新型大容量調相機原理及運行控制

蘇東亮 鄧化運

（山東中實易通集團有限公司，濟南 250000）

0 引言

隨著大容量、遠距離特高壓交直流輸電技術的推廣應用，“強直弱交”問題進一步突出，電網、電源、負荷的交互特性更加復雜，大功率缺額情況下的區域電網穩定控制能力面臨更高要求，電壓穩定將成為大電網安全穩定的重點問題之一，現階段也有將換流站模擬為同步發電機的柔性直流輸電理 論[1-7]。新型大容量調相機作為換流站（變電站）大容量動態無功支撐設備，契合國網公司“大直流輸電、強無功支撐”的發展方向，其控制策略貫穿整個運行過程，直接影響其運行的安全性、可靠性及經濟性。

1 新型大容量調相機原理分析

因現階段電網電壓近似于恒定值，調相機穩定運行工況下，可將其有功功率Pem假設為恒定[8-11]。現階段調相機運行時電樞電阻損耗與其容量相比非常小，當同步電動機運行在恒壓電網中且電樞電阻損耗忽略不計時，其有功功率Pem計算如下。

由

可得

式中：m為固定系數可近似為1；Pem、P1均為有功功率；U為定子電壓；I為定子電流；E0為電動機電動勢；θ為電動機功角；cosφ為電動機功率因數；Xt為電動機電抗；j(E0/Xt)sinθ為電感電流的有功分量。

因假設Pem為常數，且電動機電壓U、電流I及電感電流的有功分量j(E0/Xt)sinθ均可視為常數，可得

此時電動機相量圖如圖1所示（圖中 tjIX˙ 為電感電壓），因勵磁電流與電動勢E0成正比，改變其勵磁電流可調節調相機收發無功功率的大小。

圖1 同步電動機相量圖

當調相機功率因數cosφ=1時電樞電流全部為有功電流。根據φ的變化及式（4），可得調相機無功功率為

式中，Qem為調相機無功功率。

當其欠勵運行時功率因數角φ滯后，等效為感性負載，從電網吸收滯后無功。當其過勵運行時功率因數角φ超前，等效為容性負載，從電網吸收超前無功。

同步電機在有功功率恒定，勵磁電流變化時電 樞電流I隨勵磁電流If變化的曲線為典型的 V形曲線，如圖2所示，曲線最低點對應一定機端電壓時同步電機空載狀態。

圖2 同步電動機 I =∫(I f )曲線

對于調相機而言，因其軸功率交換幾乎為零，所以定子電流中有功分量很小，損耗遠小于電動機的磁阻損耗，與容量相比可以忽略，可認為Pem≈0、 功角θ≈0，即圖2中趨向于最下方曲線。 此時，過勵工況下電流超前電壓約90°，欠勵工況下電流滯后電壓約90°，相量圖由圖1逐漸變為圖3。因調相機在現階段電網環境中具備以上特性，可通過其勵磁系統控制勵磁電流作為主要手段，調節電網無功功率。

圖3 調相機相量圖

新型大容量調相機投運的主要目的為增加電力系統無功儲備，當電網系統故障時提供有效的電壓支撐。為此它必須具備收發無功調節范圍大、電壓支撐能力強、反應迅速等特點。

調相機內部電動勢E0為

式中：f為調相機當前頻率；Ne為調相機定子繞組匝數；Kp為節距因數（由電動機本體確定）；φm為每極磁通。

為保證調相機容量及電壓支撐能力滿足現階段需求，主機本體相關參數整體大幅增加；為保證其快速響應能力，每極磁通φm需升至較高數值，即調相機轉子應具備承受較高勵磁電流的能力。新型大容量調相機在無功容量、暫態特性、智能程度、冷卻性能等諸多方面遠超傳統調相機。

2 新型大容量調相機的運行控制探討

作為特高壓直流調相機配套工程所采用的新一代調相機組，需要滿足“暫動態特性好、安全可靠性高、運維方便”等特性[12-14]。為滿足以上特性，新一代調相機控制策略按運行工況分為三階段：起動階段、運行階段、停機階段。現以上海電機廠國內首臺送端調相機與哈爾濱電機廠國內首臺受端調相機廠內聯調試驗及山東某調相機工程為例，改進優化三階段控制策略，分析三階段技術難點或注意事項。

