新型同步調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功特性分析研究

張彥凱，魏久升，史玉杰

(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050;2.廣西桂旭能源發(fā)展投資有限公司，廣西 賀州 545000)

0 引言

同步調(diào)相機(jī)是現(xiàn)有的最基本的無(wú)功補(bǔ)償裝置，與同步發(fā)電機(jī)具有類似的結(jié)構(gòu)和控制原理。調(diào)相機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，僅需消耗少量的有功補(bǔ)償運(yùn)行中的損耗和克服自身旋轉(zhuǎn)的阻尼力矩，同時(shí)根據(jù)電壓高低收發(fā)大量的無(wú)功功率[1-3]。隨著近幾年特高壓直流輸電工程的大規(guī)模建成，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”的問(wèn)題越來(lái)越突出，加之直流換流站近區(qū)新能源電源集中進(jìn)一步加深了無(wú)功電壓穩(wěn)定問(wèn)題，電網(wǎng)穩(wěn)定問(wèn)題日益凸顯。為深入挖掘同步調(diào)相機(jī)無(wú)功潛力，最大限度發(fā)揮新一代調(diào)相機(jī)無(wú)功控制性能[4-9]，本文引入了無(wú)功電流增益，并進(jìn)行了調(diào)相機(jī)與SVG無(wú)功增益比較，因此深入探究調(diào)相機(jī)的原理、穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，將會(huì)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 同步調(diào)相機(jī)的控制策略

1.1 同步調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)控制策略

調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)需要借助外部設(shè)備，目前小容量調(diào)相機(jī)啟動(dòng)方式主要有異步啟動(dòng)、低頻啟動(dòng)、同軸勵(lì)磁啟動(dòng)、同軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等。對(duì)于大容量同步調(diào)相機(jī)，目前優(yōu)先采用的是靜止變頻器(Static Frequency Converter,SFC)啟動(dòng)，采用的是“交-直-交”電流源型變頻器，核心部分由整流橋、平波電抗器、逆變橋、控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)控制整流橋?qū)⒐ゎl電源整流成直流電，平波電抗器將整流的直流電進(jìn)一步進(jìn)行平波處理，使之更具有電流源的特性，逆變橋再依據(jù)機(jī)組頻率，將直流電轉(zhuǎn)換成與機(jī)組頻率完全一致的交流電，從而拖動(dòng)機(jī)組不斷加速至額定轉(zhuǎn)速。SFC系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。

圖1 SFC系統(tǒng)基本工作原理

監(jiān)控(DCS)給需要啟動(dòng)機(jī)組的高壓隔離開(kāi)關(guān)下發(fā)合閘指令，高壓隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)SFC具備了啟動(dòng)條件。SFC在收到人工就地啟動(dòng)或者監(jiān)控遠(yuǎn)程啟動(dòng)命令時(shí)，根據(jù)啟動(dòng)命令信號(hào)判斷待啟動(dòng)的機(jī)組。

SFC開(kāi)啟散熱風(fēng)機(jī)，閉合待啟動(dòng)機(jī)組的切換開(kāi)關(guān)。切換開(kāi)關(guān)閉合成功后，SFC下發(fā)輸入斷路器閉合指令。輸入斷路器位置節(jié)點(diǎn)反饋正確的情況下，SFC控制勵(lì)磁系統(tǒng)工作并觸發(fā)SFC脈沖，拖動(dòng)調(diào)相機(jī)加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速拖至額定轉(zhuǎn)速的1.05倍(可設(shè)定，最高1.1倍)時(shí)，SFC向監(jiān)控(DCS)發(fā)出“轉(zhuǎn)速到達(dá)”指令，監(jiān)控系統(tǒng)收到后，根據(jù)情況適時(shí)向SFC下發(fā)退出指令，SFC系統(tǒng)收到退出指令后，停勵(lì)磁控制、封脈沖，監(jiān)控?cái)嚅_(kāi)高壓隔離開(kāi)關(guān)，控制勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行主勵(lì)、啟勵(lì)的切換以及升壓等操作，隨后由同期裝置進(jìn)行同期控制。SFC根據(jù)監(jiān)控的指令進(jìn)行下一步操作。此時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)情況，可能有3種情況，分別為“快速再啟動(dòng)”、“啟動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組”、“SFC系統(tǒng)停機(jī)”。

