大容量调相机动模试验平台构建方法及其应用

谭 闻

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663）

0 引言

目前，我国各大区和独立省网的互联已进入实施阶段，利用直流输电作异步联网在技术、经济和安全性等方面的优势已在世界范围内得到证明[1－5]。为了支撑常规直流换流站正常换相，需要消耗大量的无功功率，其主要靠换流站内静止无功补偿装置提供。然而当电网系统出现区外故障等大扰动时，直流换流站吸收的无功功率需求显著增加，但是静止无功补偿装置出力反而随着电压下降而减小，将导致电网局部动态无功补偿能力不足，电压失稳风险大幅增加。与静止无功补偿装置相比，同步调相机无功补偿容量大，即使在电网电压下降的情况下，调相机的励磁系统也能够自动调节实行强行励磁，可持续向系统提供无功功率[6－9]。随着公司电网“强直弱交”问题的日渐突出，加快推进大型调相机在特高压直流工程送端和受端电网的部署进程，对改善特高压交直流混联电网的电压稳定和动态无功支撑能力具有重要意义[10－12]。

调相机组在启动方式和励磁控制方式上与发电机组存在差异，其启机保护、失磁保护、定子接地保护等方面均具有特殊性，已有的发变组保护测试技术不适用于大容量调相机组保护[13－14]。目前国内尚不具备对调相机组保护装置进行试验的条件，为了掌握高压系统接入大型调相机后系统特性，研究调相机保护的适应性，确定调相机保护的配置方案，以及接入调相机后对其他保护的影响，需要开展调相机动态模拟试验技术研究。通过开展调相机动态模拟试验技术研究，根据系统典型接线方式建立调相机组保护动模测试平台，可以模拟调相机的不同运行工况以及不同故障类型，为调相机组保护的设计和配置提供技术依据。

以下具体分析调相机建模的必要性，探讨了调相机保护测试技术，并搭建了调相机动模测试平台，可用于开展调相机保护功能的测试。

1 总体要求

对调相机故障特性的模拟可采用数字仿真和动模仿真2种方式。数字仿真存在的主要问题是物理概念不够直观，同时对各电气元件数字暂态模型的准确性要求较高，譬如，变压器和互感器等非线性元件的饱和特性、调相机内部及外部系统所引发的故障暂态过程、电力电子器件的动态控制响应特性等，其实现难度较大，难以支撑调相机的保护分析与论证。

动态模拟技术是开展电网控制保护试验研究和参数验证的重要手段，电力系统动态模拟试验技术是根据相似原理，采用与原型系统具有相同物理性质的模拟元件，把实际电力系统的各个部分按照相似条件设计、建造并组成一个电力系统模型，模拟电力系统的各种运行情况，用以代替实际系统开展各种正常与故障状态的试验研究。对大容量调相机动态模拟主要包括机组的模拟、SFC（静态变频器）启动系统的模拟以及励磁系统的模拟。项目采用容量为30 kVA的机组模型来模拟容量为300 Mvar的实际机组，分别在调相机机端和定子匝间设置短路故障点，可以模拟调相机变压器组所有的故障类型。根据系统典型接线方式建立包含SFC变频启动和励磁系统的调相机保护动模测试平台，利用开发的保护装置进行测试，验证测试平台的正确性；通过模拟调相机变压器组不同类型故障，实现对调相机保护装置的测试。

2 调相机变压器组关键动模设备建模

2.1 静止变频启动系统

静止变频启动的基本原理是根据电机机端电压信息，以逐渐升高的频率交替向电机定子通入电流，产生超前于转子磁场的定子旋转磁场。该磁场与励磁电流形成的转子磁场相互作用，生成加速力矩将电机转子加速到设定转速。为了模拟大容量调相机组变频启动方式，实验室与相关厂家合作开发了静止变频启动装置。静止变频控制系统由静止变频器主控装置、阀控装置及一次回路组成，主控装置实现变频启动系统的核心控制和保护功能，阀控装置则主要承担阀组的控制保护功能，二者通过光纤连接，该变频启动系统具有正常运行和试验2种模式。正常运行时SFC将机组拖动至1.05倍额定转速后退出；试验模式下通过调整触发脉冲，可使机组在设定的转速运行，从而实现不同转速下保护装置的测试。此次动模试验使用的静止变频启动装置采用三相桥式全控电路，系统拓扑结构如图1所示。

