大容量調(diào)相機(jī)動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方法及其應(yīng)用

譚 聞

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663）

0 引言

目前，我國各大區(qū)和獨(dú)立省網(wǎng)的互聯(lián)已進(jìn)入實(shí)施階段，利用直流輸電作異步聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性等方面的優(yōu)勢已在世界范圍內(nèi)得到證明[1－5]。為了支撐常規(guī)直流換流站正常換相，需要消耗大量的無功功率，其主要靠換流站內(nèi)靜止無功補(bǔ)償裝置提供。然而當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)外故障等大擾動(dòng)時(shí)，直流換流站吸收的無功功率需求顯著增加，但是靜止無功補(bǔ)償裝置出力反而隨著電壓下降而減小，將導(dǎo)致電網(wǎng)局部動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償能力不足，電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。與靜止無功補(bǔ)償裝置相比，同步調(diào)相機(jī)無功補(bǔ)償容量大，即使在電網(wǎng)電壓下降的情況下，調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)也能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)行強(qiáng)行勵(lì)磁，可持續(xù)向系統(tǒng)提供無功功率[6－9]。隨著公司電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”問題的日漸突出，加快推進(jìn)大型調(diào)相機(jī)在特高壓直流工程送端和受端電網(wǎng)的部署進(jìn)程，對改善特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)無功支撐能力具有重要意義[10－12]。

調(diào)相機(jī)組在啟動(dòng)方式和勵(lì)磁控制方式上與發(fā)電機(jī)組存在差異，其啟機(jī)保護(hù)、失磁保護(hù)、定子接地保護(hù)等方面均具有特殊性，已有的發(fā)變組保護(hù)測試技術(shù)不適用于大容量調(diào)相機(jī)組保護(hù)[13－14]。目前國內(nèi)尚不具備對調(diào)相機(jī)組保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)的條件，為了掌握高壓系統(tǒng)接入大型調(diào)相機(jī)后系統(tǒng)特性，研究調(diào)相機(jī)保護(hù)的適應(yīng)性，確定調(diào)相機(jī)保護(hù)的配置方案，以及接入調(diào)相機(jī)后對其他保護(hù)的影響，需要開展調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)技術(shù)研究。通過開展調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，根據(jù)系統(tǒng)典型接線方式建立調(diào)相機(jī)組保護(hù)動(dòng)模測試平臺(tái)，可以模擬調(diào)相機(jī)的不同運(yùn)行工況以及不同故障類型，為調(diào)相機(jī)組保護(hù)的設(shè)計(jì)和配置提供技術(shù)依據(jù)。

以下具體分析調(diào)相機(jī)建模的必要性，探討了調(diào)相機(jī)保護(hù)測試技術(shù)，并搭建了調(diào)相機(jī)動(dòng)模測試平臺(tái)，可用于開展調(diào)相機(jī)保護(hù)功能的測試。

1 總體要求

對調(diào)相機(jī)故障特性的模擬可采用數(shù)字仿真和動(dòng)模仿真2種方式。數(shù)字仿真存在的主要問題是物理概念不夠直觀，同時(shí)對各電氣元件數(shù)字暫態(tài)模型的準(zhǔn)確性要求較高，譬如，變壓器和互感器等非線性元件的飽和特性、調(diào)相機(jī)內(nèi)部及外部系統(tǒng)所引發(fā)的故障暫態(tài)過程、電力電子器件的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)特性等，其實(shí)現(xiàn)難度較大，難以支撐調(diào)相機(jī)的保護(hù)分析與論證。

動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)是開展電網(wǎng)控制保護(hù)試驗(yàn)研究和參數(shù)驗(yàn)證的重要手段，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)技術(shù)是根據(jù)相似原理，采用與原型系統(tǒng)具有相同物理性質(zhì)的模擬元件，把實(shí)際電力系統(tǒng)的各個(gè)部分按照相似條件設(shè)計(jì)、建造并組成一個(gè)電力系統(tǒng)模型，模擬電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行情況，用以代替實(shí)際系統(tǒng)開展各種正常與故障狀態(tài)的試驗(yàn)研究。對大容量調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)模擬主要包括機(jī)組的模擬、SFC（靜態(tài)變頻器）啟動(dòng)系統(tǒng)的模擬以及勵(lì)磁系統(tǒng)的模擬。項(xiàng)目采用容量為30 kVA的機(jī)組模型來模擬容量為300 Mvar的實(shí)際機(jī)組，分別在調(diào)相機(jī)機(jī)端和定子匝間設(shè)置短路故障點(diǎn)，可以模擬調(diào)相機(jī)變壓器組所有的故障類型。根據(jù)系統(tǒng)典型接線方式建立包含SFC變頻啟動(dòng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)相機(jī)保護(hù)動(dòng)模測試平臺(tái)，利用開發(fā)的保護(hù)裝置進(jìn)行測試，驗(yàn)證測試平臺(tái)的正確性；通過模擬調(diào)相機(jī)變壓器組不同類型故障，實(shí)現(xiàn)對調(diào)相機(jī)保護(hù)裝置的測試。

