新型大容量調(diào)相機(jī)原理及運(yùn)行控制

蘇東亮 鄧化運(yùn)

（山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著大容量、遠(yuǎn)距離特高壓交直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用，“強(qiáng)直弱交”問(wèn)題進(jìn)一步突出，電網(wǎng)、電源、負(fù)荷的交互特性更加復(fù)雜，大功率缺額情況下的區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定控制能力面臨更高要求，電壓穩(wěn)定將成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重點(diǎn)問(wèn)題之一，現(xiàn)階段也有將換流站模擬為同步發(fā)電機(jī)的柔性直流輸電理 論[1-7]。新型大容量調(diào)相機(jī)作為換流站（變電站）大容量動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐設(shè)備，契合國(guó)網(wǎng)公司“大直流輸電、強(qiáng)無(wú)功支撐”的發(fā)展方向，其控制策略貫穿整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，直接影響其運(yùn)行的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

1 新型大容量調(diào)相機(jī)原理分析

因現(xiàn)階段電網(wǎng)電壓近似于恒定值，調(diào)相機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況下，可將其有功功率Pem假設(shè)為恒定[8-11]?，F(xiàn)階段調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞電阻損耗與其容量相比非常小，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒壓電網(wǎng)中且電樞電阻損耗忽略不計(jì)時(shí)，其有功功率Pem計(jì)算如下。

由

可得

式中：m為固定系數(shù)可近似為1；Pem、P1均為有功功率；U為定子電壓；I為定子電流；E0為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)；θ為電動(dòng)機(jī)功角；cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；Xt為電動(dòng)機(jī)電抗；j(E0/Xt)sinθ為電感電流的有功分量。

因假設(shè)Pem為常數(shù)，且電動(dòng)機(jī)電壓U、電流I及電感電流的有功分量j(E0/Xt)sinθ均可視為常數(shù)，可得

此時(shí)電動(dòng)機(jī)相量圖如圖1所示（圖中 tjIX˙ 為電感電壓），因勵(lì)磁電流與電動(dòng)勢(shì)E0成正比，改變其勵(lì)磁電流可調(diào)節(jié)調(diào)相機(jī)收發(fā)無(wú)功功率的大小。

圖1 同步電動(dòng)機(jī)相量圖

當(dāng)調(diào)相機(jī)功率因數(shù)cosφ=1時(shí)電樞電流全部為有功電流。根據(jù)φ的變化及式（4），可得調(diào)相機(jī)無(wú)功功率為

式中，Qem為調(diào)相機(jī)無(wú)功功率。

當(dāng)其欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)角φ滯后，等效為感性負(fù)載，從電網(wǎng)吸收滯后無(wú)功。當(dāng)其過(guò)勵(lì)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)角φ超前，等效為容性負(fù)載，從電網(wǎng)吸收超前無(wú)功。

同步電機(jī)在有功功率恒定，勵(lì)磁電流變化時(shí)電 樞電流I隨勵(lì)磁電流If變化的曲線為典型的 V形曲線，如圖2所示，曲線最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)一定機(jī)端電壓時(shí)同步電機(jī)空載狀態(tài)。

圖2 同步電動(dòng)機(jī) I =∫(I f )曲線

對(duì)于調(diào)相機(jī)而言，因其軸功率交換幾乎為零，所以定子電流中有功分量很小，損耗遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)的磁阻損耗，與容量相比可以忽略，可認(rèn)為Pem≈0、 功角θ≈0，即圖2中趨向于最下方曲線。 此時(shí)，過(guò)勵(lì)工況下電流超前電壓約90°，欠勵(lì)工況下電流滯后電壓約90°，相量圖由圖1逐漸變?yōu)閳D3。因調(diào)相機(jī)在現(xiàn)階段電網(wǎng)環(huán)境中具備以上特性，可通過(guò)其勵(lì)磁系統(tǒng)控制勵(lì)磁電流作為主要手段，調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功功率。

圖3 調(diào)相機(jī)相量圖

新型大容量調(diào)相機(jī)投運(yùn)的主要目的為增加電力系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)故障時(shí)提供有效的電壓支撐。為此它必須具備收發(fā)無(wú)功調(diào)節(jié)范圍大、電壓支撐能力強(qiáng)、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。

調(diào)相機(jī)內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)E0為

式中：f為調(diào)相機(jī)當(dāng)前頻率；Ne為調(diào)相機(jī)定子繞組匝數(shù)；Kp為節(jié)距因數(shù)（由電動(dòng)機(jī)本體確定）；φm為每極磁通。

