響調相機動態特性的關鍵參數，將其動態特性分為次暫態特性和暫態特性兩類。由于次暫態過程非常短暫，次暫態特性分析中采用發電機完全模型，但不計勵磁調節器的影響；而暫態特性分析中則忽略阻尼繞組和定子繞組暫態的影響。

3 調相機動態無功特性及其關鍵參數

3.1 動態無功的主要影響因素

調相機向系統提供的無功功率為：

按照發電機參考方向的慣例并忽略定子繞組電阻，調相機電氣相量關系如圖3所示。

圖3 調相機電氣相量圖

系統故障時的無功增量如下：

（3）

3.2 次暫態無功特性及關鍵參數

按照原始Park方程推導出的不計勵磁系統條件下，發電機機端短路時的定子電流表達式如下[14]：

其中，E為q軸感應電動勢；i和i為定子電流d、q軸分量；U0為短路前的機端電壓，U0和U0為U0的d、q軸分量；為短路前發電機功角；為d軸次暫態電抗；為d軸暫態電抗；X和X為d、q軸穩態電抗；為 d軸次暫態短路時間常數；為d軸暫態短路時間常數；為反映定子繞組暫態的時間常數，對應于abc系統中定子非周期電流分量衰減時間常數；為調相機電角速度。

按照疊加原理，發電機機端短路時相當于在短路點施加一個反向的電壓－U0。假設系統發生故障時，升壓變高壓側母線電壓由0突然跌落至，則相當于在高壓側母線處施加一個電壓。如果將從機端看出去的等效系統阻抗當成調相機定子漏抗的一部分，則參照（4）可得不考慮勵磁系統條件下，次暫態過程中調相機定子電流增量表達式如下：

由式（5）可知，Di中包含穩態分量、直流衰減分量和交流衰減分量。考慮到，無功電流的瞬時增量約為，之后直流分量以和的時間常數衰減至穩態值；交流分量初值約為0，最初幅值，之后以的時間常數由衰減至零。

由式（3）可知，電網故障時調相機向系統提供的瞬時無功如下：

此外，由于交流分量在一個工頻周期內的平均值接近為0，難以對系統進行有效的無功控制，且會造成無功波動，從系統角度來看其衰減時間常數越小越好；而直流分量的衰減常數較大表明次暫態過程衰減較慢，有利于故障初期的無功支撐。而對應于暫態過程的時間常數在考慮勵磁系統后將有很大的不同，在3.3節中進行分析。其中和均受到主變短路電抗及系統等效阻抗的影響，不便開展優化。

3.3 暫態無功特性分析及關鍵參數

3.3.1 包含勵磁系統的調相機暫態模型

為了簡化分析，調相機暫態特性分析中忽略阻尼繞組和定子暫態過程，簡化后的調相機d軸方程如下[15]：

（8）

將式（8）寫成增量方程并進行拉氏變換可得

（10）

其中

（12）

3.3.2 小擾動工況暫態特性分析

為了簡化分析，對靜止勵磁系統采用簡單的慣性環節描述如下：

（14）

將式（13）、（14）代入式（11）可得：

（15）

由此可得：

（17）

將式（18）代入式（9）可得：

其中

（19）

式（18）第一項是由勵磁系統引起的增量；第二項是忽略阻尼繞組和定子暫態所對應的瞬時電流增量，本節不再討論。由式（9）可知，電流增量與正相關，即電壓降低，電流增大。由卷積定理可得到時域內的表達式如下：

式（20）中*為卷積符號，其中：

（21）

（22）

其中T是一個大于的正數。

3.3.3 強勵動作期間暫態特性分析

若不計發電機飽和，則勵磁感應電動勢與勵磁電壓成正比，對自并勵機組，忽略換相壓降，強勵時的勵磁電壓與機端電壓和強勵倍數成正比；因此系統嚴重故障導致電壓大幅跌落時，強勵對應的最大勵磁感應電動勢可表示如下：

（24）

（25）

其中

將式（24）~（26）代入式（9），整理后可得：

（27）

其中

根據2.3節提供的方法對各電氣參數開展靈敏度分析可知，強勵動作期間，始終小于零，始終大于零，表明增大強勵倍數和降低在整個暫態強勵過程中均有利于提高調相機無功支撐能力。而強勵初期，，強勵后期，，表明增大或減小在強勵初期有利于增加無功輸出，但對強勵后期的無功輸出不利。