TM=c·id·cosφ·Ψ

(1)

公式(1)中控制系統(tǒng)產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TM與SFC直流電流id、機(jī)橋觸發(fā)角度φ和電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通Ψ成正比。一般情況下，裝置控制機(jī)橋觸發(fā)角度保持不變，此時(shí)，直流電流大小由網(wǎng)橋觸發(fā)角度大小決定，這樣以電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，通過(guò)控制網(wǎng)橋電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)加速轉(zhuǎn)矩的控制；此外，裝置對(duì)機(jī)組磁鏈進(jìn)行控制并按照機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)要求得到相應(yīng)的勵(lì)磁電流給定值，這樣控制系統(tǒng)通過(guò)控制直流電流和勵(lì)磁電流進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

E=4.44fN1KW1Φm

(2)

因調(diào)相機(jī)與同步發(fā)電機(jī)具有類似的結(jié)構(gòu)和控制原理，運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，故其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可用式(2)表達(dá)。式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；f為頻率；N1為電機(jī)定子繞組匝數(shù)；KW1為繞組因數(shù)(短距分布線圈的電動(dòng)勢(shì)與整距集中線圈的電動(dòng)勢(shì)之比)，通常不大于1；Φm為每極磁通。KW1N1為定子繞組的有效匝數(shù)。

由圖2可知，同步調(diào)相機(jī)在SFC拖動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，在DCS判斷轉(zhuǎn)速3 150 r/m(每分鐘3 150轉(zhuǎn))時(shí)，SFC退出運(yùn)行，同步調(diào)相機(jī)進(jìn)入惰轉(zhuǎn)模式，當(dāng)DCS發(fā)出投主勵(lì)信號(hào)后，此時(shí)進(jìn)行勵(lì)磁切換，同步調(diào)相機(jī)由他勵(lì)(啟動(dòng)勵(lì)磁)勵(lì)磁方式切換為自并勵(lì)勵(lì)磁方式，啟動(dòng)勵(lì)磁與主勵(lì)磁成功切換調(diào)，相機(jī)惰轉(zhuǎn)運(yùn)3 000 r/m時(shí)，同期并網(wǎng)。

圖2 SFC主啟動(dòng)流程

在啟動(dòng)過(guò)程中可分為兩個(gè)階段：兩個(gè)階段具體控制電氣量目標(biāo)如圖3所示。第一階段啟動(dòng)勵(lì)磁收到DCS發(fā)出的開(kāi)機(jī)令后，啟動(dòng)勵(lì)磁應(yīng)正確投入運(yùn)行，快速調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流至SFC所需的目標(biāo)值，如圖3所示第一階段，由SFC控制啟動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)(電流環(huán)運(yùn)行，如圖4所示：1環(huán)運(yùn)行)，結(jié)合公式(1)、(2)，可知在SFC系統(tǒng)中，通過(guò)控制磁鏈Ψ，經(jīng)一級(jí)增益、積分(或超前滯后)計(jì)算可得SFC啟動(dòng)所需勵(lì)磁電流目標(biāo)值Ifref，將此目標(biāo)值送入勵(lì)磁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制勵(lì)磁電流，使得有穩(wěn)態(tài)的恒定磁鏈，因內(nèi)環(huán)(環(huán)1)調(diào)節(jié)速度優(yōu)于外環(huán)(環(huán)2)，因此，在暫態(tài)過(guò)程中以環(huán)1為主，控制策略如圖4所示，其中第一階段控制量Δ為磁鏈Ψ；第二階段，在SFC系統(tǒng)中勵(lì)磁應(yīng)將調(diào)相機(jī)端電壓降壓至目標(biāo)值即額定值，由式(1) 可知，當(dāng)要保證感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E恒定，需要減小磁鏈Ψ來(lái)提升調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速即增加同步調(diào)相機(jī)頻率f?？芍赟FC系統(tǒng)中，通過(guò)控制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，經(jīng)一級(jí)增益、積分(或超前滯后)計(jì)算可得SFC啟動(dòng)所需勵(lì)磁電流目標(biāo)值Ifref，將此目標(biāo)值送入勵(lì)磁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)(環(huán)1)、外環(huán)(環(huán)2)雙環(huán)控制，使得調(diào)相機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速[10-13]，控制策略如圖4所示，其中第二階段控制量Δ為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E；UK為觸發(fā)角度余弦值。

