大型调相机励磁与无功电压协调控制策略探讨

吴跨宇，房 乐，卢岑岑，沈轶君

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

随着华东电网大量特高压直流输电系统的投运和外来电比例的快速提升，特高压交直流混联、大容量直流多点馈入的受端电网运行模式日渐成形。特高压直流站的运行特点、稳定需求和运行风险对电网稳定控制的要求和影响日益显著，保障特高压直流站的安全、稳定、可靠运行已成为影响电网运行的关键因素。

特高压直流站与馈入交流电网在无功电压方面的相互影响主要表现为2个方面：

（1）发生直流故障闭锁时无功需求的巨额突变过程及站用无功补偿装置投切的动态过程会引发系统电压大幅波动，伴随着大额有功潮流调整，会对电压稳定形成威胁[1-3]。

（2）换流站临近交流系统的故障尤其是短路、接地等故障引发系统电压大幅跌落时，会导致直流系统换相失败，严重情况下多次换相失败会最终导致直流闭锁[4-7]。

因此，特高压直流系统自身运行过程需要大量的静态无功功率支撑外，在交直流系统故障或异常运行过程更需要快速、大额的动态无功支撑才能保障换流站和所在交流电网的安全、稳定、可靠运行[8-10]。

近年来，随着技术发展，原先电网中广泛采用的调相机无功补偿和支撑方式已被电容/电抗器和电力电子动态无功补偿设备所替代。虽然其具有响应速度快、运行维护简单等优点，但是其补偿和控制能力也存在抗冲击和过载能力差、电压跌落后无功补偿能力明显下降等不足[11]。调相机属于同步电动机，除了具备较强短时过载能力以外，电网电压跌落时同步电动机特性会瞬间增加无功输出。再加上配套励磁系统自动、快速强励，同步调相机具有容量大、过载能力强、暂态性能优、可控性好等明显优势，尤其适用于特高压直流站宽泛、巨额、快速的无功支撑需求[8-11]。因此，虽然调相机也存在运行维护工作量大、投资高、增加系统短路电流等问题，但国家电网公司已经开始在多个特高压直流站开展调相机工程建设。

调相机虽属同步电动机，但是其运行特性、控制目标和控制策略方面与常规同步发电机组存在明显差别。调相机没有发电机组的调速系统，其并网运行后本质上是一台不带机械负荷的同步电动机。因此，其所有电气运行性能均由励磁系统进行控制，调相机励磁控制策略的优劣直接决定了调相机的无功调节能力和控制支撑性能。以下针对调相机与常规发电机组运行特性差别，分析调相机励磁控制特点，提出调相机励磁的控制策略建议。

1 调相机励磁控制特点分析

1.1 调相机励磁形式与电网接入方式

为了充分发挥调相机对换流站的无功电压支撑容量和快速性，目前典型设计的换流站均配置两台调相机[12]。调相机在并网运行后采用调节速度快、可控性强的自并励静态励磁系统[8]。与常规发电机类似，2台调相机出口端电压一般为20 kV，分别经变压器升压后经交流开关串接入换流站500 kV交流母线。同时，交流母线上还同时接有大量的交流滤波器、并联电容器组以及交流送出线路。接线方式如图1所示。

1.2 调相机与常规发电机组区别

调相机本质上是一台带励磁控制的无机械负载同步电动机，其从电网上吸收少量有功功率以克服机械损耗和电机铜耗、铁耗。同时，通过调节转子励磁来调节机组机端电压进而控制机组的无功功率。

目前，大型调相机一般通过现有的汽轮发电机组更改设计而来，主要针对调相机在无功响应速度、定转子过载能力和进相运行能力等方面进行调整和加强，电气参数变化主要体现在电机短路比、暂态时间常数、瞬态和超瞬态电抗、转子强励电压和强励电流水平、定转子过负荷能力等。

