分布式調(diào)相機(jī)布置方式研究

孫雙魁，何 莉，孫建聿，呂鈞章，馬鴻翔

(中國電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司，青海 西寧 810008)

0 引言

SVG(靜止同步補(bǔ)償器，亦稱STATCOM)是基于電壓源換流器的并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置，為系統(tǒng)提供容性或感性的注入電流，能夠?qū)崟r快速調(diào)節(jié)無功功率。根據(jù)對比基礎(chǔ)工況和加裝SVG、加裝調(diào)相機(jī)仿真結(jié)果，調(diào)相機(jī)暫態(tài)響應(yīng)速度明顯快于SVG，近區(qū)換流母線和近區(qū)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端母線電壓峰值USVG>U基礎(chǔ)工況>U調(diào)相機(jī)，即調(diào)相機(jī)改善了暫態(tài)壓升水平，而SVG由于存在延時環(huán)節(jié)惡化了暫態(tài)壓升問題，換流母線暫態(tài)電壓峰值相差接近0.1 p.u.。

而調(diào)相機(jī)可提供次暫態(tài)無功支撐能力，可以在幾十毫秒內(nèi)將定轉(zhuǎn)子儲存的電磁場能提供至電網(wǎng)，有效抑制系統(tǒng)暫態(tài)過電壓和低電壓，并通過優(yōu)化d軸暫態(tài)時間常數(shù)和提高強(qiáng)勵倍數(shù)等措施提升調(diào)相機(jī)暫態(tài)響應(yīng)速度，大幅提升短時過載能力，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，為系統(tǒng)提供調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，為新能源集中送出的弱送端系統(tǒng)提供慣量支撐。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(GB38755-2019)2.5.6條中指出，電力系統(tǒng)應(yīng)具備基本的慣量和短路容量支撐，在新能源并網(wǎng)發(fā)電比重較高的地區(qū)，新能源場站應(yīng)提供必要慣量和短路容量支撐。

經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)分布式調(diào)相機(jī)的運(yùn)行情況很少，本文結(jié)合青海地區(qū)某項(xiàng)目實(shí)際規(guī)劃情況，從單套分布式調(diào)相機(jī)入手，提出其基本構(gòu)成，并對主要構(gòu)成部件進(jìn)行簡要介紹，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較對在高海拔地區(qū)的分布式調(diào)相機(jī)布置方式進(jìn)行優(yōu)選，并提出相關(guān)建議，為今后“雙碳”時期的電力建設(shè)提供參考。

1 電氣接線

分布式調(diào)相機(jī)出口電壓為10.5 kV，經(jīng)變壓器升壓至35 kV后，通過斷路器直接接入變電站母線，分布式調(diào)相機(jī)容量為50 Mvar，輸出無功范圍為-50～+50 Mvar。升壓變壓器容量選擇60 MVA，無載調(diào)壓，電壓比為38.5±2x2.5%/10.5 kV，接線組別Yn/d11，短路阻抗為Ud=11%，調(diào)相機(jī)系統(tǒng)接線簡圖如圖1所示。

圖1 分布式調(diào)相機(jī)接線簡圖

2 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)

2.1 調(diào)相機(jī)本體

主機(jī)采用50 Mvar全空冷型隱極式調(diào)相機(jī)，占地較小，型式為三相二極同步電機(jī)。調(diào)相機(jī)軸承采用整體座式軸承，軸承座分為上半軸承座和下半軸承座，如圖2所示。

圖2 分布式調(diào)相機(jī)主機(jī)外形圖

2.2 升壓變壓器及絕緣管型母線

升壓變壓器選用油浸式三相雙繞組無載調(diào)壓變壓器，容量為60 MVA，電壓比為38.5±2×2.5%/10.5 kV，接線組別Yn/d11，短路阻抗為Ud=11%，采用戶外布置。

50 MVar分布式調(diào)相機(jī)出口電流為2 749.3 A，常規(guī)采用架空絕緣管型母線與升壓變壓器直接連接，調(diào)相機(jī)出口設(shè)置電壓互感器及避雷器。

2.3 啟動系統(tǒng)

