李志強，蔣維勇，王彥濱，李文鋒，李朝科，咸哲龍

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大容量新型調(diào)相機關鍵技術參數(shù)及其優(yōu)化設計

李志強1，蔣維勇2，王彥濱3，李文鋒1，李朝科4，咸哲龍5

（1. 中國電力科學研究院，北京 100192；2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術研究院，北京 102209；3. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；4. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000；5. 上海電氣電站設備有限公司上海發(fā)電機廠，上海 200240）

大容量新型調(diào)相機旨在滿足特高壓直流輸電大規(guī)模發(fā)展帶來的強大的系統(tǒng)動態(tài)無功需求，因此其電氣參數(shù)必然不同于以穩(wěn)態(tài)無功補償為主的傳統(tǒng)調(diào)相機。本文通過系統(tǒng)分析各電氣參數(shù)對調(diào)相機暫態(tài)及次暫態(tài)特性的影響，提煉出調(diào)相機動態(tài)性能優(yōu)化的關鍵技術參數(shù)和措施，即盡可能降低直軸次暫態(tài)電抗和主變短路電抗，減小直軸開路及短路時間常數(shù)和，并將勵磁系統(tǒng)強勵倍數(shù)提高至3.5倍。同時對調(diào)相機的具體優(yōu)化設計方案給出了建議。

調(diào)相機；動態(tài)無功；關鍵技術參數(shù)；優(yōu)化設計

0 前言

近年來，隨著大容量、遠距離特高壓直流輸電技術的推廣應用，電網(wǎng)“強直弱交”問題突出[1-3]。根據(jù)特高壓直流設計的原則，直流系統(tǒng)在大規(guī)模輸送有功功率的同時，本身并不向系統(tǒng)提供無功，由此導致動態(tài)過程中需從系統(tǒng)中大量吸收無功，與同容量的發(fā)電機組相比，特高壓直流大規(guī)模饋入受端系統(tǒng)的動態(tài)無功儲備顯著下降，電壓穩(wěn)定問題愈顯突出[3-6]。同時，直流逆變站在系統(tǒng)電壓降低時的無功電壓調(diào)節(jié)特性與常規(guī)電源相反，即在交流系統(tǒng)電壓降低時，常規(guī)發(fā)電機組在系統(tǒng)電壓下降時自動向系統(tǒng)增加無功，而直流逆變站將從系統(tǒng)吸收更多的無功，由此惡化了受端系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)特性[7-8]。另一方面，隨著大型能源基地的開發(fā)向邊遠地區(qū)延伸，特別是風電、光伏的大規(guī)模集中開發(fā)，直流輸電送端電網(wǎng)薄弱、短路容量不足問題突出，直流輸送能力的提升嚴重依賴于送端火電的開機方式，直接影響了清潔能源消納和電網(wǎng)運行方式的靈活性；同時，直流換相失敗還會引起送端系統(tǒng)暫態(tài)電壓升高，嚴重情況下導致風機大面積脫網(wǎng)。

由此可知，特高壓直流的快速發(fā)展使電網(wǎng)特性發(fā)生較大變化，電壓穩(wěn)定問題成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要問題之一，客觀要求直流大規(guī)模有功輸送，必須匹配大量動態(tài)無功補償裝置，即“大直流輸電、強無功支撐”[6, 9-12]。

除同步發(fā)電機外，目前主要的動態(tài)無功補償裝置有同步調(diào)相機、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。當系統(tǒng)運行受到較大擾動而導致?lián)Q流站等樞紐站母線電壓大幅波動時，SVC和SVG無功補償裝置受其工作原理限制在故障過程中難以給系統(tǒng)提供足夠的動態(tài)無功支撐，其中SVC無功輸出能力與接入點電壓的平方成正比，而SVG無功輸出與接入點電壓成正比，且當三相嚴重不平衡時無法正常工作[13]。而同步調(diào)相機高、低電壓穿越能力強，短時過載能力大，其調(diào)節(jié)能力基本不受系統(tǒng)電壓影響，故障情況下具有強大瞬時無功支撐和短時過載能力，在動態(tài)無功補償方面具有獨特的優(yōu)勢；同時，作為空載運行的大型同步電動機，調(diào)相機還可為薄弱的特高壓直流送端系統(tǒng)提供一定的短路容量和轉(zhuǎn)動慣量支撐。

