新型大容量调相机原理及运行控制

苏东亮 邓化运

（山东中实易通集团有限公司，济南 250000）

0 引言

随着大容量、远距离特高压交直流输电技术的推广应用，“强直弱交”问题进一步突出，电网、电源、负荷的交互特性更加复杂，大功率缺额情况下的区域电网稳定控制能力面临更高要求，电压稳定将成为大电网安全稳定的重点问题之一，现阶段也有将换流站模拟为同步发电机的柔性直流输电理 论[1-7]。新型大容量调相机作为换流站（变电站）大容量动态无功支撑设备，契合国网公司“大直流输电、强无功支撑”的发展方向，其控制策略贯穿整个运行过程，直接影响其运行的安全性、可靠性及经济性。

1 新型大容量调相机原理分析

因现阶段电网电压近似于恒定值，调相机稳定运行工况下，可将其有功功率Pem假设为恒定[8-11]。现阶段调相机运行时电枢电阻损耗与其容量相比非常小，当同步电动机运行在恒压电网中且电枢电阻损耗忽略不计时，其有功功率Pem计算如下。

由

可得

式中：m为固定系数可近似为1；Pem、P1均为有功功率；U为定子电压；I为定子电流；E0为电动机电动势；θ为电动机功角；cosφ为电动机功率因数；Xt为电动机电抗；j(E0/Xt)sinθ为电感电流的有功分量。

因假设Pem为常数，且电动机电压U、电流I及电感电流的有功分量j(E0/Xt)sinθ均可视为常数，可得

此时电动机相量图如图1所示（图中 tjIX˙ 为电感电压），因励磁电流与电动势E0成正比，改变其励磁电流可调节调相机收发无功功率的大小。

图1 同步电动机相量图

当调相机功率因数cosφ=1时电枢电流全部为有功电流。根据φ的变化及式（4），可得调相机无功功率为

式中，Qem为调相机无功功率。

当其欠励运行时功率因数角φ滞后，等效为感性负载，从电网吸收滞后无功。当其过励运行时功率因数角φ超前，等效为容性负载，从电网吸收超前无功。

同步电机在有功功率恒定，励磁电流变化时电 枢电流I随励磁电流If变化的曲线为典型的 V形曲线，如图2所示，曲线最低点对应一定机端电压时同步电机空载状态。

图2 同步电动机 I =∫(I f )曲线

对于调相机而言，因其轴功率交换几乎为零，所以定子电流中有功分量很小，损耗远小于电动机的磁阻损耗，与容量相比可以忽略，可认为Pem≈0、 功角θ≈0，即图2中趋向于最下方曲线。 此时，过励工况下电流超前电压约90°，欠励工况下电流滞后电压约90°，相量图由图1逐渐变为图3。因调相机在现阶段电网环境中具备以上特性，可通过其励磁系统控制励磁电流作为主要手段，调节电网无功功率。

图3 调相机相量图

新型大容量调相机投运的主要目的为增加电力系统无功储备，当电网系统故障时提供有效的电压支撑。为此它必须具备收发无功调节范围大、电压支撑能力强、反应迅速等特点。

调相机内部电动势E0为

式中：f为调相机当前频率；Ne为调相机定子绕组匝数；Kp为节距因数（由电动机本体确定）；φm为每极磁通。

为保证调相机容量及电压支撑能力满足现阶段需求，主机本体相关参数整体大幅增加；为保证其快速响应能力，每极磁通φm需升至较高数值，即调相机转子应具备承受较高励磁电流的能力。新型大容量调相机在无功容量、暂态特性、智能程度、冷却性能等诸多方面远超传统调相机。

2 新型大容量调相机的运行控制探讨

作为特高压直流调相机配套工程所采用的新一代调相机组，需要满足“暂动态特性好、安全可靠性高、运维方便”等特性[12-14]。为满足以上特性，新一代调相机控制策略按运行工况分为三阶段：起动阶段、运行阶段、停机阶段。现以上海电机厂国内首台送端调相机与哈尔滨电机厂国内首台受端调相机厂内联调试验及山东某调相机工程为例，改进优化三阶段控制策略，分析三阶段技术难点或注意事项。