目前常規(guī)為SFC變頻啟動方式，變頻啟動方式對電網(wǎng)無沖擊，可以按一拖多方式布置。50 MVar調(diào)相機(jī)的起動變頻器功率選擇4 MW，為級聯(lián)式電壓源變頻器，靜止變頻器采用12-6脈動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，額定輸出功率1.2 MW，啟動系統(tǒng)能在600 s內(nèi)將調(diào)相機(jī)加速至并網(wǎng)。

2.4 勵磁系統(tǒng)

調(diào)相機(jī)配置1套勵磁系統(tǒng)?；谙到y(tǒng)對調(diào)壓效果的需要，對調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)根據(jù)調(diào)相機(jī)的遲相和進(jìn)相能力提供相應(yīng)的勵磁電流以及相關(guān)的控制。

調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)主要由機(jī)端勵磁變壓器、啟動勵磁變、整流裝置、自動電壓調(diào)節(jié)器，滅磁與過電壓保護(hù)裝置和啟勵裝置等組成。

啟動勵磁系統(tǒng)主要性能為，在SFC變頻拖動過程中為調(diào)相機(jī)提供勵磁，配合SFC完成調(diào)相機(jī)升速；在調(diào)相機(jī)惰轉(zhuǎn)期間，應(yīng)能可靠切換到主勵磁，切換成功率大于99%；并網(wǎng)失敗后，能夠滿足快速再啟動的要求；配合DCS系統(tǒng)完成啟動流程。

2.5 調(diào)相機(jī)冷卻

分布式調(diào)相機(jī)采用開啟式冷卻技術(shù)，取消冷卻器設(shè)計(jì)，廠房內(nèi)就地取風(fēng)，室外排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對調(diào)相機(jī)的有效冷卻，如圖3所示。

圖3 調(diào)相機(jī)主機(jī)與冷卻器整體圖

2.6 潤滑油系統(tǒng)

調(diào)相機(jī)配套的潤滑油系統(tǒng)，其儲油箱、潤滑油模塊、潤滑油冷卻器和真空濾油機(jī)4部分可為一體設(shè)置，也可分散布置，因廠家而異，單臺調(diào)相機(jī)配備1臺儲油箱。

3 布置方案

分布式調(diào)相機(jī)站系統(tǒng)設(shè)備包括調(diào)相機(jī)、變壓器、潤滑油系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、變頻啟動系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控及繼電保護(hù)裝置。

3.1 主機(jī)及潤滑油系統(tǒng)布置

分布式調(diào)相機(jī)為新能源場站長期提供轉(zhuǎn)動慣量及短路容量，使用壽命在30年以上。參考國內(nèi)三大主機(jī)廠(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司、上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠)分布式調(diào)相機(jī)資料，其最大外形尺寸(含隔音罩)約為11.9×5.5×10 m(長×寬×高)，可按最大尺寸開展設(shè)計(jì)。

分布式調(diào)相機(jī)出廠前已完成定子、轉(zhuǎn)子組裝機(jī)調(diào)試，主機(jī)整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場。調(diào)相機(jī)的檢修周期8年左右，屆時可能存在抽轉(zhuǎn)子檢修的情況，故需要考慮廠房內(nèi)預(yù)留抽轉(zhuǎn)子檢修的空間，根據(jù)轉(zhuǎn)子長度，在調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子中心線軸向預(yù)留8 m檢修空間。

考慮調(diào)相機(jī)隔音罩在現(xiàn)場的安裝及調(diào)相機(jī)檢修需拆除隔音罩等情況，調(diào)相機(jī)廠房需設(shè)置單軌吊行車，隔音罩的最大單件起吊重量約4 t，保留一定的裕度，單軌吊行車起吊重量按10 t設(shè)置；哈電生產(chǎn)的分布式調(diào)相機(jī)帶隔音罩的外形高度約10 m，考慮單軌吊行車吊鉤及掛線高度為3 m，廠房高度暫按15 m考慮。