同步調(diào)相機上世紀九十年代之前作為一種穩(wěn)態(tài)無功調(diào)節(jié)裝置在我國電力系統(tǒng)有一定的應用，隨著廠網(wǎng)分家和SVC和SVG等靜態(tài)無功補償設備的興起與發(fā)展，因國網(wǎng)系統(tǒng)缺乏專業(yè)的旋轉(zhuǎn)設備維護團隊，近十幾年來調(diào)相機已被逐步拆除和取代。然而，隨著特高壓直流輸電導致的電網(wǎng)特性的改變，電壓穩(wěn)定的主要問題在于故障期間動態(tài)無功支撐不足，調(diào)相機固有的無功輸出特性恰好符合故障期間電網(wǎng)對動態(tài)無功的需求。因此，大容量新型調(diào)相機主要是為了解決系統(tǒng)故障期間的動態(tài)無功支撐問題。

考慮到特高壓直流弱送端系統(tǒng)換相失敗引起的暫態(tài)電壓升高和短路容量支撐問題，以及特高壓多饋入受端系統(tǒng)對調(diào)相機快速無功調(diào)節(jié)和過載能力的要求，新型調(diào)相機的關鍵電氣參數(shù)與普通發(fā)電機或調(diào)相機必然有很大的不同。因此，如何通過參數(shù)的優(yōu)化設計充分發(fā)揮調(diào)相機對系統(tǒng)的動態(tài)無功支撐作用就顯得非常重要。本文首先對調(diào)相機系統(tǒng)的主要設備進行了簡要的介紹；然后通過系統(tǒng)分析調(diào)相機的動態(tài)特性提煉出關鍵電氣參數(shù)；最后給出了電氣參數(shù)的優(yōu)化方向和具體設計方案。

1 調(diào)相機系統(tǒng)主要設備選型

調(diào)相機系統(tǒng)包括調(diào)相機本體、勵磁系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)等。

調(diào)相機本體按結(jié)構(gòu)可分為凸極和隱極兩種。凸極調(diào)相機進相能力大，大多為全空冷機組，冷卻系統(tǒng)相對簡單。隱極調(diào)相機進相能力較差，冷卻系統(tǒng)一般比較復雜，常見類型為水氫氫、雙水內(nèi)冷、全空冷。凸極調(diào)相機由于徑向尺寸較大，因此當容量較大時通常采用立式布置，而隱極調(diào)相機幾乎全為臥式布置。由于立式凸極調(diào)相機尺寸大，基建費用較高，在進相能力滿足系統(tǒng)要求的情況下大容量（100MVar及以上）調(diào)相機優(yōu)先采用隱極機。

勵磁系統(tǒng)分為靜止勵磁系統(tǒng)、三機勵磁系統(tǒng)和無刷勵磁系統(tǒng)三種。靜止勵磁系統(tǒng)又可分為自并勵和他勵兩種，其優(yōu)點在于軸系短，系統(tǒng)簡單，運行維護量較少，勵磁響應速度很快。對于自并勵勵磁系統(tǒng)，由于勵磁電源取自機端，當發(fā)電機出口或機組近區(qū)發(fā)生短路時，短路期間勵磁系統(tǒng)強力能力不如其它勵磁方式。三機及無刷勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點是勵磁系統(tǒng)不受電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響。缺點是軸系長，易引起軸系振動，勵磁響應速度較慢，考慮到系統(tǒng)故障情況下對暫態(tài)無功需求的快速性，推薦采用靜止勵磁系統(tǒng)。

調(diào)相機的起動系統(tǒng)分為靜止變頻器（SFC）起動或電機拖動兩種。SFC起動時由勵磁系統(tǒng)建立轉(zhuǎn)子磁場，由變頻器向定子繞組供電，拖動電機轉(zhuǎn)速至同步速以上，之后同期并網(wǎng)完成起動。SFC起動適用于靜止勵磁系統(tǒng)，對大容量調(diào)相機組應優(yōu)先采用。電機拖動起動時，由于所拖動的調(diào)相機轉(zhuǎn)動慣量很大，若直接拖動則起動初期相當于長時間堵轉(zhuǎn)運行，易導致電機過流損壞，因此電機通常采用降壓、變頻或液力耦合器起動等方式。電機拖動控制系統(tǒng)相對簡單，適用于各類勵磁系統(tǒng)，但增加了旋轉(zhuǎn)設備和軸系長度，加大了維護量及正常運行時的附加損耗。