常规同步发电机励磁系统主要控制机组励磁电压、励磁电流、机端电压和无功功率，主控制环运行控制逻辑与机组有功功率、定子有功电流等有功相关电气量关系不大。调相机励磁需要调整的主要是低励限制、定子过电流限制、最小励磁电流限制、功角限制、电力系统稳定器等与有功功率或有功电流分量相关的控制功能。

另一方面，调相机的运行特性和系统设计目标主要有：

（1）加宽机组无功运行范围。

（2）加快无功功率控制响应速度。

（3）提升机组无功功率过载能力。

因此，相对于常规发电机组，调相机励磁控制的差别主要体现在与前述三个方面有关的控制功能。具体来说，与无功控制范围相关的主要是低励限制等功率相关限制功能，与控制速度相关的主要是AVR（电压控制模式）主控制环及调差等附加控制及整流桥触发角范围等，与过载能力相关的主要是顶值限制、过励限制、定子过电流限制、过磁通限制等过热相关限制功能。

2 调相机主要励磁控制策略

2.1 励磁AVR控制

目前，随着励磁控制数学模型的规范化，自并励励磁AVR（电压控制模式）一般采用2种统一的控制模型，即并联PID控制与串联PID控制，其中前者为无差调节，后者为有差调节，2种模型总体控制性能接近，均可以满足调相机励磁控制需求。虽然调相机与同步发电机励磁控制在AVR主环控制功能上类似，但是调相机对无功电压的控制响应速度和幅度均有较高要求。因此，为提高调相机无功功率响应速度、充分发挥调相机高倍数强励电压的优势，AVR可以在保证控制稳定裕度前提下采用较大的静态放大倍数，必要时可以采用励磁电流反馈、PSVR（电力系统电压调节器）等附加控制，以保证在母线电压幅波动时励磁系统及早达到强励顶值电压输出，提升响应速度、增强支撑力度。

2.2 调差功能配置与参数整定

常规发电机组励磁系统正调差主要用于机端并列机组的无功稳定分配，防止机组抢无功而振荡。励磁系统负调差主要用于等效补偿单元接线机组的主变压器短路电抗，用于提升机组无功响应能力和系统电压支撑能力。

同站2台调相机采用升压变升压后在500 kV交流母线并列的单元机组接线方式，已有资料显示，升压变电抗约为15%。因此，励磁调节器应通过负调差设置来达到母线电压波动时更大的无功响应幅度目的，即当系统母线电压跌落时，励磁控制系统除控制机组电压在给定值以外还会额外提供一个附加给定于AVR，用于间接提升系统母线电压，反之亦然。因此，调相机应投入负调差功能。

根据已有资料，典型调相机视在功率为412 MVA，额定无功功率为300 Mvar，则当机组达到额定功率时其无功标幺值为300/412=0.73。当负调差分别设置为-5%与-7%时，附加电压给定分别为3.65%和5.11%。考虑到机组电压运行范围不超越额定值的±5%[13]，推荐负调差为-7%～-5%范围。并网点等效调差（忽略主变与电机容量偏差）为+8%～+10%，可以防止过度补偿导致2台调相机之间出现无功振荡，保持机组稳态分配稳定的同时加强了调相机与系统的电气联系。

2.3 调相机励磁限制功能配置

如前所述，调相机本质上是一台并网运行的同步电动机，有其正常运行区间限制。因此，调相机依然需要配置相应的励磁限制功能以保障电机在超过运行区间时，励磁系统能控制电机回到正常运行区间运行，安全前提下保持电机持续在线运行。

调相机励磁主要应配置低励限制功能、V/Hz限制功能、定子过电流限制功能和转子过电流限制。其中，V/Hz限制与常规发电机励磁一致，应采用与电机过磁通能力相匹配的反时限限制特性。励磁电流顶值限制、转子电流反时限限制即过励限制与常规发电机励磁配置一致，区别在于调相机具有较高的强励倍数和持续时间，其定值需要根据机组设计参数配套整定。