2 調(diào)相機(jī)變壓器組關(guān)鍵動(dòng)模設(shè)備建模

2.1 靜止變頻啟動(dòng)系統(tǒng)

靜止變頻啟動(dòng)的基本原理是根據(jù)電機(jī)機(jī)端電壓信息，以逐漸升高的頻率交替向電機(jī)定子通入電流，產(chǎn)生超前于轉(zhuǎn)子磁場的定子旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場與勵(lì)磁電流形成的轉(zhuǎn)子磁場相互作用，生成加速力矩將電機(jī)轉(zhuǎn)子加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速。為了模擬大容量調(diào)相機(jī)組變頻啟動(dòng)方式，實(shí)驗(yàn)室與相關(guān)廠家合作開發(fā)了靜止變頻啟動(dòng)裝置。靜止變頻控制系統(tǒng)由靜止變頻器主控裝置、閥控裝置及一次回路組成，主控裝置實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)系統(tǒng)的核心控制和保護(hù)功能，閥控裝置則主要承擔(dān)閥組的控制保護(hù)功能，二者通過光纖連接，該變頻啟動(dòng)系統(tǒng)具有正常運(yùn)行和試驗(yàn)2種模式。正常運(yùn)行時(shí)SFC將機(jī)組拖動(dòng)至1.05倍額定轉(zhuǎn)速后退出；試驗(yàn)?zāi)Ｊ较峦ㄟ^調(diào)整觸發(fā)脈沖，可使機(jī)組在設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下保護(hù)裝置的測試。此次動(dòng)模試驗(yàn)使用的靜止變頻啟動(dòng)裝置采用三相橋式全控電路，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靜止變頻啟動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 調(diào)相機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過可控硅整流橋控制勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)調(diào)相機(jī)機(jī)端電壓和無功功率。動(dòng)模系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁電源取自調(diào)相機(jī)機(jī)端，磁場電流經(jīng)由勵(lì)磁變壓器、磁場斷路器和可控硅整流橋供給。勵(lì)磁變壓器將調(diào)相機(jī)機(jī)端電壓降低到可控硅整流橋所需的輸入電壓，為調(diào)相機(jī)機(jī)端電壓和磁場繞組提供電氣隔離，以及為可控硅整流橋提供整流阻抗，可控硅整流橋?qū)⒔涣麟娏鬓D(zhuǎn)換成受控的轉(zhuǎn)子直流電流。

起勵(lì)開始時(shí)，調(diào)相機(jī)的起勵(lì)能量來自外接他勵(lì)電源。當(dāng)可控硅整流橋的輸入電壓升到一定值時(shí)，可控硅整流橋和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器就投入正常工作，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置控制進(jìn)行軟起勵(lì)過程。并網(wǎng)后，勵(lì)磁系統(tǒng)可工作于AVR（電壓閉環(huán)）方式，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓和無功功率，或接受電廠調(diào)度指令，工作于疊加調(diào)節(jié)方式，包括PFLOOP（恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)）、QLOOP（恒無功調(diào)節(jié)）等。

2.3 注入式回路設(shè)計(jì)

調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的3次諧波等效電路如圖2所示。其中E30為調(diào)相機(jī)3次諧波零序電動(dòng)勢，3Cg為定子繞組對地電容，調(diào)相機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器二次負(fù)載電阻折算到一次側(cè)為Rn[3]，Zn3為中性點(diǎn)側(cè)等值電抗，Zs3為機(jī)端側(cè)等值零序電抗，Un0為中性點(diǎn)側(cè)三次諧波零序電動(dòng)勢，Us0為機(jī)端側(cè)三次諧波零序電動(dòng)勢。

圖2 調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的3次諧波等效電路

由圖2可知：

根據(jù)IEEE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)電力設(shè)計(jì)手冊要求，調(diào)相機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器負(fù)載電阻的阻抗一次值約等于定子繞組側(cè)對地容抗值。