根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB50229-2019)6.5.1第2條規(guī)定：汽輪機(jī)的主油箱、油泵、冷油器及油凈化裝置等油系統(tǒng)設(shè)備，宜集中布置在汽輪機(jī)零米層機(jī)頭靠A列柱側(cè)處并遠(yuǎn)離高溫管道；6.5.1第14條規(guī)定：潤滑油區(qū)、調(diào)節(jié)油供油裝置應(yīng)設(shè)置防泄漏和防火措施。經(jīng)與潤滑油廠家咨詢，調(diào)相機(jī)潤滑油系統(tǒng)采用抗燃潤滑油，根據(jù)調(diào)相機(jī)與潤滑油系統(tǒng)為同等防火等級(丙二級)，故無需將調(diào)相機(jī)潤滑油系統(tǒng)單獨(dú)封閉房間布置。主油箱集裝裝置布置在調(diào)相機(jī)軸向位置，貯油箱及真空凈油裝置就近布置，可提高供油效率。

調(diào)相機(jī)周圍應(yīng)留有便于巡視的通道，考慮凈距按不小于2 m設(shè)置，故主機(jī)廠房寬度暫按10 m設(shè)置，結(jié)合廠家建議及滿足防火規(guī)范的前提下，調(diào)相機(jī)主機(jī)及潤滑油系統(tǒng)為一間，廠房整體尺寸按28.5×10×15 m(長×寬×高)考慮，可根據(jù)實(shí)際訂貨設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 其他

本站用電系統(tǒng)包含10 kV開關(guān)柜部分、廠用變壓器及0.4 kV GCS抽屜式柜。10 kV開關(guān)柜部分包含8面開關(guān)柜，按部分負(fù)荷為雙電源需求，廠用變壓器可按2臺配置。

SFC變頻啟動系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)可戶內(nèi)廠房整體布置，或單獨(dú)集裝箱布置。

0.4 kV配電裝置和保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)布置方式可采用磚混和預(yù)制艙兩種不同方案。

4 整體布置方案

4.1 主機(jī)系統(tǒng)與保護(hù)監(jiān)控聯(lián)合布置方案(方案一)

該方案為保護(hù)監(jiān)控室和啟動及勵磁小室與調(diào)相機(jī)主機(jī)廠房聯(lián)合布置，調(diào)相機(jī)主機(jī)廠房整體尺寸為28.5×10×15 m(長×寬×高)，保護(hù)監(jiān)控室和啟動及勵磁小室尺寸分別為12.9×8.7×5.1 m和15.6×8.7×5.1 m。廠用電系統(tǒng)布置在調(diào)相機(jī)廠房北側(cè)，采用框架結(jié)構(gòu)建筑，10 kV開關(guān)柜采用充氣柜，兩臺廠用變壓器采用油浸式戶外布置，0.4 kV采用GCS抽屜式開關(guān)柜戶內(nèi)布置，布置如圖4所示。

圖4 主機(jī)系統(tǒng)與保護(hù)監(jiān)控聯(lián)合布置方案

4.2 主機(jī)系統(tǒng)與廠用電聯(lián)合布置方案(方案二)

該方案為廠用電室和啟動及勵磁小室與調(diào)相機(jī)主機(jī)廠房聯(lián)合布置，調(diào)相機(jī)主機(jī)廠房尺寸同方案一，廠用電室和啟動及勵磁小室尺寸分別為12.9×8.7×5.1 m(長×寬×高)和15.6×8.7×5.1 m。10 kV開關(guān)柜采用充氣柜并布置于預(yù)制艙內(nèi)，兩臺廠用變壓器采用干式帶外殼變壓器，與0.4 kV GCS抽屜式開關(guān)柜戶內(nèi)布置。保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)采用預(yù)制艙方式，在滿足防火距離的前提下布置于調(diào)相機(jī)主廠房南北兩側(cè)，布置如圖5所示。

圖5 主機(jī)系統(tǒng)與廠用電聯(lián)合布置方案

4.3 勵磁及保護(hù)監(jiān)控預(yù)制艙布置方案(方案三)

該方案調(diào)相機(jī)主機(jī)廠房及廠用電系統(tǒng)布置及尺寸同方案一，將保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)與啟動及勵磁系統(tǒng)均采用預(yù)制艙方式，在滿足防火距離的前提下布置于調(diào)相機(jī)主廠房南北兩側(cè)，該方案中僅將勵磁變壓器單獨(dú)布置于戶外，是便于與調(diào)相機(jī)出口管型母線連接，PT柜采用電纜與調(diào)相機(jī)出口管性母線連接，布置如圖6所示。