4 關鍵參數技術要求及優化設計

4.1 電抗參數的技術要求

由以上分析可知，調相機的無功輸出特性主要取決于其d軸參數。其中次暫態無功輸出的關鍵在于和，兩者之和越小其瞬時無功響應特性越好。

暫態無功輸出特性不僅與故障的嚴重程度有關，且在不同階段對調相機參數的要求也有所不同。通常情況下減小X有利于提高調相機暫態無功輸出，但在電壓大幅跌落致強勵動作的初期，過小的X對暫態無功的輸出有一定的抑制作用。強勵期間或小擾動初期，減小有利于提高暫態無功的輸出，然而在小擾動后期，則對暫態無功輸出有不利影響。由于調相機主要是為了應對嚴重故障而設，減小對小擾動后期的不利影響可以忽略，因此盡可能降低是合理的。

此外，調相機穩態無功輸出能力則主要取決于X，由i=(E-)/(X+X)可知，X越小其最大穩態無功輸出（對應于最大的E）和進相能力（對應于E= 0）越大。

綜合以上因素并結合設備廠家的設計制造能力，建議大容量新型調相機d軸次暫態電抗應不大于0.14；d軸暫態電抗宜不大于0.18；應在不大于1.8的基礎上根據系統實際進相需求進一步降低。

4.2 電抗參數的優化設計

需要指出，調相機參數的優化還受到其他條件的制約，如額定電壓確定的情況下，減小定子串聯匝數和增大氣隙必然使勵磁電流或機組體積大幅增加，由此帶來轉子發熱和制造成本增加的問題。同時，和的減小會導致突然短路電流時端部電磁力的大幅增加，因此，各部件的機械結構還需要進行優化設計。

4.3 時間常數的技術要求

而當系統發生嚴重故障導致強勵動作時，調相機暫態響應時間為。由式（28）可知，當電抗參數確定后，主要由強勵電壓標幺值決定。當電壓跌落時，不同強勵倍數下的約為0.25~0.5；電壓升高反向強勵時，為負，，即暫態響應時間。因此，電壓大幅跌落時暫態無功響應時間主要取決于d軸開路暫態時間常數，而電壓大幅升高時暫態無功響應時間主要取決于d軸短路暫態時間常數。為此，綜合考慮電機廠設計制造能力，建議大容量新型調相機的宜不大于8s，而應不大于0.95s。

4.4 時間常數的優化設計

4.5 其他附屬系統技術要求

根據之前的分析，除調相機本體參數外，提高勵磁系統放大倍數有利于提高小擾動工況下的暫態特性，提高強勵倍數有利于提高調相機嚴重故障下的暫態無功特性。建議勵磁系統放大倍數提高至3.5倍，并適當提高調相機轉子的絕緣水平。

5 結論

為了確保大容量新型同步調相機在特高壓直流輸電嚴重故障下能對系統提供強大的動態無功支撐，本文通過系統分析調相機動態無功特性并結合當前設計制造水平，對影響調相機動態特性的關鍵技術參數提出了如下要求：

（3）提高勵磁系統強勵倍數至3.5倍；

結合電機設計和制造工藝，對調相機本體參數的優化設計措施提出如下建議：

（3）通過減小電樞反應電抗和勵磁繞組漏抗，或增大勵磁繞組電阻來優化，而優化的關鍵在于盡可能減小和，具體措施如前所述。

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Key Technical Parameters and Optimal Design of New Types of Large Capacity Synchronous Condenser

LI Zhiqiang1, JIANG Weiyong2, WANG Yanbin3, LI Wenfeng1, LI Chaoke4, XIAN Zhelong5

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 3. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China;4. Dongfang Electric Corporation Dongfang Electric Machinery, Deyang 618000, China;5. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai Generator, Shanghai 200240, China)

As new types of large capacity synchronous condensers are designed to satisfy the strong demand of dynamic reactive power support for power system, which is brought about by large-scale development of the ultra high voltage direct current (UHVDC) transmission, the electrical parameters must be different from the traditional condensers used for steady-state reactive power compensation. Through systematic analysis of the effect of electrical parameters on transient and sub-transient characteristics of synchronous condensers, key technical parameters and measures for optimizing the dynamic performance of synchronous condenser are induced, i.e. reducing the direct axis sub-transient reactanceand the transformer short-circuit reactanceas far as possible, decreasing the direct axis unload and short circuit time constant ofand, increasing the ceiling voltage of exciting system to 3.5 times. Meanwhile, specific suggestions for optimal design of synchronous condensers are proposed as well.

synchronous condensers; dynamic reactive power; key technical parameters; optimal design

TM342

A

1000-3983(2017)04-0015-08

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)；國家電網公司2014年基礎性前瞻性科技項目(XT71-14-006)。

2016-11-17

李志強（1978-），2009年畢業于華北電力大學電機與電器專業，現從事電力系統建模及參數辨識方面的研究，博士，高級工程師。

王彥濱（1962-），就職于哈爾濱電機廠有限責任公司，從事大型汽輪發電機技術工作30余年，先后擔任設計工程師，副總設計師，副總工程師，總專業師。（通訊作者）