調(diào)相機冷卻型式可分為水氫氫、雙水內(nèi)冷和全空冷三種?？傮w而言，全空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全余度大，維護量少，檢修方便。但目前國內(nèi)可生產(chǎn)的單機最大容量為300MVar等級。雙水內(nèi)冷發(fā)電機比空冷發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫度低，絕緣壽命高，因為端部繞組為水內(nèi)冷,無需表面通風冷卻端部繞組,端部可整體注膠，線圈受力均勻，其固定和防暈效果更好。氫冷系統(tǒng)在冷卻效果和環(huán)境噪聲上優(yōu)于空冷和雙水內(nèi)冷機組，是目前汽輪發(fā)電機的主流技術，不過由于需要制氫或儲氫設備，每次起動前需要二氧化碳等氣體進行置換，對防火及維護人員要求較高，目前暫不考慮。

油系統(tǒng)主要為調(diào)相機軸承提供潤滑和冷卻，防止軸承干磨損壞；包括潤滑油系統(tǒng)和頂軸油系統(tǒng)。頂軸油系統(tǒng)主要為了低轉(zhuǎn)速下建立油膜，正常運行后退出，對200MVar及以下調(diào)相機可不設頂軸油系統(tǒng)。

根據(jù)以上主要設備的選型，調(diào)相機系統(tǒng)主接線示意圖如圖1所示。

圖1 調(diào)相機系統(tǒng)主接線示意圖

2 調(diào)相機動態(tài)特性研究的簡化與假設

在當前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，穩(wěn)態(tài)工況下系統(tǒng)并不缺乏無功容量，而故障情況下的動態(tài)無功支撐才是系統(tǒng)面臨的主要問題。因此，如何通過參數(shù)的優(yōu)化使調(diào)相機具備更好的次暫態(tài)及暫態(tài)無功輸出特性就成為新型大容量調(diào)相機需要解決的關鍵問題。

調(diào)相機正常運行時相當于空載運行的同步電動機，動態(tài)特性研究時采用同步發(fā)電機模型，故障點之外的系統(tǒng)可用一個等值系統(tǒng)代替，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 調(diào)相機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

為了便于提煉出影響調(diào)相機動態(tài)特性的關鍵參數(shù)，將其動態(tài)特性分為次暫態(tài)特性和暫態(tài)特性兩類。由于次暫態(tài)過程非常短暫，次暫態(tài)特性分析中采用發(fā)電機完全模型，但不計勵磁調(diào)節(jié)器的影響；而暫態(tài)特性分析中則忽略阻尼繞組和定子繞組暫態(tài)的影響。

3 調(diào)相機動態(tài)無功特性及其關鍵參數(shù)

3.1 動態(tài)無功的主要影響因素

調(diào)相機向系統(tǒng)提供的無功功率為：

按照發(fā)電機參考方向的慣例并忽略定子繞組電阻，調(diào)相機電氣相量關系如圖3所示。

圖3 調(diào)相機電氣相量圖

系統(tǒng)故障時的無功增量如下：

（3）

3.2 次暫態(tài)無功特性及關鍵參數(shù)

按照原始Park方程推導出的不計勵磁系統(tǒng)條件下，發(fā)電機機端短路時的定子電流表達式如下[14]：

其中，E為q軸感應電動勢；i和i為定子電流d、q軸分量；U0為短路前的機端電壓，U0和U0為U0的d、q軸分量；為短路前發(fā)電機功角；為d軸次暫態(tài)電抗；為d軸暫態(tài)電抗；X和X為d、q軸穩(wěn)態(tài)電抗；為 d軸次暫態(tài)短路時間常數(shù)；為d軸暫態(tài)短路時間常數(shù)；為反映定子繞組暫態(tài)的時間常數(shù)，對應于abc系統(tǒng)中定子非周期電流分量衰減時間常數(shù)；為調(diào)相機電角速度。

按照疊加原理，發(fā)電機機端短路時相當于在短路點施加一個反向的電壓－U0。假設系統(tǒng)發(fā)生故障時，升壓變高壓側(cè)母線電壓由0突然跌落至，則相當于在高壓側(cè)母線處施加一個電壓。如果將從機端看出去的等效系統(tǒng)阻抗當成調(diào)相機定子漏抗的一部分，則參照（4）可得不考慮勵磁系統(tǒng)條件下，次暫態(tài)過程中調(diào)相機定子電流增量表達式如下：

由式（5）可知，Di中包含穩(wěn)態(tài)分量、直流衰減分量和交流衰減分量?？紤]到，無功電流的瞬時增量約為，之后直流分量以和的時間常數(shù)衰減至穩(wěn)態(tài)值；交流分量初值約為0，最初幅值，之后以的時間常數(shù)由衰減至零。