2.1 起动阶段

起动阶段励磁系统主要功能为：他励模式为静止变频器（static frequency converter, SFC）拖动工况下的调相机提供励磁电源[15-16]。调相机起动阶段流程如图4所示，起动励磁收SFC“起动励磁开机令”后进入电流闭环模式，发“起动励磁他励电源开关合闸令”“起动励磁隔离开关合闸令”“起动励磁灭磁开关合闸令”；确认以上开关反馈正确后延时1s进入开机状态，发脉冲并计时；根据SFC发出的“模拟量控制信号”增磁，并拖动调相机转速至3 150r/min后切除SFC设备，继续增磁；当给定值升至约25%额定机端电压，即0.25Uem时分散控制系统（distributed control system, DCS）发开机令，主励磁起动继续增磁同时退出起动励磁；在判断起动励磁完全退出后主励磁增至额定并切换为系统电压跟踪控制模式，进入堕速并网工况。励磁系统维持系统电压跟踪模式，保持机端电压与系统电压幅值相同，调相机转速因SFC退出失去动力源而缓慢堕速至3 000r/min。同期装置检测到机端电压与系统电压的电压差、相位差、频率差均在设定值内发出“并网开关合闸指令”，调相机并网成功。若因特殊原因导致错过并网窗口，则进入快速再起动流程，待机端电压降至设定值后SFC再次投入并重复上述流程，拖动调相机至3 150r/min后退出，励磁系统增磁至额定机端电压，调相机堕速并网成功。在上述快速再起动流程中为缩短应急响应时间，SFC再次投入并起动拖动功能不受当前机组转速制约。

图4 调相机起动阶段流程

调相机起动阶段技术难点或注意事项有四点：

1）起动励磁与主励磁切换。起动励磁功能为SFC拖动阶段提供励磁电流，励磁能力较弱。主励磁为机组建压至额定及正常运行阶段提供励磁电流，励磁能力较强。起动初期，起动励磁运行，主励磁退出，起动后期，主励磁运行，起动励磁退出，两者存在衔接问题。现阶段根据励磁厂家不同有两种衔接方式：串联切换与并联切换。从起动阶段稳定性考虑推荐并联切换，即SFC拖动阶段初期起动励磁提供励磁电流稳定增加，机组转速升至设定值后主励磁起动稳定升压，因起动励磁与主励磁输出端均配置防止励磁电流逆流装置，主励磁电压大于起动励磁电压时调相机平稳过渡为由主励磁提供励磁电流，此时起动励磁退出。相较于串联切换，并联切换较为平稳。

2）调相机中性点接地电阻柜接地开关与SFC配合。起动初期必须将中性点接地开关分闸位置作为SFC起动的允许条件，并将“SFC已退出”作为中性点接地开关合闸的允许条件。因起动初期大轴转速近似为零，SFC输出电压频率也近似为零，若中性点接地开关处于合闸状态将导致频率近似为零的定子电压经调相机定子绕组与中性点接地电阻柜直接接地，不利于SFC安全运行。

3）SFC送至励磁调节器的“模拟量给定值信号”必须整定合适并经试验验证。此信号一般为4～20mA模拟量，SFC侧与励磁调节器侧信号量程必须整定一致。起动阶段调相机定子电压与转子电流均需同步稳定增加。为保证调相机升速阶段稳定可控，实际升速过程以SFC为主，励磁系统跟踪SFC发出“模拟量给定值信号”，经电流环实时调节转子电流幅值。