图1 静止变频启动系统拓扑结构

2.2 调相机励磁调节器

励磁调节器通过可控硅整流桥控制励磁电流来调节调相机机端电压和无功功率。动模系统采用自并励励磁方式，励磁电源取自调相机机端，磁场电流经由励磁变压器、磁场断路器和可控硅整流桥供给。励磁变压器将调相机机端电压降低到可控硅整流桥所需的输入电压，为调相机机端电压和磁场绕组提供电气隔离，以及为可控硅整流桥提供整流阻抗，可控硅整流桥将交流电流转换成受控的转子直流电流。

起励开始时，调相机的起励能量来自外接他励电源。当可控硅整流桥的输入电压升到一定值时，可控硅整流桥和励磁调节器就投入正常工作，由励磁调节装置控制进行软起励过程。并网后，励磁系统可工作于AVR（电压闭环）方式，调节发电机的端电压和无功功率，或接受电厂调度指令，工作于叠加调节方式，包括PFLOOP（恒功率因数调节）、QLOOP（恒无功调节）等。

2.3 注入式回路设计

调相机正常运行时的3次谐波等效电路如图2所示。其中E30为调相机3次谐波零序电动势，3Cg为定子绕组对地电容，调相机中性点接地变压器二次负载电阻折算到一次侧为Rn[3]，Zn3为中性点侧等值电抗，Zs3为机端侧等值零序电抗，Un0为中性点侧三次谐波零序电动势，Us0为机端侧三次谐波零序电动势。

图2 调相机正常运行时的3次谐波等效电路

由图2可知：

根据IEEE的相关标准和国内电力设计手册要求，调相机中性点接地变压器负载电阻的阻抗一次值约等于定子绕组侧对地容抗值。

3 调相机组保护动模仿真

3.1 系统设计

电力系统动态模拟仿真系统可以准确模拟实际电力系统中不同运行方式下不同类型故障、经不同过渡电阻故障等，利用其可以验证保护装置在实际运行中的动作性能。调相机具有动态无功支撑能力强、运行稳定可靠的优势，能够缓解特高压直流输电受端电网动态无功不足。为了确保调相机变压器组在系统中安全稳定运行，充分发挥调相机无功调节作用，在实验室开展大容量调相机组物理建模研究，建立大容量调相机变压器组动态物理模拟系统，进行调相机组故障特性的研究，对调相机变压器保护进行动态模拟试验测试及功能验证，确保系统中大容量调相机的安全运行。

调相机额定容量为300 Mvar，主变压器的额定容量为360 MVA，变压器通过同期开关与站内500 kV系统相联，站内500 kV系统通过100 km无互感双回线路与500 kV地区等值系统（4 W）相连接（L侧）。L侧为一地区等值系统，其对应的短路容量分别为20 000 MVA。调相机变压器组的主要参数如表1、表2所示，调相机变压器组动模接线如图3所示。

500 kV双卷变压器主要参数如表2所示。

表1 调相机主要参数

表2 变压器主要参数

在动模系统中调相机及主变压器为被保护设备，试验时在被保护设备的区内、区外共设置了10个故障点，其编号分别为FD11，FD12，FD13，FD15，FD16，FD26，FD48，FD49，FD50和 FD51，每个故障点都可以模拟各种类型的金属性或经过渡电阻短路故障，调相机中性点变压器二次回路中并接负载电阻，并在负载电子两端并接20 Hz注入源，可用于检测注入式定子接地保护动作情况。此外，还可模拟调相机定子接地及定子匝间短路等故障试验。

3.2 调相机启机过程

调相机启动过程如图4所示，其中：ICB为SFC输入断路器，DS为SFC输出切换开关，IPB为机端启动隔离开关，RCB为并网开关，NGT为调相机定子中性点接地开关，41E为调相机灭磁开关，CB－L为启动交流开关。机组启动前，SFC和励磁系统处于待机状态，分别上送 SFC_OK EXC_OK信号，表明SFC系统和励磁系统可用，启机过程如下所示。