為保證調(diào)相機(jī)容量及電壓支撐能力滿足現(xiàn)階段需求，主機(jī)本體相關(guān)參數(shù)整體大幅增加；為保證其快速響應(yīng)能力，每極磁通φm需升至較高數(shù)值，即調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)具備承受較高勵(lì)磁電流的能力。新型大容量調(diào)相機(jī)在無(wú)功容量、暫態(tài)特性、智能程度、冷卻性能等諸多方面遠(yuǎn)超傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)。

2 新型大容量調(diào)相機(jī)的運(yùn)行控制探討

作為特高壓直流調(diào)相機(jī)配套工程所采用的新一代調(diào)相機(jī)組，需要滿足“暫動(dòng)態(tài)特性好、安全可靠性高、運(yùn)維方便”等特性[12-14]。為滿足以上特性，新一代調(diào)相機(jī)控制策略按運(yùn)行工況分為三階段：起動(dòng)階段、運(yùn)行階段、停機(jī)階段?，F(xiàn)以上海電機(jī)廠國(guó)內(nèi)首臺(tái)送端調(diào)相機(jī)與哈爾濱電機(jī)廠國(guó)內(nèi)首臺(tái)受端調(diào)相機(jī)廠內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)及山東某調(diào)相機(jī)工程為例，改進(jìn)優(yōu)化三階段控制策略，分析三階段技術(shù)難點(diǎn)或注意事項(xiàng)。

2.1 起動(dòng)階段

起動(dòng)階段勵(lì)磁系統(tǒng)主要功能為：他勵(lì)模式為靜止變頻器（static frequency converter, SFC）拖動(dòng)工況下的調(diào)相機(jī)提供勵(lì)磁電源[15-16]。調(diào)相機(jī)起動(dòng)階段流程如圖4所示，起動(dòng)勵(lì)磁收SFC“起動(dòng)勵(lì)磁開(kāi)機(jī)令”后進(jìn)入電流閉環(huán)模式，發(fā)“起動(dòng)勵(lì)磁他勵(lì)電源開(kāi)關(guān)合閘令”“起動(dòng)勵(lì)磁隔離開(kāi)關(guān)合閘令”“起動(dòng)勵(lì)磁滅磁開(kāi)關(guān)合閘令”；確認(rèn)以上開(kāi)關(guān)反饋正確后延時(shí)1s進(jìn)入開(kāi)機(jī)狀態(tài)，發(fā)脈沖并計(jì)時(shí)；根據(jù)SFC發(fā)出的“模擬量控制信號(hào)”增磁，并拖動(dòng)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速至3 150r/min后切除SFC設(shè)備，繼續(xù)增磁；當(dāng)給定值升至約25%額定機(jī)端電壓，即0.25Uem時(shí)分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）發(fā)開(kāi)機(jī)令，主勵(lì)磁起動(dòng)繼續(xù)增磁同時(shí)退出起動(dòng)勵(lì)磁；在判斷起動(dòng)勵(lì)磁完全退出后主勵(lì)磁增至額定并切換為系統(tǒng)電壓跟蹤控制模式，進(jìn)入墮速并網(wǎng)工況。勵(lì)磁系統(tǒng)維持系統(tǒng)電壓跟蹤模式，保持機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓幅值相同，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速因SFC退出失去動(dòng)力源而緩慢墮速至3 000r/min。同期裝置檢測(cè)到機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓的電壓差、相位差、頻率差均在設(shè)定值內(nèi)發(fā)出“并網(wǎng)開(kāi)關(guān)合閘指令”，調(diào)相機(jī)并網(wǎng)成功。若因特殊原因?qū)е洛e(cuò)過(guò)并網(wǎng)窗口，則進(jìn)入快速再起動(dòng)流程，待機(jī)端電壓降至設(shè)定值后SFC再次投入并重復(fù)上述流程，拖動(dòng)調(diào)相機(jī)至3 150r/min后退出，勵(lì)磁系統(tǒng)增磁至額定機(jī)端電壓，調(diào)相機(jī)墮速并網(wǎng)成功。在上述快速再起動(dòng)流程中為縮短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，SFC再次投入并起動(dòng)拖動(dòng)功能不受當(dāng)前機(jī)組轉(zhuǎn)速制約。