2.1 起動階段

起動階段勵磁系統主要功能為：他勵模式為靜止變頻器（static frequency converter, SFC）拖動工況下的調相機提供勵磁電源[15-16]。調相機起動階段流程如圖4所示，起動勵磁收SFC“起動勵磁開機令”后進入電流閉環模式，發“起動勵磁他勵電源開關合閘令”“起動勵磁隔離開關合閘令”“起動勵磁滅磁開關合閘令”；確認以上開關反饋正確后延時1s進入開機狀態，發脈沖并計時；根據SFC發出的“模擬量控制信號”增磁，并拖動調相機轉速至3 150r/min后切除SFC設備，繼續增磁；當給定值升至約25%額定機端電壓，即0.25Uem時分散控制系統（distributed control system, DCS）發開機令，主勵磁起動繼續增磁同時退出起動勵磁；在判斷起動勵磁完全退出后主勵磁增至額定并切換為系統電壓跟蹤控制模式，進入墮速并網工況。勵磁系統維持系統電壓跟蹤模式，保持機端電壓與系統電壓幅值相同，調相機轉速因SFC退出失去動力源而緩慢墮速至3 000r/min。同期裝置檢測到機端電壓與系統電壓的電壓差、相位差、頻率差均在設定值內發出“并網開關合閘指令”，調相機并網成功。若因特殊原因導致錯過并網窗口，則進入快速再起動流程，待機端電壓降至設定值后SFC再次投入并重復上述流程，拖動調相機至3 150r/min后退出，勵磁系統增磁至額定機端電壓，調相機墮速并網成功。在上述快速再起動流程中為縮短應急響應時間，SFC再次投入并起動拖動功能不受當前機組轉速制約。

圖4 調相機起動階段流程

調相機起動階段技術難點或注意事項有四點：

1）起動勵磁與主勵磁切換。起動勵磁功能為SFC拖動階段提供勵磁電流，勵磁能力較弱。主勵磁為機組建壓至額定及正常運行階段提供勵磁電流，勵磁能力較強。起動初期，起動勵磁運行，主勵磁退出，起動后期，主勵磁運行，起動勵磁退出，兩者存在銜接問題。現階段根據勵磁廠家不同有兩種銜接方式：串聯切換與并聯切換。從起動階段穩定性考慮推薦并聯切換，即SFC拖動階段初期起動勵磁提供勵磁電流穩定增加，機組轉速升至設定值后主勵磁起動穩定升壓，因起動勵磁與主勵磁輸出端均配置防止勵磁電流逆流裝置，主勵磁電壓大于起動勵磁電壓時調相機平穩過渡為由主勵磁提供勵磁電流，此時起動勵磁退出。相較于串聯切換，并聯切換較為平穩。

2）調相機中性點接地電阻柜接地開關與SFC配合。起動初期必須將中性點接地開關分閘位置作為SFC起動的允許條件，并將“SFC已退出”作為中性點接地開關合閘的允許條件。因起動初期大軸轉速近似為零，SFC輸出電壓頻率也近似為零，若中性點接地開關處于合閘狀態將導致頻率近似為零的定子電壓經調相機定子繞組與中性點接地電阻柜直接接地，不利于SFC安全運行。

3）SFC送至勵磁調節器的“模擬量給定值信號”必須整定合適并經試驗驗證。此信號一般為4～20mA模擬量，SFC側與勵磁調節器側信號量程必須整定一致。起動階段調相機定子電壓與轉子電流均需同步穩定增加。為保證調相機升速階段穩定可控，實際升速過程以SFC為主，勵磁系統跟蹤SFC發出“模擬量給定值信號”，經電流環實時調節轉子電流幅值。