（1）DCS（分散控制系统）控制机端启动隔离开关IPB合闸，发电机中性点接地开关NGT分闸。

图3 调相机变压器组动模接线

图4 启机过程示意

（2）DCS检测到IPB已合闸、NGT已分闸。

（3）启动励磁准备好，SFC开始启动，加速机组启动至3 150 r/min。

（4）SFC退出，启动励磁逆变、封脉冲。

（5）DCS分启动隔离开关IPB、合中心点接地隔离开关NGT；检测到IPB已分（3～4 s），且NGT已合（不超过 3 s）。

（6）启动励磁和主励磁切换，主励磁开始工作。

（7）DCS启动同期，同期装置捕捉同期点，将机组并入电网。

3.3 动模试验验证

采用SFC启动系统的调相机变频启动过程中，定子频率、机端电压均处于动态变化的过程，具有明显的低频特性，因此需要研究低频过流保护、启停机差动保护、启停机定子接地保护等与信号频率无关的保护算法，同时机端电压和定子电流中含有大量的谐波分量，不同运行工况下发生故障时，其故障分量的特性也不尽相同。定子接地使局部绕组短路导致故障点的电流过大，严重损坏定子绕组和铁芯，对于大型机组，定子接地保护的要求越来越高，要求单相定子接地保护应保证动作无死区。目前广泛应用的方案有基波零序电压保护、三次谐波电压保护、外加电源注入式定子接地保护。为了充分验证保护的动作性能，经专家论证，此次动模试验项目包括模拟调相机启机过程中区内外金属性故障、经过渡电阻故障、发展/转换性故障、定子匝间故障、TA（电流互感器）断线、TV（电压互感器）断线、TA饱和、断路器断口闪络故障、调相机低压解列、调相机失磁故障、变压器匝间故障、定子接地故障、直流电源断续。由于调相机启机保护和定子接地保护的特殊性，因此着重对启机过程和定子接地故障进行分析。启机过程的电流变化如图5—8所示。

图5 转子转速为1 000 r/min时SFC注入电流波形

图6 转子转速为2 000 r/min时SFC注入电流波形

同步电动机转速n的计算公式如下：

式中：f为电源频率；p为磁极数。

图7 转子转速为3 000 r/min时SFC注入电流波形

图8 调相机并网后机端电流波形

根据公式（4），由于调相机组的极对数不变，同步电动机的转速与电源频率保持严格的同步关系，通过静止变频器改变电源频率f，可以改变同步电动机的转速n。从启机电流波形可以看出：频率16.6 Hz时调相机转速为1 000 r/min，频率33.3 Hz时调相机转速为2 000 r/min，频率50 Hz时调相机转速为3 000 r/min，随着频率的增加调相机转速逐渐上升。在调相机机端做A相定子接地故障，调相机机端普通TV和匝间专用TV电压及零压波形如图9所示。

图9 调相机机端故障后普通TV和专用TV电压波形

从波形图中可以看出，机端定子接地，匝间TV无零压，而普通TV有较大零压，因此可以采用基波零压定子接地保护实现对调相机85%～95%定子绕组单相接地故障进行保护。试验时将互感器采集到的电压电流数据传送到调相机变压器组保护装置，根据保护装置的动作情况，可以完成对继电保护装置的闭环测试工作。该检测方法提高了故障分析的准确性，为大容量调相机变压器组保护装置的适应性研究提供了科学依据，在工程实践中具有很强的实用价值。

4 结语

在调研大容量调相机技术特征及保护特点的基础上，提出了基于动模实验室的调相机保护检测技术方法，并建设了保护装置动作特性检测系统，为大容量调相机保护的应用提供技术支持。

（1）该平台是我国建设的大容量调相机继电保护装置检测平台，是对大容量调相机继电保护装置检测方法的积极探索，研究结果表明对保护装置进行全站级动模试验是非常必要的。

（2）动模平台包括了SFC变频启动装置、注入式定子接地保护回路，能够模拟实际设备的运行工况。

（3）动模试验结果可以用来深入研究大容量调相机的故障特征以及故障暂态机理，为提出继电保护新原理提供理论基础。

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