圖6 同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制策略

圖3 同步調(diào)相機(jī)啟動(dòng)控制電氣量簡(jiǎn)圖

圖4 同步調(diào)相機(jī)啟動(dòng)控制策略

1.2 同步調(diào)相機(jī)典型自并勵(lì)控制

因同步調(diào)相機(jī)與同步發(fā)電機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)與原理，因此同步調(diào)相機(jī)所有用的勵(lì)磁系統(tǒng)與同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)類似，原理相同，其設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 同步調(diào)相機(jī)典型自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

典型的自并勵(lì)控制傳遞函數(shù)框圖如圖6所示，機(jī)端電壓偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)AVR自動(dòng)控制器PI調(diào)節(jié)得到AVR勵(lì)磁電壓信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)觸發(fā)角控制器、整流橋整流得到勵(lì)磁直流電壓Efd，其平均值如式(3)所示。

(3)

其中，Ud為勵(lì)磁電壓Efd的平均值,U2為勵(lì)磁變低電壓側(cè)有效值，α為調(diào)節(jié)器觸發(fā)角，γ為觸發(fā)角換相角。如圖6虛線框中所示，在同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中引入無(wú)功調(diào)壓補(bǔ)償，確保動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，通過(guò)調(diào)節(jié)KQ，確保系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定波動(dòng)不會(huì)影響調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功的儲(chǔ)備。

2 同步調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)特性與仿真

新型同步調(diào)相機(jī)作為穩(wěn)定的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，具有輸出無(wú)功功率連續(xù)可調(diào)、無(wú)功數(shù)值控制靈活、故障穿越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，易于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了更好地研究同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功特性，需要進(jìn)一步研究同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功特性衡量指標(biāo)。同步調(diào)相機(jī)接入系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 同步調(diào)相機(jī)接入等值系統(tǒng)圖

由圖7可得，其無(wú)功電流增量ΔId可由公式(4)表達(dá)：

ΔId=

(4)

其中：

(5)

(6)

KA為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，假設(shè)無(wú)功電流增量ΔId在-ΔU上的投影與ΔU的比值為有效的無(wú)功電流增益KiQ，即有：

KiQ=ΔId·(-ΔU)/|ΔU|2

(7)

利用頻域分析法，令：

G(s)=-ΔId(s)/ΔU(s)

(8)

則可得到：

KiQ=|G(jω)|cos(θw)=Re(G(jω))

(9)

由式(4)～(9)可知，KiQ值越大，表明單位電壓變化引起的無(wú)功增益越大，同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性越好。

在機(jī)端電壓控制模式下，采用三組不同勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)仿真波形如圖8所示，由仿真波形可知，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)于中低頻率段的無(wú)功增益有較大影響。其中波形1參數(shù)：K1=1，KQ=0.1，T11=T12=1，Kiv=0，Ti=30；波形2參數(shù)：K1=1，KQ=0.1，T11=T12=1，Kiv=1，Ti=60，波形3參數(shù)：K1=1，KQ=0.1，T11=T12=0，Kiv=0，Ti=30。