圖4 調(diào)相機(jī)起動(dòng)階段流程

調(diào)相機(jī)起動(dòng)階段技術(shù)難點(diǎn)或注意事項(xiàng)有四點(diǎn)：

1）起動(dòng)勵(lì)磁與主勵(lì)磁切換。起動(dòng)勵(lì)磁功能為SFC拖動(dòng)階段提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁能力較弱。主勵(lì)磁為機(jī)組建壓至額定及正常運(yùn)行階段提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁能力較強(qiáng)。起動(dòng)初期，起動(dòng)勵(lì)磁運(yùn)行，主勵(lì)磁退出，起動(dòng)后期，主勵(lì)磁運(yùn)行，起動(dòng)勵(lì)磁退出，兩者存在銜接問(wèn)題?，F(xiàn)階段根據(jù)勵(lì)磁廠家不同有兩種銜接方式：串聯(lián)切換與并聯(lián)切換。從起動(dòng)階段穩(wěn)定性考慮推薦并聯(lián)切換，即SFC拖動(dòng)階段初期起動(dòng)勵(lì)磁提供勵(lì)磁電流穩(wěn)定增加，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至設(shè)定值后主勵(lì)磁起動(dòng)穩(wěn)定升壓，因起動(dòng)勵(lì)磁與主勵(lì)磁輸出端均配置防止勵(lì)磁電流逆流裝置，主勵(lì)磁電壓大于起動(dòng)勵(lì)磁電壓時(shí)調(diào)相機(jī)平穩(wěn)過(guò)渡為由主勵(lì)磁提供勵(lì)磁電流，此時(shí)起動(dòng)勵(lì)磁退出。相較于串聯(lián)切換，并聯(lián)切換較為平穩(wěn)。

2）調(diào)相機(jī)中性點(diǎn)接地電阻柜接地開(kāi)關(guān)與SFC配合。起動(dòng)初期必須將中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)分閘位置作為SFC起動(dòng)的允許條件，并將“SFC已退出”作為中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)合閘的允許條件。因起動(dòng)初期大軸轉(zhuǎn)速近似為零，SFC輸出電壓頻率也近似為零，若中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)將導(dǎo)致頻率近似為零的定子電壓經(jīng)調(diào)相機(jī)定子繞組與中性點(diǎn)接地電阻柜直接接地，不利于SFC安全運(yùn)行。

3）SFC送至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的“模擬量給定值信號(hào)”必須整定合適并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。此信號(hào)一般為4～20mA模擬量，SFC側(cè)與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器側(cè)信號(hào)量程必須整定一致。起動(dòng)階段調(diào)相機(jī)定子電壓與轉(zhuǎn)子電流均需同步穩(wěn)定增加。為保證調(diào)相機(jī)升速階段穩(wěn)定可控，實(shí)際升速過(guò)程以SFC為主，勵(lì)磁系統(tǒng)跟蹤SFC發(fā)出“模擬量給定值信號(hào)”，經(jīng)電流環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流幅值。

4）轉(zhuǎn)速升至大于620r/min時(shí)頂軸油泵自動(dòng)停運(yùn)。

起動(dòng)階段勵(lì)磁系統(tǒng)控制策略主要有兩種，起動(dòng)初期主要為恒勵(lì)磁電流控制，墮速并網(wǎng)時(shí)改為恒電壓控制。第一種，恒勵(lì)磁電流控制主要為滿足SFC系統(tǒng)拖動(dòng)需求，起動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)SFC發(fā)出的“模擬量給定值信號(hào)”采用電流閉環(huán)控制，恒定調(diào)相機(jī)內(nèi)部磁通，此時(shí)其內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)E0如式（8）所示。第二種，恒電壓控制主要為滿足墮速并網(wǎng)需求。此時(shí)SFC已退出，機(jī)組頻率緩慢下降，調(diào)相機(jī)與系統(tǒng)相位差因頻率差存在做持續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)，直接控制此變量難度較大。恒定機(jī)端電壓后并網(wǎng)判據(jù)變量近似為只剩頻率，在頻率墮入并網(wǎng)窗口時(shí)只需等待相位差落入并網(wǎng)區(qū)間則具備“并網(wǎng)合閘指令”開(kāi)出條件，實(shí)現(xiàn)調(diào)相機(jī)自動(dòng)同期并網(wǎng)。

2.2 正常運(yùn)行階段

調(diào)相機(jī)并網(wǎng)后，在系統(tǒng)電壓穩(wěn)定時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)主要以電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)為主。穩(wěn)定機(jī)端電壓，根據(jù)系統(tǒng)需求通過(guò)式（7）、式（8）調(diào)節(jié)勵(lì)磁給定值控制調(diào)相機(jī)收、發(fā)無(wú)功功率Qem大小。在系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落或突增時(shí)快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率Qem實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的功能。期間勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)限制與正常發(fā)電機(jī)組類似，通過(guò)V/Hz限制、欠勵(lì)限制、過(guò)勵(lì)限制、定子電流限制等保證勵(lì)磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因調(diào)相機(jī)設(shè)計(jì)理念為具備快速大量收、發(fā)無(wú)功的功能，勵(lì)磁系統(tǒng)承受過(guò)勵(lì)的能力在設(shè)計(jì)上要遠(yuǎn)大于普通發(fā)電機(jī)組。調(diào)相機(jī)廠內(nèi)聯(lián)調(diào)中，通過(guò)墮轉(zhuǎn)法從3 300r/min墮速增磁至3.5倍額定定子電流，15s后墮轉(zhuǎn)至2 871r/min測(cè)得定子繞組溫升符合要求；轉(zhuǎn)子繞組反接狀態(tài)額定轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電流工況下機(jī)組溫度穩(wěn)定后，增磁至2.5倍額定勵(lì)磁電流，持續(xù)15s后測(cè)得轉(zhuǎn)子溫升符合要求，采取一系列措施停機(jī)后測(cè)得轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻不低于50MΩ。以上為3.5倍15s額定定子電流過(guò)負(fù)荷試驗(yàn)與2.5倍15s額定轉(zhuǎn)子過(guò)電流試驗(yàn)，由此可見(jiàn)新型調(diào)相機(jī)相較發(fā)電機(jī)組及傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)具有強(qiáng)過(guò)負(fù)荷與強(qiáng)勵(lì)能力。

