王 瀟周 平王 洋李志強(qiáng)

（1.東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司，四川 德陽 618000；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

大容量調(diào)相機(jī)靜止變頻器起動方式研究

王 瀟1周 平1王 洋1李志強(qiáng)2

（1.東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司，四川 德陽 618000；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

本文介紹了靜止變頻器（SFC）起動方式的原理，對兩種起動方案進(jìn)行了對比研究，通過建模仿真分析SFC容量與起動時間的關(guān)系。研究表明兩種起動方案各有其優(yōu)缺點，均能滿足調(diào)相機(jī)起動的需求。

調(diào)相機(jī)；靜止變頻器；起動回路；起動流程

調(diào)相機(jī)又稱同步補(bǔ)償機(jī)，實質(zhì)是接在電網(wǎng)上的一種空載運行的同步電動機(jī)，它僅從電網(wǎng)吸收少量的有功功率來維持運行時的空載損耗（機(jī)械損耗、銅耗和鐵耗），專門用來補(bǔ)償系統(tǒng)無功的不足和吸收系統(tǒng)多余的無功，改善系統(tǒng)功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)中的損耗，對調(diào)整電網(wǎng)電壓和提供電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性具有較好的作用。

雖然目前 SVC靜止無功補(bǔ)償?shù)纫噪娏﹄娮釉橹鞯臒o功補(bǔ)償設(shè)備占據(jù)了電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的主要市場，但是經(jīng)過研究表明：在電網(wǎng)電壓大幅跌落的情況下，調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵作用可快速向系統(tǒng)提供無功缺額，對于維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定具有SVC不可替代的作用。在歐美發(fā)達(dá)國家電網(wǎng)中采用調(diào)相機(jī)補(bǔ)償無功的方式也占有相當(dāng)大的比例。

隨著我國特高壓直流輸電發(fā)展，為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，根據(jù)系統(tǒng)仿真計算，特高壓直流輸電系統(tǒng)對調(diào)相機(jī)有了新的需求：特高壓直流弱送端系統(tǒng)，兼顧考慮換相失敗引起的暫態(tài)電壓升高和短路容量支撐問題，需要在送端換流站配置300Mvar調(diào)相機(jī)，同時為抑制換相失敗引起的暫態(tài)電壓升高，個別送端換流站要求調(diào)相機(jī)單機(jī)進(jìn)相能力不低于200Mvar。直流受端系統(tǒng)，特別是單一特高壓直流饋入的受電系統(tǒng)，一般在直流近區(qū)電網(wǎng)受電比例超過 30%時，可能出現(xiàn)局部電壓穩(wěn)定問題需要配置300Mvar調(diào)相機(jī)；直流多饋入的受電系統(tǒng)，存在區(qū)域性電壓凹陷，也應(yīng)在直流換流站落點配置300Mvar調(diào)相機(jī)。

因此，大容量調(diào)相機(jī)采用何種方式起動、起動裝置容量如何選擇、起動回路如何設(shè)計成為關(guān)注的熱點。

1 調(diào)相機(jī)的起動方式

由于調(diào)相機(jī)沒有起動力矩，不能自起動，必須采取各種起動方式，包括：①直接起動方式；②電抗器降壓異步起動方式；③電動機(jī)起動方式；④變頻起動方式。其中直接起動和電抗器降壓異步起動方式起動電流大，對調(diào)相機(jī)沖擊大，僅用于小型機(jī)組起動。

電機(jī)起動通過異步電機(jī)與液力耦合器起動調(diào)相機(jī)。該方式受起動電機(jī)和液力耦合器最大功率的限制，同樣存在起動容量較小的問題。

變頻起動采用靜止變頻器SFC把頻率可調(diào)的交變電流加到調(diào)相機(jī)定子上，使調(diào)相機(jī)以調(diào)頻調(diào)速電動機(jī)方式轉(zhuǎn)動起來。采用SFC起動具有以下優(yōu)點：①無復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)方便；②采用負(fù)載換向式變頻器 LCI，采用晶閘管作為功率元件，結(jié)構(gòu)簡單，功率元件少，容量大；③可以根據(jù)起動時間的要求靈活選擇SFC容量；④若調(diào)相機(jī)站有兩臺或以上的調(diào)相機(jī)，起動回路可采用冗余設(shè)計，即兩套SFC起動多臺調(diào)相機(jī)設(shè)計。

因此大容量調(diào)相機(jī)優(yōu)先推薦SFC起動方式。

2 SFC的原理及容量計算

2.1 SFC的原理

SFC由輸入變壓器、DC電抗器、整流器、逆變器、輸出變壓器（根據(jù)起動方案配置，詳見本文3.1）組成，如圖1所示。

圖1 SFC主回路

整流器由1或2個三相六脈波全控可控硅整流橋組成（即6脈波或12脈波），將恒定的三相AC電壓變成可變的DC電壓。

逆變器也是采用三相六脈波全控可控硅整流橋，將整流器輸出的 DC電壓轉(zhuǎn)變成變幅值和變頻率的AC電壓。這個可變的交流電源施加于調(diào)相機(jī)使調(diào)相機(jī)加速到指定的轉(zhuǎn)速。每個裝置的功能見表1。