圖8 勵(lì)磁參數(shù)對(duì)調(diào)相機(jī)無(wú)功增益作用

在機(jī)端電壓控制模式下，調(diào)相機(jī)與SVG無(wú)功增益比較仿真波形如圖9所示。相比于SVG，調(diào)相機(jī)中段頻率(10 Hz)以下的無(wú)功增益偏小，高頻率段的無(wú)功增益較強(qiáng)，而SVG在高頻率無(wú)功增益急劇下降，甚至為負(fù)，表明調(diào)相機(jī)高頻響應(yīng)特性或瞬時(shí)無(wú)功輸出特性優(yōu)于SVG。

圖9 調(diào)相機(jī)與SVG無(wú)功增益作用比較

為了更好地提升調(diào)相機(jī)中、低頻率段的無(wú)功增益，在機(jī)端電壓控制模式的基礎(chǔ)上引入高壓母線控制，仿真波形如圖10所示。其中波形1是機(jī)端電壓控制模式的基礎(chǔ)上引入高壓母線控制下無(wú)功增益；波形2為SVG提供無(wú)功增益，波形3為調(diào)相機(jī)僅機(jī)端電壓控制模式下無(wú)功增益。波形1比波形2調(diào)相機(jī)低頻、超低頻率段的無(wú)功增益大幅提升，使得調(diào)相機(jī)在整個(gè)頻率段都有很好的無(wú)功電壓特性，支撐擾動(dòng)的能力充分發(fā)揮。并在全頻率段的無(wú)功增益強(qiáng)于SVG。

圖10調(diào)相機(jī)高壓側(cè)控制無(wú)功增益作用比較

正常勵(lì)磁控制模式下，故障期間高壓母線電壓U仍處于較低水平(如0.9 PU)時(shí)，機(jī)端電壓Ut可能已恢復(fù)至設(shè)定值，不利于充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)短時(shí)過(guò)載能力。因此此時(shí)引入母線高壓側(cè)附加控制，在母線電壓未恢復(fù)之前能保持較高的勵(lì)磁輸出。引入母線高壓側(cè)控制后，隨著調(diào)相機(jī)穩(wěn)態(tài)無(wú)功增益的提高，正常運(yùn)行時(shí)很小的系統(tǒng)電壓波動(dòng)可能導(dǎo)致調(diào)相機(jī)無(wú)功輸出的大幅變化。假設(shè)KiQ=15，則1%的系統(tǒng)電壓波動(dòng)將導(dǎo)致15%的無(wú)功輸出變化，能充分發(fā)揮同步調(diào)相機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力。

3 結(jié)論

新型同步調(diào)相機(jī)作為一種穩(wěn)定的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備接入電網(wǎng)后能提升局部電網(wǎng)的無(wú)功動(dòng)態(tài)特性，增加系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備，能使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。著重分析了同步調(diào)相機(jī)的SFC啟動(dòng)及控制策略，同步調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁控制策略，引入并分析了調(diào)相機(jī)的無(wú)功電流增益，并對(duì)在不同控制方式下在不同頻率下擾動(dòng)的無(wú)功增益表現(xiàn)進(jìn)行了仿真分析。

分析結(jié)果表明，勵(lì)磁參數(shù)對(duì)調(diào)相機(jī)中低頻率段的動(dòng)態(tài)特性有較大影響，因此對(duì)于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)實(shí)測(cè)及校核十分必要。同步調(diào)相機(jī)在機(jī)端電壓加高壓母線輔助控制模式下，在全頻率段的無(wú)功電壓特性要優(yōu)于SVG，可考慮在新能源的匯聚點(diǎn)安裝小型調(diào)相機(jī)置換SVG，具有很好的推廣前景，實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐。同時(shí)隨著環(huán)保壓力的增大和新能源的快速發(fā)展，在新能源集中饋入的受端系統(tǒng)中常規(guī)機(jī)組占比必然逐步減小，調(diào)相機(jī)在置換常規(guī)機(jī)組確保受端系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐方面有望發(fā)揮重要作用。