2.4 调相机励磁的低励限制功能

同步电动机无功进相过深会导致机组功角δ增大，极端情况下可能导致机组失去静稳。机组过度进相运行后会导致电机端部发热，长时间过度进相会发生因发热而破坏端部绝缘。同时，机组进相运行过程与机端电压相关，如果机组的进相运行是由于机端电压过低而非系统电压过高导致，则过度进相可能影响厂用电电压。但是调相机的厂用电来自于站用10 kV系统，而调相机制造厂针对调相机进相运行需要而对端部绕组进行了加强设计，提升其过热承受能力。因此，影响调相机低励限制的因素主要是与功角相关的静稳极限。

常规发电机组低励限制曲线一般由多点折线描述，整定定值单常用的五点折线限制曲线如图2所示。机组允许进相深度与发电机有功功率成反比，机组有功功率越小，允许的发电机无功进相越多。

当串联电阻忽略时，发电机经线路与无穷大母线相联的简化功率传输公式如式（1）所示。

式中：Xd为等效电抗；V为系统电压；Pe为发电机功率，接近于0；Eq则由发电机励磁控制，其大小与电机无功功率相关。

可见发电机功角主要与发电机有功功率、内电势Eq、系统电压和阻抗相关。因此，调相机功角δ与Eq直接相关即与无功功率直接相关。

调相机并网运行时，本质上是一台不带机械负荷的同步电动机，其消耗的有功功率主要是机械损耗和电机的铜耗、铁耗，其占机组容量1%左右。因此，调相机励磁的低励限制可以近似为不考虑有功功率的一个无功进相能力点，即如图2所示的QT。当机组进相无功大于该点时需要励磁系统增加励磁电流即电机Eq，来实现低励限制功能。

存在一个特例是，当调相机设计为可以长时间无励磁电流运行时，则其励磁系统无需配置低励限制功能。但应进行调相机现场进相试验实测获取励磁电流与进相无功、机组功角等的特性关系。确保机组无励磁运行时的功角远离静稳极限角，且机组端部发热在允许范围内。

图2 低励限制曲线

2.5 调相机励磁的定子电流限制

调相机设计的目的是提供最大的进相和滞相无功运行范围。因此，不论进相还是滞相运行，定子均可能出现因过无功而过电流的运行工况。不同于常规发电机组，调相机有功功率接近0，其定子电流主要成分为无功电流。因此，当出现定子过电流时，不需要考虑在功率因素接近1时的控制稳定性问题，但仍需考虑进相和滞相运行时的励磁电流控制方向问题。调相机定子过电流限制同样应遵循GB/T 7064的运行规则，即采用反时限限制公式：

式中：I为过电流倍数；t为过电流时间，适用范围为10～60 s；37.5为标准规定的最小定子热容量，实际定子过电流限制的热容量设定值应根据调相机设计值整定。

3 调相机无功电压协调控制策略

3.1 调相机无功电压协调控制需求分析

如前所述，直流换流器工作时需要消耗大量无功功率，根据相关研究，输送容量8 000 MW的±800 kV换流站需要消耗无功功率约4 000 Mvar[1]。其运行过程的无功基荷及其调整应由站用无功补偿装置即电容器组投切方式来满足。调相机作为快速无功支撑源，主要承担系统电压异常波动过程中的快速无功调节和电压支撑。因此，正常运行时，调相机应尽量轻负荷运行，留足备用调节容量。

采用自并励励磁方式的调相机并网运行时，励磁控制应置于恒机端AVR即通过实时控制励磁整流桥输出励磁电压来控制电机机端电压在设定值上，其控制的响应时间一般在数毫秒到数十毫秒，其基本原理如图3所示。

图3 励磁系统控制原理

正常运行时，励磁控制器通过检测发电机电压、电流和励磁电压、励磁电流等运行工况，计算出实时控制变量Uc，转换成角度脉冲后触发整流桥，实现整流桥输出电压控制继而实现发电机转子电流和机端电压控制。系统电压出现波动时，励磁系统通过跟踪机端电压给定值来快速调节励磁系统输出即发电机无功功率，保持交流母线电压稳定。当系统因短路等故障出现大幅电压跌落时，AVR可以自动实现强励有力提升交流母线电压，大大降低直流换相失败概率，实现故障过程的电压支撑。

