分布式调相机在某大型光伏项目的设计研究

唐 榕，何文宇

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州？贵阳？550081)

0 引 言

我国丰富的光资源决定了能源建设发展方向将沿着“开发大基地、依托大电网、融入大市场”的道路持续推进，但大规模新能源基地在接入电网系统的过程中出现了很多电网稳定性方面的问题；如电能跨区外送时系统抵御冲击的能力较弱，暂态过程中的无功大范围波动导致电网电压剧烈变化引发连锁脱网事故等；因此需在新能源场站配置足够的无功备用容量。根据强制性国家标准《电力系统安全稳定导则》(GB 38755—2019)要求，电力系统应具备基本的惯量和短路容量支持能力，在新能源并网发电比重较高的地区，新能源场站应提供必要惯量与短路容量支撑。

1 分布式调相机补偿优势

目前新能源场站配置的无功补偿设备主要为SVG动态无功补偿装置，其主要原理是通过快速响应的电子元件控制，准确地测量电力系统的无功功率，并与电力系统中的负载所需无功功率进行匹配；它在电力系统中的应用，不仅可以提高电能的质量和效率，还可以降低能耗和电能的损耗。

分布式调相机是另一种向电力系统提供或者吸收无功功率的同步电机无功功率补偿装置，它能自动在电网电压下降时增加无功输出，在电网电压上升时吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。

与SVG动态无功补偿装置相比，分布式调相机因其机械性质具备较高的转动惯量，在系统瞬时电压支撑方面优势突出；且过负荷能力远高于 SVG等电力电子式动态无功补偿设备。在运行电压跌落幅度较大时，分布式调相机能够在很短时间内提供高于2倍额定容量的无功。分布式调相机的高压和低压穿越能力更强，一定程度上可以提高新能源系统的短路容量，在稳定并网点电压和抑制新能源脱网方面发挥了重要作用。各发电公司已在青海、西藏、内蒙等地区新能源项目使用分布式调相机。

2 工程设计应用

2.1 工程概况

某大型光伏项目位于西藏芒康县境内，距芒康县城直线距离约45 km，与金沙江直线距离约60 km，规划面积88 km2。场区多丘陵，整体较为平缓，场址区海拔高程在4 200～4 800 m之间，场址区南距G318国道直线距离30 km，项目总占地面积约31.7 km2。生产区包括光伏阵列、35 kV 箱式变及道路等，管理区包括综合楼、生产楼、设备用房等。该项目为光伏复合项目，采用高支架设计方案，组件下沿距地高度为2 m，线缆采用架空敷设。项目设计装机容量为1 800 MW，采用540 Wp 单晶硅光伏组件，电站共设572个子方阵，采用组串式逆变器方案，每个子阵容量 3.15 MW。光伏电站在运行期25 a内总上网电量为8 894 637.2万kW·h，平均年上网电量为355 785.5万kW·h。

2.2 调相机电气接线设计

工程建设2座220 kV升压站，1、2号升压站主变规模为4×240 MVA，主变低压侧35 kV侧采用扩大单元接线方式，每台主变35 kV侧设置两段母线。根据主变建设规模及系统无功补偿容量需求，需在1、2号升压站每台主变下装设1台50 Mvar调相机及装设1组20 Mvar电容器。主变低压侧对应一段母线接入电容器成套装置，另一段母线接入调相机组，每台调相机组采用“调相机—升压变压器组”单元接线，以35 kV 电压等级接入220 kV 汇集站对应的220 kV 主变低压侧35 kV 母线上，详见图1。

图1 调相机系统接线图

接线方案中，SFC起动电源及厂用电源取自升压站35 kV母线，不考虑10 kV 调相机出口断路器，主励磁电源由调相机机端获得。

2.3 调相机设备选择及布置方式

(1)设备选择

分布式调相机站系统设备包括调相机、变压器、润滑油系统、励磁系统、变频启动系统、开关设备、计算机监控系统、同期装置、继电保护装置等。其中，调相机主机转子有凸极和隐极两种构造形式，相对于凸极机的调相机，隐极机的调相机具有暂态特性好、占地较小、重量轻等优点。目前50 Mvar级调相机主机采用空气冷却，即定子绕组、转子绕组、定子铁心及端部结构件全部采用空气冷却，借助转子两端风扇驱动机内风路循环。

本工程每座升压站配置4套50 Mvar调相机组，每套设备具体参数配置如下：

(2)布置方式

本光伏项目升压站站址区域海拔高、日夜温差大，为了保证调相机主机及润滑油系统、励磁系统、变频启动系统及其他辅助系统的安全运行，提高供电可靠性，减少工作人员在高海拔缺氧地区的检修维护工作量，本工程推荐调相机及附属设施采用户内厂房式布置。

调相机布置在厂房0 m层，其主出线为共箱封闭母线上出线，直流励磁母线上进线。调相机出线从调相机侧面通过封闭母线引出穿过厂房与升压变相连，升压变压器高压侧出线采用电缆形式。封闭母线在主厂房外部分用钢支架支撑，在厂房内采用吊装方式。根据总平面布置，目前无法实现升压变与调相机厂房墙净空满足10 m的要求；根据相关防火技术规定，已要求建筑专业对调相机厂房墙体做了防火处理，详见图2。

图2 调相机组设备布置方式

2.4 控制及继电保护配置

(1)控制

本工程电气设备的监视和控制由DCS完成，监控范围主要包括：机组励磁系统、机组变频起动系统(SFC)、机组同期、35 kV断路器、220 V直流系统、交流不间断电源系统、发变组保护、发变组测量系统、主变以及中、低压厂用电系统等。 调相机房不设置控制室，操作员站设置在原升压站集控室进行集中控制。

(2)继电保护

根据《同步调相机控制保护系统技术导则》(DL/T 2250)和《调相机变压器组保护技术规范》(Q/GDW 11767—2017)，调相机主要配置如下保护：差动保护、定子匝间、定子接地保护、复压过流保护、过励磁保护、过电压保护、失磁保护、定子过负荷保护、负序过负荷保护、励磁绕组过负荷保护、启机差动保护、启机过电流保护、启机零序电压保护、误上电保护及低压解列保护等。

2.5 辅助系统

辅助系统的配置力求经济适用、简单高效，在保证机组安全、可靠、经济、高效运行的前提下，对辅助系统进行优化，合理减少了备用设备数量和备用容量，简化了工艺流程，降低了系统阻力及工质损失，减少了能耗；因此既降低了初投资，又减少了运行成本。

辅助系统的设计压力、设计温度选用以及流速、最小计算壁厚的计算均按照《火力发电厂汽水管道设计规范》(DL/T 5054—2016)中的有关规定。

辅助系统中主要设施为调相机厂房外设置的事故油池，调相机事故油池与变压器事故油池共用，容量按调相机事故放油量与变压器事故放油量的最大者考虑。调相机润滑油主油箱设有事故放油管道，排油至事故油池。

3 结 语

依托实体工程，根据当前国家规范和标准，对分布式调相机的电气接线设计方案、设备选择及布置方式、继电保护配置方案进行了详细介绍，类似新能源场站分布式同步调相机项目建设时可参考执行。