由式（3）可知，電網(wǎng)故障時調(diào)相機向系統(tǒng)提供的瞬時無功如下：

此外，由于交流分量在一個工頻周期內(nèi)的平均值接近為0，難以對系統(tǒng)進行有效的無功控制，且會造成無功波動，從系統(tǒng)角度來看其衰減時間常數(shù)越小越好；而直流分量的衰減常數(shù)較大表明次暫態(tài)過程衰減較慢，有利于故障初期的無功支撐。而對應于暫態(tài)過程的時間常數(shù)在考慮勵磁系統(tǒng)后將有很大的不同，在3.3節(jié)中進行分析。其中和均受到主變短路電抗及系統(tǒng)等效阻抗的影響，不便開展優(yōu)化。

3.3 暫態(tài)無功特性分析及關鍵參數(shù)

3.3.1 包含勵磁系統(tǒng)的調(diào)相機暫態(tài)模型

為了簡化分析，調(diào)相機暫態(tài)特性分析中忽略阻尼繞組和定子暫態(tài)過程，簡化后的調(diào)相機d軸方程如下[15]：

（8）

將式（8）寫成增量方程并進行拉氏變換可得

（10）

其中

（12）

3.3.2 小擾動工況暫態(tài)特性分析

為了簡化分析，對靜止勵磁系統(tǒng)采用簡單的慣性環(huán)節(jié)描述如下：

（14）

將式（13）、（14）代入式（11）可得：

（15）

由此可得：

（17）

將式（18）代入式（9）可得：

其中

（19）

式（18）第一項是由勵磁系統(tǒng)引起的增量；第二項是忽略阻尼繞組和定子暫態(tài)所對應的瞬時電流增量，本節(jié)不再討論。由式（9）可知，電流增量與正相關，即電壓降低，電流增大。由卷積定理可得到時域內(nèi)的表達式如下：

式（20）中*為卷積符號，其中：

（21）

（22）

其中T是一個大于的正數(shù)。

3.3.3 強勵動作期間暫態(tài)特性分析

若不計發(fā)電機飽和，則勵磁感應電動勢與勵磁電壓成正比，對自并勵機組，忽略換相壓降，強勵時的勵磁電壓與機端電壓和強勵倍數(shù)成正比；因此系統(tǒng)嚴重故障導致電壓大幅跌落時，強勵對應的最大勵磁感應電動勢可表示如下：

（24）

（25）

其中

將式（24）~（26）代入式（9），整理后可得：

（27）

其中

根據(jù)2.3節(jié)提供的方法對各電氣參數(shù)開展靈敏度分析可知，強勵動作期間，始終小于零，始終大于零，表明增大強勵倍數(shù)和降低在整個暫態(tài)強勵過程中均有利于提高調(diào)相機無功支撐能力。而強勵初期，，強勵后期，，表明增大或減小在強勵初期有利于增加無功輸出，但對強勵后期的無功輸出不利。

4 關鍵參數(shù)技術要求及優(yōu)化設計

4.1 電抗參數(shù)的技術要求

由以上分析可知，調(diào)相機的無功輸出特性主要取決于其d軸參數(shù)。其中次暫態(tài)無功輸出的關鍵在于和，兩者之和越小其瞬時無功響應特性越好。

暫態(tài)無功輸出特性不僅與故障的嚴重程度有關，且在不同階段對調(diào)相機參數(shù)的要求也有所不同。通常情況下減小X有利于提高調(diào)相機暫態(tài)無功輸出，但在電壓大幅跌落致強勵動作的初期，過小的X對暫態(tài)無功的輸出有一定的抑制作用。強勵期間或小擾動初期，減小有利于提高暫態(tài)無功的輸出，然而在小擾動后期，則對暫態(tài)無功輸出有不利影響。由于調(diào)相機主要是為了應對嚴重故障而設，減小對小擾動后期的不利影響可以忽略，因此盡可能降低是合理的。

此外，調(diào)相機穩(wěn)態(tài)無功輸出能力則主要取決于X，由i=(E-)/(X+X)可知，X越小其最大穩(wěn)態(tài)無功輸出（對應于最大的E）和進相能力（對應于E= 0）越大。

綜合以上因素并結(jié)合設備廠家的設計制造能力，建議大容量新型調(diào)相機d軸次暫態(tài)電抗應不大于0.14；d軸暫態(tài)電抗宜不大于0.18；應在不大于1.8的基礎上根據(jù)系統(tǒng)實際進相需求進一步降低。