如前所述，调相机正常运行时承担系统无功备用和快速无功调节功能，其无功容量不应用于换流站无功基荷。但是调相机励磁在AVR模式时，随着系统电压的波动，电压给定值Uref不变时励磁系统会实时调节机组无功输出。系统电压较低时，调相机会大量发出滞相无功，系统电压较高时，则吸收大量进相无功，从而丧失备用容量。因此，调相机的无功功率运行工况应由一个无功外环控制来实现与AVR协调控制，共同实现电压支撑和稳态无功工况调节。

3.2 调相机无功外环设计方法

从安全和并行控制角度考虑，工程上机组无功功率外环一般采用增减磁方式调整机端电压给定值进行调节，而不采用直接更改电压给定值的危险方式。增减磁命令根据上层控制系统设置可以来自于AVC或站域监控系统，实现站域无功功率的优化协调，也可以是运行人员根据需要在监控台手动发命令调节。

无功功率外环在时间尺度上应与AVR进行区分，励磁系统目前控制周期一般为3.3 ms，励磁电压响应时间不大于0.1 s[14]，其定位在暂态控制时间尺度。为避免无功控制外环频繁调节影响机组稳定运行甚至在暂态过程出现无功反调，影响调相机暂态支撑性能，无功外环应定位为稳态控制时间尺度，其控制周期建议在10 s至分钟级时间尺度上。

无功外环可以有2种方式：

（1）采用常规电厂的AVC系统方式，其与换流站的无功电压综合控制系统进行融合。通过换流站监控系统给励磁系统发分钟级的增减磁脉冲命令，控制调相机稳态无功运行区间，当调相机稳态运行无功绝对值较大时进行无功置换控制，实现站域无功电压优化。

（2）在励磁控制器接收无功功率运行参考值，在其内部控制实现电压内环与无功外环结合的方式，其基本原理如图4所示。

在传统AVR模型的基础上，增加无功功率给定Qref，通过当前运行无功与给定值比较得出无功功率偏差。根据无功偏差综合考虑系统阻抗、机组调差系数后计算得到机端电压偏差值ΔUref，如式（3）所示。其中，系统阻抗Xt可以采用预设值基础上的运行过程辨识优化获得。将ΔUref偏差值换算成脉冲个数（或脉宽），并经过一个数秒级间隔时间的脉冲序列发送至AVR给定进行积分，即通过缓慢调节AVR给定的方式来控制机组稳态无功功率。

图4 无功电压综合励磁控制原理

需要注意的是，这种基于AVR的无功外环方式需设置合理的无功偏差死区和较大的控制延时时间避免频繁调节。同时，需要采取其他附加条件判定、闭锁无功调节逻辑等结合的方法，以避免励磁系统强励等异常运行工况下的无功反调问题。当运行人员需要手动调节调相机运行电压和无功功率时，其增减磁操作可以直接作用于增减无功功率给定值Qref或电压给定值Uref。从而综合实现暂态自动电压控制、稳态自动无功控制和运行手动控制三者有机融合。

4 结语

针对调相机与常规发电机组设计和运行的不同特点，结合换流站无功电压综合控制需求，分析了调相机励磁控制策略与常规发电机组的差别，提出了调相机励磁主控制环和主要励磁限制功能的配置方法和参数整定原则。

针对调相机不带换流站无功基荷的运行要求，提出了采用恒机端电压内环和恒无功功率外环的综合控制思路，既保证了暂态过程调相机的无功电压调节支撑能力，又提供了站域无功优化协调控制的手段。此处提出的励磁控制策略和无功电压协调控制策略可以供换流站调相机设计、制造和运行过程参考。

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