表1 裝置的功能

調(diào)相機(jī)為同步電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子主要由定子鐵心、三相對稱繞組和機(jī)座和端蓋組成?？臻g上三相對稱繞組通入時間上對稱的三相電流就會產(chǎn)生一個空間旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速為

式中，fs為定子電源頻率，np為電機(jī)極對數(shù)。

同步電機(jī)三相對稱的定子繞組通入三相對稱電流會在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速為 ns。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的勵磁繞組通入直流，在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生一恒定磁場，根據(jù)電機(jī)統(tǒng)一理論，兩磁場在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時，必須保持相對靜止，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

2.2 SFC容量計算

工程應(yīng)用中，靜止變頻器 SFC容量直接影響SFC裝置體積及設(shè)備造價。因此應(yīng)選擇滿足調(diào)相機(jī)運行要求的SFC容量，避免將SFC容量選得太大。靜止變頻器SFC在起動的過程中，拖動轉(zhuǎn)矩TM與阻力轉(zhuǎn)矩TR之間的關(guān)系如下：

式中，TM為SFC的拖動轉(zhuǎn)矩，N·m；TR為機(jī)組的阻尼轉(zhuǎn)矩，N·m（轉(zhuǎn)速的函數(shù)）；J為機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量，t·m2；Ω 為機(jī)組的阻尼轉(zhuǎn)矩，N·m。

其中J與飛輪矩GD2的關(guān)系為

式中，GD2單位為N·m2；g為重力加速度，m/s2。

求解上述微分方程，推導(dǎo)如下：

式中，PSFC為SFC的容量，W；PR為機(jī)組起動過程中與阻力轉(zhuǎn)矩相當(dāng)?shù)墓β蕮p耗，W。

從上述公式中可知，SFC的容量取決于要求的機(jī)組加速時間、轉(zhuǎn)動慣量和阻力轉(zhuǎn)矩。求解此方程，可以獲得PSFC。為進(jìn)行SFC容量計算，編制了一套專用程序進(jìn)行方程的求解。

利用上述程序，以某300Mvar隱極調(diào)相機(jī)參數(shù)為輸入條件，分別按照機(jī)組加速時間 60s、240s、300s、350s進(jìn)行了計算，仿真出以下曲線。

圖2 起動時間60s

圖3 起動時間240s

圖4 起動時間300s

從仿真計算的結(jié)果看，SFC容量PSFC與起動時間存在類似于反比例關(guān)系，增大起動時間可以降低SFC拖動轉(zhuǎn)矩，從而降低SFC容量，但是起動時間增大到一定程度時，降低SFC容量的效果并不明顯，見表2。

為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，調(diào)相機(jī)長期處于旋轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)，對起動時間沒有太高要求，因此選取合適的起動時間，對于降低設(shè)備造價和保證調(diào)相機(jī)起動性能有積極的意義。

圖5 起動時間350s

表2 起動時間與容量關(guān)系

3 SFC起動方案

調(diào)相機(jī)長期處于旋轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)，年起動次數(shù)較少，為降低工程造價和減少廠房占地面積，建議調(diào)相機(jī)出口不設(shè)置主斷路器，并網(wǎng)開關(guān)采用升壓變高壓側(cè)斷路器?；谏鲜鲈O(shè)定可采用兩種SFC起動方案：①SFC帶輸出變壓器；②SFC不帶輸出變壓器。兩種方案起動回路主接線圖不同，各有其特點。

3.1 方案一

SFC通過變頻軟起的方式將同步調(diào)相機(jī)起動到準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速后，將其同步到電網(wǎng)后退出運行，電機(jī)掛網(wǎng)運行。

起動流程如下：

1）調(diào)相機(jī)的起動由變頻器（SFC）控制，并網(wǎng)由同期裝置控制。

2）在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合進(jìn)線側(cè)與變頻變壓器相連的輸入斷路器（ICB），然后SFC按照事先調(diào)整好的加速轉(zhuǎn)矩曲線給電機(jī)加速，直至大約95%的額定轉(zhuǎn)速。

3）到達(dá)95%轉(zhuǎn)速后，同期裝置開始運行。

4）同期裝置給 SFC和勵磁系統(tǒng)發(fā)送速度和電壓調(diào)整信號。

5）達(dá)到同期條件后，同期裝置向并網(wǎng)斷路器發(fā)出合閘命令（合RCB）。RCB合閘的同時變頻器電流降到零，晶閘管脈沖封鎖。因此，當(dāng)RCB合上時變頻器已經(jīng)沒有電流。