3 調(diào)相機(jī)組保護(hù)動(dòng)模仿真

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)可以準(zhǔn)確模擬實(shí)際電力系統(tǒng)中不同運(yùn)行方式下不同類型故障、經(jīng)不同過渡電阻故障等，利用其可以驗(yàn)證保護(hù)裝置在實(shí)際運(yùn)行中的動(dòng)作性能。調(diào)相機(jī)具有動(dòng)態(tài)無功支撐能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，能夠緩解特高壓直流輸電受端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功不足。為了確保調(diào)相機(jī)變壓器組在系統(tǒng)中安全穩(wěn)定運(yùn)行，充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)無功調(diào)節(jié)作用，在實(shí)驗(yàn)室開展大容量調(diào)相機(jī)組物理建模研究，建立大容量調(diào)相機(jī)變壓器組動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)相機(jī)組故障特性的研究，對調(diào)相機(jī)變壓器保護(hù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)測試及功能驗(yàn)證，確保系統(tǒng)中大容量調(diào)相機(jī)的安全運(yùn)行。

調(diào)相機(jī)額定容量為300 Mvar，主變壓器的額定容量為360 MVA，變壓器通過同期開關(guān)與站內(nèi)500 kV系統(tǒng)相聯(lián)，站內(nèi)500 kV系統(tǒng)通過100 km無互感雙回線路與500 kV地區(qū)等值系統(tǒng)（4 W）相連接（L側(cè)）。L側(cè)為一地區(qū)等值系統(tǒng)，其對應(yīng)的短路容量分別為20 000 MVA。調(diào)相機(jī)變壓器組的主要參數(shù)如表1、表2所示，調(diào)相機(jī)變壓器組動(dòng)模接線如圖3所示。

500 kV雙卷變壓器主要參數(shù)如表2所示。

表1 調(diào)相機(jī)主要參數(shù)

表2 變壓器主要參數(shù)

在動(dòng)模系統(tǒng)中調(diào)相機(jī)及主變壓器為被保護(hù)設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)在被保護(hù)設(shè)備的區(qū)內(nèi)、區(qū)外共設(shè)置了10個(gè)故障點(diǎn)，其編號(hào)分別為FD11，F(xiàn)D12，F(xiàn)D13，F(xiàn)D15，F(xiàn)D16，F(xiàn)D26，F(xiàn)D48，F(xiàn)D49，F(xiàn)D50和 FD51，每個(gè)故障點(diǎn)都可以模擬各種類型的金屬性或經(jīng)過渡電阻短路故障，調(diào)相機(jī)中性點(diǎn)變壓器二次回路中并接負(fù)載電阻，并在負(fù)載電子兩端并接20 Hz注入源，可用于檢測注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作情況。此外，還可模擬調(diào)相機(jī)定子接地及定子匝間短路等故障試驗(yàn)。

3.2 調(diào)相機(jī)啟機(jī)過程

調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程如圖4所示，其中：ICB為SFC輸入斷路器，DS為SFC輸出切換開關(guān)，IPB為機(jī)端啟動(dòng)隔離開關(guān)，RCB為并網(wǎng)開關(guān)，NGT為調(diào)相機(jī)定子中性點(diǎn)接地開關(guān)，41E為調(diào)相機(jī)滅磁開關(guān)，CB－L為啟動(dòng)交流開關(guān)。機(jī)組啟動(dòng)前，SFC和勵(lì)磁系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，分別上送 SFC_OK EXC_OK信號(hào)，表明SFC系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)可用，啟機(jī)過程如下所示。

（1）DCS（分散控制系統(tǒng)）控制機(jī)端啟動(dòng)隔離開關(guān)IPB合閘，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地開關(guān)NGT分閘。

圖3 調(diào)相機(jī)變壓器組動(dòng)模接線

圖4 啟機(jī)過程示意

（2）DCS檢測到IPB已合閘、NGT已分閘。

（3）啟動(dòng)勵(lì)磁準(zhǔn)備好，SFC開始啟動(dòng)，加速機(jī)組啟動(dòng)至3 150 r/min。

（4）SFC退出，啟動(dòng)勵(lì)磁逆變、封脈沖。

（5）DCS分啟動(dòng)隔離開關(guān)IPB、合中心點(diǎn)接地隔離開關(guān)NGT；檢測到IPB已分（3～4 s），且NGT已合（不超過 3 s）。