4）转速升至大于620r/min时顶轴油泵自动停运。

起动阶段励磁系统控制策略主要有两种，起动初期主要为恒励磁电流控制，堕速并网时改为恒电压控制。第一种，恒励磁电流控制主要为满足SFC系统拖动需求，起动励磁系统根据SFC发出的“模拟量给定值信号”采用电流闭环控制，恒定调相机内部磁通，此时其内部电动势E0如式（8）所示。第二种，恒电压控制主要为满足堕速并网需求。此时SFC已退出，机组频率缓慢下降，调相机与系统相位差因频率差存在做持续圆周运动，直接控制此变量难度较大。恒定机端电压后并网判据变量近似为只剩频率，在频率堕入并网窗口时只需等待相位差落入并网区间则具备“并网合闸指令”开出条件，实现调相机自动同期并网。

2.2 正常运行阶段

调相机并网后，在系统电压稳定时励磁系统主要以电压闭环调节为主。稳定机端电压，根据系统需求通过式（7）、式（8）调节励磁给定值控制调相机收、发无功功率Qem大小。在系统发生电压跌落或突增时快速调节无功功率Qem实现稳定系统电压的功能。期间励磁系统保护限制与正常发电机组类似，通过V/Hz限制、欠励限制、过励限制、定子电流限制等保证励磁系统安全稳定运行。因调相机设计理念为具备快速大量收、发无功的功能，励磁系统承受过励的能力在设计上要远大于普通发电机组。调相机厂内联调中，通过堕转法从3 300r/min堕速增磁至3.5倍额定定子电流，15s后堕转至2 871r/min测得定子绕组温升符合要求；转子绕组反接状态额定转速与励磁电流工况下机组温度稳定后，增磁至2.5倍额定励磁电流，持续15s后测得转子温升符合要求，采取一系列措施停机后测得转子绕组绝缘电阻不低于50MΩ。以上为3.5倍15s额定定子电流过负荷试验与2.5倍15s额定转子过电流试验，由此可见新型调相机相较发电机组及传统调相机具有强过负荷与强励能力。

2.3 停机阶段

停机阶段分为正常停机与事故停机。正常停机流程如图5所示：DCS发“无功归零指令”；主励磁调节器将无功输出Qem调节至0，发“无功减载完成”反馈；DCS接受反馈后分并网开关；主励磁调节器检测到并网开关分断后进入空载状态；DCS发“主励停机”令；主励磁调节器逆变灭磁后分灭磁开关。

图5 调相机正常停机流程

事故停机流程如图6所示：对于主励磁运行工况，保护停机令发出后，联跳灭磁开关与并网断路器，同时主励磁逆变封脉冲；对于起动励磁运行工况，励磁系统收到SFC跳闸令或保护跳闸令后跳起动励磁灭磁开关，同时起动励磁逆变封脉冲，然后分起动励磁隔离开关与他励电源开关。

图6 调相机事故停机流程

调相机停机阶段技术难点和注意事项有两点：

1）堕速过程中的交流阻抗测量，此试验依据机组状况按需进行。新型大容量调相机与发电机组及传统由火电改造的调相机的不同点之一为，无法在励磁退出的工况下维持转速稳定在某一数值。只能在堕速工况下测量其在不同转速的转子交流阻抗和功率损耗，经试验验证有两种可行的测量方法。一种为进入堕速工况，已完善防起励措施后在转子施加稳定电压，实时记录转子外加交流电压、电流计算功率及阻抗。另一种为进入堕速工况，已完善防起励措施后使用交流阻抗测试仪自动测量功能测量某一转速区间不同电压下的功率损耗及阻抗，在操作熟练的前提下所测量数值与第一种一致。

2）转速降至小于620r/min时顶轴油泵自动起动。

3 结论

利用新型大容量调相机吸收或发出大量无功且无功数值能够快速连续调节的特性，可为电网提供大容量无功备用，有效提高电网稳定性、运行性能及效益，有效缓解电网系统故障时对电压支撑的需求。本文分析了调相机无功控制原理，结合实际工程探讨其在三种不同工况下的控制策略及技术难点、注意事项。现阶段大容量调相机也存在诸多不足与缺陷。比如，调相机作为可以连续、大量、快速调节无功的设备与其他无功调节设备及直流输电设备间的配合，有待进一步探讨。