6）變頻器等待RCB的反饋信號來檢查操作是否成功（RCB已合上）。

7）電機(jī)工頻運行。

3.2 方案二

SFC通過變頻軟起的方式將同步調(diào)相機(jī)起動到105%轉(zhuǎn)速后退出運行；當(dāng)調(diào)相機(jī)頻率、相位和電壓幅值由同期裝置調(diào)整到與電網(wǎng)電壓一致后，調(diào)相機(jī)投入電網(wǎng)，掛網(wǎng)運行。

圖7 起動回路主接線圖

起動流程描述：

1）調(diào)相機(jī)的起動由變頻器（SFC）控制，并網(wǎng)由同期裝置控制。

2）在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合進(jìn)線側(cè)與變頻變壓器相連的斷路器（ICB），然后SFC按照事先調(diào)整好的加速轉(zhuǎn)矩曲線給電機(jī)加速，直至大約105%的額定轉(zhuǎn)速。

3）到達(dá)105%轉(zhuǎn)速后，輸出斷路器OCB斷開，SFC退出運行。

4）勵磁裝置、同期裝置開始運行。

5）一旦調(diào)相機(jī)相位、頻率和電壓幅值被調(diào)整到與電網(wǎng)電壓一致，同期裝置向并網(wǎng)斷路器RCV發(fā)出合閘命令（合RCB）。

6）電機(jī)工頻運行。

3.3 方案對比

兩種起動方案各有其優(yōu)缺點，均能滿足調(diào)相機(jī)起動的需求。具體采用何種方式，應(yīng)考慮調(diào)相機(jī)參數(shù)、設(shè)備成本及廠房可用面積等因素。

表3 方案對比表

3.4 冗余起動回路設(shè)計

一般來說，調(diào)相機(jī)站多為多臺機(jī)組配置，為了便于調(diào)相機(jī)站起動的靈活性，不同的SFC可以對不同的機(jī)組進(jìn)行起動。在每次機(jī)組起動之前需要確定用哪一臺SFC來起動，這樣涉及到不同的機(jī)組、相關(guān)設(shè)備、開關(guān)等。整個調(diào)相機(jī)站的起動時一個完善的系統(tǒng)，如何合理設(shè)計起動系統(tǒng)來實現(xiàn)各臺機(jī)組、各相關(guān)設(shè)備和裝置的控制邏輯，是整個正常運行的關(guān)鍵。

參照M701F4重型燃機(jī)起動控制系統(tǒng)設(shè)計，在配置上采用“二拖二”冗余結(jié)構(gòu)方式，即每個調(diào)相機(jī)站配置2套SFC且互為備用，任何一套SFC都可以通過切換邏輯盤COLP和切換開關(guān)盤GSS的切換控制，拖動任何一套調(diào)相機(jī)，如圖8所示。

這種配置的優(yōu)點是既實現(xiàn)了SFC的冗余備用，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，同時兼顧了投資經(jīng)濟(jì)性，其優(yōu)點是信號集中，接口簡明，靈活，便于維護(hù)。

圖8 “二拖二”冗余結(jié)構(gòu)方式

切換邏輯盤 COLP是整個起動控制系統(tǒng)的核心，每套機(jī)組及其外部開關(guān)的狀態(tài)、每套 SFC及GSS的狀態(tài)均送入COLP進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和起動流程操作。因此COLP本身的可靠性對整個調(diào)相機(jī)站的起動運行有重大影響。

4 結(jié)論

靜止變頻器SFC在大容量調(diào)相機(jī)起動過程中具有極其重要的作用，研究其容量選擇計算及起動回路設(shè)計對機(jī)組起動性能、系統(tǒng)可靠性、工程造價，對于大容量調(diào)相機(jī)的工程應(yīng)用有極其重要的意義。

［1］潘仁秋，何其偉，陳俊.大型調(diào)相機(jī)的保護(hù)［J］.江蘇電機(jī)工程，2011（11）：45-47.

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Bushing PD Analysis and Electric Field Simulation Large Capacity Synchronous Compensator

Wang Xiao1Zhou Ping1Wang Yang1Li Zhiqiang2
（1.DFEM Control Equipment Co.，Ltd，Deyang，Sichuan 618000；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192）

This paper introduces the principles of static frequency converter（SFC）start-up mode，compares the two starting schemes，analyzes the relationship between SFC capacity and starting time by modeling and simulation.The research shows that the two schemes have their advantages and disadvantages，which can meet the requirements of the starting of the synchronous compensator.

synchronous compensator； SFC； starting circuit； starting process

王 瀟（1983-），男，四川蓬溪人，工程師，從事發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)及靜止變頻器的技術(shù)開發(fā)及設(shè)計工作。

國家電網(wǎng)公司總部科技項目：特大型城市和主要負(fù)荷中心電壓穩(wěn)定性及

動態(tài)無功補(bǔ)償優(yōu)化措施研究（XT71-15-026）