（6）啟動(dòng)勵(lì)磁和主勵(lì)磁切換，主勵(lì)磁開始工作。

（7）DCS啟動(dòng)同期，同期裝置捕捉同期點(diǎn)，將機(jī)組并入電網(wǎng)。

3.3 動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證

采用SFC啟動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)相機(jī)變頻啟動(dòng)過程中，定子頻率、機(jī)端電壓均處于動(dòng)態(tài)變化的過程，具有明顯的低頻特性，因此需要研究低頻過流保護(hù)、啟停機(jī)差動(dòng)保護(hù)、啟停機(jī)定子接地保護(hù)等與信號(hào)頻率無關(guān)的保護(hù)算法，同時(shí)機(jī)端電壓和定子電流中含有大量的諧波分量，不同運(yùn)行工況下發(fā)生故障時(shí)，其故障分量的特性也不盡相同。定子接地使局部繞組短路導(dǎo)致故障點(diǎn)的電流過大，嚴(yán)重?fù)p壞定子繞組和鐵芯，對于大型機(jī)組，定子接地保護(hù)的要求越來越高，要求單相定子接地保護(hù)應(yīng)保證動(dòng)作無死區(qū)。目前廣泛應(yīng)用的方案有基波零序電壓保護(hù)、三次諧波電壓保護(hù)、外加電源注入式定子接地保護(hù)。為了充分驗(yàn)證保護(hù)的動(dòng)作性能，經(jīng)專家論證，此次動(dòng)模試驗(yàn)項(xiàng)目包括模擬調(diào)相機(jī)啟機(jī)過程中區(qū)內(nèi)外金屬性故障、經(jīng)過渡電阻故障、發(fā)展/轉(zhuǎn)換性故障、定子匝間故障、TA（電流互感器）斷線、TV（電壓互感器）斷線、TA飽和、斷路器斷口閃絡(luò)故障、調(diào)相機(jī)低壓解列、調(diào)相機(jī)失磁故障、變壓器匝間故障、定子接地故障、直流電源斷續(xù)。由于調(diào)相機(jī)啟機(jī)保護(hù)和定子接地保護(hù)的特殊性，因此著重對啟機(jī)過程和定子接地故障進(jìn)行分析。啟機(jī)過程的電流變化如圖5—8所示。

圖5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)SFC注入電流波形

圖6 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)SFC注入電流波形

同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式如下：

式中：f為電源頻率；p為磁極數(shù)。

圖7 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)SFC注入電流波形

圖8 調(diào)相機(jī)并網(wǎng)后機(jī)端電流波形

根據(jù)公式（4），由于調(diào)相機(jī)組的極對數(shù)不變，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系，通過靜止變頻器改變電源頻率f，可以改變同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。從啟機(jī)電流波形可以看出：頻率16.6 Hz時(shí)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，頻率33.3 Hz時(shí)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，頻率50 Hz時(shí)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，隨著頻率的增加調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升。在調(diào)相機(jī)機(jī)端做A相定子接地故障，調(diào)相機(jī)機(jī)端普通TV和匝間專用TV電壓及零壓波形如圖9所示。

圖9 調(diào)相機(jī)機(jī)端故障后普通TV和專用TV電壓波形

從波形圖中可以看出，機(jī)端定子接地，匝間TV無零壓，而普通TV有較大零壓，因此可以采用基波零壓定子接地保護(hù)實(shí)現(xiàn)對調(diào)相機(jī)85%～95%定子繞組單相接地故障進(jìn)行保護(hù)。試驗(yàn)時(shí)將互感器采集到的電壓電流數(shù)據(jù)傳送到調(diào)相機(jī)變壓器組保護(hù)裝置，根據(jù)保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，可以完成對繼電保護(hù)裝置的閉環(huán)測試工作。該檢測方法提高了故障分析的準(zhǔn)確性，為大容量調(diào)相機(jī)變壓器組保護(hù)裝置的適應(yīng)性研究提供了科學(xué)依據(jù)，在工程實(shí)踐中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)語

在調(diào)研大容量調(diào)相機(jī)技術(shù)特征及保護(hù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的調(diào)相機(jī)保護(hù)檢測技術(shù)方法，并建設(shè)了保護(hù)裝置動(dòng)作特性檢測系統(tǒng)，為大容量調(diào)相機(jī)保護(hù)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

（1）該平臺(tái)是我國建設(shè)的大容量調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)裝置檢測平臺(tái)，是對大容量調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)裝置檢測方法的積極探索，研究結(jié)果表明對保護(hù)裝置進(jìn)行全站級動(dòng)模試驗(yàn)是非常必要的。

（2）動(dòng)模平臺(tái)包括了SFC變頻啟動(dòng)裝置、注入式定子接地保護(hù)回路，能夠模擬實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行工況。

（3）動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果可以用來深入研究大容量調(diào)相機(jī)的故障特征以及故障暫態(tài)機(jī)理，為提出繼電保護(hù)新原理提供理論基礎(chǔ)。

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