4）轉速升至大于620r/min時頂軸油泵自動停運。

起動階段勵磁系統控制策略主要有兩種，起動初期主要為恒勵磁電流控制，墮速并網時改為恒電壓控制。第一種，恒勵磁電流控制主要為滿足SFC系統拖動需求，起動勵磁系統根據SFC發出的“模擬量給定值信號”采用電流閉環控制，恒定調相機內部磁通，此時其內部電動勢E0如式（8）所示。第二種，恒電壓控制主要為滿足墮速并網需求。此時SFC已退出，機組頻率緩慢下降，調相機與系統相位差因頻率差存在做持續圓周運動，直接控制此變量難度較大。恒定機端電壓后并網判據變量近似為只剩頻率，在頻率墮入并網窗口時只需等待相位差落入并網區間則具備“并網合閘指令”開出條件，實現調相機自動同期并網。

2.2 正常運行階段

調相機并網后，在系統電壓穩定時勵磁系統主要以電壓閉環調節為主。穩定機端電壓，根據系統需求通過式（7）、式（8）調節勵磁給定值控制調相機收、發無功功率Qem大小。在系統發生電壓跌落或突增時快速調節無功功率Qem實現穩定系統電壓的功能。期間勵磁系統保護限制與正常發電機組類似，通過V/Hz限制、欠勵限制、過勵限制、定子電流限制等保證勵磁系統安全穩定運行。因調相機設計理念為具備快速大量收、發無功的功能，勵磁系統承受過勵的能力在設計上要遠大于普通發電機組。調相機廠內聯調中，通過墮轉法從3 300r/min墮速增磁至3.5倍額定定子電流，15s后墮轉至2 871r/min測得定子繞組溫升符合要求；轉子繞組反接狀態額定轉速與勵磁電流工況下機組溫度穩定后，增磁至2.5倍額定勵磁電流，持續15s后測得轉子溫升符合要求，采取一系列措施停機后測得轉子繞組絕緣電阻不低于50MΩ。以上為3.5倍15s額定定子電流過負荷試驗與2.5倍15s額定轉子過電流試驗，由此可見新型調相機相較發電機組及傳統調相機具有強過負荷與強勵能力。

2.3 停機階段

停機階段分為正常停機與事故停機。正常停機流程如圖5所示：DCS發“無功歸零指令”；主勵磁調節器將無功輸出Qem調節至0，發“無功減載完成”反饋；DCS接受反饋后分并網開關；主勵磁調節器檢測到并網開關分斷后進入空載狀態；DCS發“主勵停機”令；主勵磁調節器逆變滅磁后分滅磁開關。

圖5 調相機正常停機流程

事故停機流程如圖6所示：對于主勵磁運行工況，保護停機令發出后，聯跳滅磁開關與并網斷路器，同時主勵磁逆變封脈沖；對于起動勵磁運行工況，勵磁系統收到SFC跳閘令或保護跳閘令后跳起動勵磁滅磁開關，同時起動勵磁逆變封脈沖，然后分起動勵磁隔離開關與他勵電源開關。

圖6 調相機事故停機流程

調相機停機階段技術難點和注意事項有兩點：

1）墮速過程中的交流阻抗測量，此試驗依據機組狀況按需進行。新型大容量調相機與發電機組及傳統由火電改造的調相機的不同點之一為，無法在勵磁退出的工況下維持轉速穩定在某一數值。只能在墮速工況下測量其在不同轉速的轉子交流阻抗和功率損耗，經試驗驗證有兩種可行的測量方法。一種為進入墮速工況，已完善防起勵措施后在轉子施加穩定電壓，實時記錄轉子外加交流電壓、電流計算功率及阻抗。另一種為進入墮速工況，已完善防起勵措施后使用交流阻抗測試儀自動測量功能測量某一轉速區間不同電壓下的功率損耗及阻抗，在操作熟練的前提下所測量數值與第一種一致。

2）轉速降至小于620r/min時頂軸油泵自動起動。

3 結論

利用新型大容量調相機吸收或發出大量無功且無功數值能夠快速連續調節的特性，可為電網提供大容量無功備用，有效提高電網穩定性、運行性能及效益，有效緩解電網系統故障時對電壓支撐的需求。本文分析了調相機無功控制原理，結合實際工程探討其在三種不同工況下的控制策略及技術難點、注意事項。現階段大容量調相機也存在諸多不足與缺陷。比如，調相機作為可以連續、大量、快速調節無功的設備與其他無功調節設備及直流輸電設備間的配合，有待進一步探討。