2.3 停機(jī)階段

停機(jī)階段分為正常停機(jī)與事故停機(jī)。正常停機(jī)流程如圖5所示：DCS發(fā)“無(wú)功歸零指令”；主勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將無(wú)功輸出Qem調(diào)節(jié)至0，發(fā)“無(wú)功減載完成”反饋；DCS接受反饋后分并網(wǎng)開(kāi)關(guān)；主勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測(cè)到并網(wǎng)開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗪筮M(jìn)入空載狀態(tài)；DCS發(fā)“主勵(lì)停機(jī)”令；主勵(lì)磁調(diào)節(jié)器逆變滅磁后分滅磁開(kāi)關(guān)。

圖5 調(diào)相機(jī)正常停機(jī)流程

事故停機(jī)流程如圖6所示：對(duì)于主勵(lì)磁運(yùn)行工況，保護(hù)停機(jī)令發(fā)出后，聯(lián)跳滅磁開(kāi)關(guān)與并網(wǎng)斷路器，同時(shí)主勵(lì)磁逆變封脈沖；對(duì)于起動(dòng)勵(lì)磁運(yùn)行工況，勵(lì)磁系統(tǒng)收到SFC跳閘令或保護(hù)跳閘令后跳起動(dòng)勵(lì)磁滅磁開(kāi)關(guān)，同時(shí)起動(dòng)勵(lì)磁逆變封脈沖，然后分起動(dòng)勵(lì)磁隔離開(kāi)關(guān)與他勵(lì)電源開(kāi)關(guān)。

圖6 調(diào)相機(jī)事故停機(jī)流程

調(diào)相機(jī)停機(jī)階段技術(shù)難點(diǎn)和注意事項(xiàng)有兩點(diǎn)：

1）墮速過(guò)程中的交流阻抗測(cè)量，此試驗(yàn)依據(jù)機(jī)組狀況按需進(jìn)行。新型大容量調(diào)相機(jī)與發(fā)電機(jī)組及傳統(tǒng)由火電改造的調(diào)相機(jī)的不同點(diǎn)之一為，無(wú)法在勵(lì)磁退出的工況下維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一數(shù)值。只能在墮速工況下測(cè)量其在不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有兩種可行的測(cè)量方法。一種為進(jìn)入墮速工況，已完善防起勵(lì)措施后在轉(zhuǎn)子施加穩(wěn)定電壓，實(shí)時(shí)記錄轉(zhuǎn)子外加交流電壓、電流計(jì)算功率及阻抗。另一種為進(jìn)入墮速工況，已完善防起勵(lì)措施后使用交流阻抗測(cè)試儀自動(dòng)測(cè)量功能測(cè)量某一轉(zhuǎn)速區(qū)間不同電壓下的功率損耗及阻抗，在操作熟練的前提下所測(cè)量數(shù)值與第一種一致。

2）轉(zhuǎn)速降至小于620r/min時(shí)頂軸油泵自動(dòng)起動(dòng)。

3 結(jié)論

利用新型大容量調(diào)相機(jī)吸收或發(fā)出大量無(wú)功且無(wú)功數(shù)值能夠快速連續(xù)調(diào)節(jié)的特性，可為電網(wǎng)提供大容量無(wú)功備用，有效提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、運(yùn)行性能及效益，有效緩解電網(wǎng)系統(tǒng)故障時(shí)對(duì)電壓支撐的需求。本文分析了調(diào)相機(jī)無(wú)功控制原理，結(jié)合實(shí)際工程探討其在三種不同工況下的控制策略及技術(shù)難點(diǎn)、注意事項(xiàng)?，F(xiàn)階段大容量調(diào)相機(jī)也存在諸多不足與缺陷。比如，調(diào)相機(jī)作為可以連續(xù)、大量、快速調(diào)節(jié)無(wú)功的設(shè)備與其他無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備及直流輸電設(shè)備間的配合，有待進(jìn)一步探討。