圖6 勵磁及保護(hù)監(jiān)控預(yù)制艙布置方案

5 方案比較

5.1 技術(shù)方面

方案一整體廠房布置緊湊，考慮新風(fēng)系統(tǒng)后可完全滿足青海高寒大風(fēng)沙環(huán)境，設(shè)備操作及巡視均在戶內(nèi)密閉空間內(nèi)，無論對設(shè)備還是運(yùn)行檢修人員均為良好的保護(hù)，同時，若將調(diào)相機(jī)冷卻系統(tǒng)稍加改造，可解決廠房內(nèi)的供暖問題；廠用電系統(tǒng)集中室內(nèi)布置，與調(diào)相機(jī)、2臺變壓器(調(diào)相機(jī)升壓變壓器、總降壓變壓器)功能劃分明晰，便于運(yùn)行管理，且該方案采用油浸變壓器，同時10 kV開關(guān)柜、廠用變壓器及0.4 kV開關(guān)柜集中布置，有效減少了之間的高壓連接電纜。

方案二為啟動及勵磁系統(tǒng)為戶內(nèi)布置，勵磁變壓器、PT及PB與調(diào)相機(jī)出口母線更便于連接，運(yùn)行條件安全；10 kV開關(guān)柜室、保護(hù)及監(jiān)控均采用預(yù)制艙，廠用變壓器為干式與GCS柜并排戶內(nèi)布置，出廠前完成安裝調(diào)試，現(xiàn)場僅制作基礎(chǔ)，單項(xiàng)施工安裝快捷；運(yùn)行人員經(jīng)常操作、巡視啟動及勵磁系統(tǒng)，若啟動及勵磁系統(tǒng)遠(yuǎn)離調(diào)相機(jī)，不便于運(yùn)行及維護(hù)。

方案三保護(hù)監(jiān)控及啟動勵磁系統(tǒng)采用預(yù)制艙，勵磁系統(tǒng)工作時發(fā)熱較為嚴(yán)重，預(yù)制艙空間較小，需要重點(diǎn)考慮通風(fēng)機(jī)散熱問題；需單獨(dú)考慮調(diào)相機(jī)出口的管型母線與保護(hù)用PT的電纜連接問題，整體工藝不美觀、對后期巡視造成不便；運(yùn)行人員經(jīng)常操作、巡視啟動及勵磁系統(tǒng)，若啟動及勵磁系統(tǒng)遠(yuǎn)離調(diào)相機(jī)，不便于運(yùn)行及維護(hù)。

5.2 經(jīng)濟(jì)方面

在廠家詢價的基礎(chǔ)上，對上述3個方案進(jìn)行了投資估算，估算費(fèi)用見下表1。

表1 經(jīng)濟(jì)比較 /萬元

從上表看出，3個方案投資相當(dāng)，方案一整體布置工整，功能劃分明確；方案二、方案三中的預(yù)制艙方案理論上可以制造，但目前在調(diào)相機(jī)系統(tǒng)中尚無使用業(yè)績；在調(diào)研過程中，了解到調(diào)相機(jī)的生產(chǎn)制造周期需要8個月之久，是工程能否按預(yù)定時間順利投運(yùn)的關(guān)鍵控制項(xiàng)，預(yù)制艙方案雖然能做到出廠前完成安裝及調(diào)試、現(xiàn)場安裝對接便捷、大幅節(jié)省時間等優(yōu)點(diǎn)，但對比調(diào)相機(jī)的制造周期，預(yù)制艙的優(yōu)勢不再凸顯；故不推薦采用方案二、方案三。

6 結(jié)論

站址區(qū)域?yàn)楦咴瓯趨^(qū)域，海拔高、風(fēng)沙大、日夜溫差大，考慮調(diào)相機(jī)30年使用壽命，為使調(diào)相機(jī)及潤滑油系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、變頻啟動系統(tǒng)能輔助設(shè)施提供一個良好的運(yùn)行環(huán)境，認(rèn)為鑒于高海拔特殊氣候，應(yīng)依靠科技進(jìn)步，采用可靠、先進(jìn)、實(shí)用的設(shè)備，保證設(shè)備的安全運(yùn)行，提高供電可靠性，減少工作人員在高海拔缺氧地區(qū)的檢修維護(hù)工作量，推薦調(diào)相機(jī)及附屬設(shè)施采用戶內(nèi)廠房布置。