4.2 電抗參數(shù)的優(yōu)化設計

需要指出，調(diào)相機參數(shù)的優(yōu)化還受到其他條件的制約，如額定電壓確定的情況下，減小定子串聯(lián)匝數(shù)和增大氣隙必然使勵磁電流或機組體積大幅增加，由此帶來轉(zhuǎn)子發(fā)熱和制造成本增加的問題。同時，和的減小會導致突然短路電流時端部電磁力的大幅增加，因此，各部件的機械結(jié)構(gòu)還需要進行優(yōu)化設計。

4.3 時間常數(shù)的技術要求

而當系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障導致強勵動作時，調(diào)相機暫態(tài)響應時間為。由式（28）可知，當電抗參數(shù)確定后，主要由強勵電壓標幺值決定。當電壓跌落時，不同強勵倍數(shù)下的約為0.25~0.5；電壓升高反向強勵時，為負，，即暫態(tài)響應時間。因此，電壓大幅跌落時暫態(tài)無功響應時間主要取決于d軸開路暫態(tài)時間常數(shù)，而電壓大幅升高時暫態(tài)無功響應時間主要取決于d軸短路暫態(tài)時間常數(shù)。為此，綜合考慮電機廠設計制造能力，建議大容量新型調(diào)相機的宜不大于8s，而應不大于0.95s。

4.4 時間常數(shù)的優(yōu)化設計

4.5 其他附屬系統(tǒng)技術要求

根據(jù)之前的分析，除調(diào)相機本體參數(shù)外，提高勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)有利于提高小擾動工況下的暫態(tài)特性，提高強勵倍數(shù)有利于提高調(diào)相機嚴重故障下的暫態(tài)無功特性。建議勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)提高至3.5倍，并適當提高調(diào)相機轉(zhuǎn)子的絕緣水平。

5 結(jié)論

為了確保大容量新型同步調(diào)相機在特高壓直流輸電嚴重故障下能對系統(tǒng)提供強大的動態(tài)無功支撐，本文通過系統(tǒng)分析調(diào)相機動態(tài)無功特性并結(jié)合當前設計制造水平，對影響調(diào)相機動態(tài)特性的關鍵技術參數(shù)提出了如下要求：

（3）提高勵磁系統(tǒng)強勵倍數(shù)至3.5倍；

結(jié)合電機設計和制造工藝，對調(diào)相機本體參數(shù)的優(yōu)化設計措施提出如下建議：

（3）通過減小電樞反應電抗和勵磁繞組漏抗，或增大勵磁繞組電阻來優(yōu)化，而優(yōu)化的關鍵在于盡可能減小和，具體措施如前所述。

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Key Technical Parameters and Optimal Design of New Types of Large Capacity Synchronous Condenser

LI Zhiqiang1, JIANG Weiyong2, WANG Yanbin3, LI Wenfeng1, LI Chaoke4, XIAN Zhelong5

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 3. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China;4. Dongfang Electric Corporation Dongfang Electric Machinery, Deyang 618000, China;5. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai Generator, Shanghai 200240, China)

As new types of large capacity synchronous condensers are designed to satisfy the strong demand of dynamic reactive power support for power system, which is brought about by large-scale development of the ultra high voltage direct current (UHVDC) transmission, the electrical parameters must be different from the traditional condensers used for steady-state reactive power compensation. Through systematic analysis of the effect of electrical parameters on transient and sub-transient characteristics of synchronous condensers, key technical parameters and measures for optimizing the dynamic performance of synchronous condenser are induced, i.e. reducing the direct axis sub-transient reactanceand the transformer short-circuit reactanceas far as possible, decreasing the direct axis unload and short circuit time constant ofand, increasing the ceiling voltage of exciting system to 3.5 times. Meanwhile, specific suggestions for optimal design of synchronous condensers are proposed as well.

synchronous condensers; dynamic reactive power; key technical parameters; optimal design

TM342

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1000-3983(2017)04-0015-08

國家電網(wǎng)公司總部科技項目，特大型城市和主要負荷中心電壓穩(wěn)定性及動態(tài)無功補償優(yōu)化措施研究(XT71-15-026)；國家電網(wǎng)公司2014年基礎性前瞻性科技項目(XT71-14-006)。

2016-11-17

李志強（1978-），2009年畢業(yè)于華北電力大學電機與電器專業(yè)，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識方面的研究，博士，高級工程師。

王彥濱（1962-），就職于哈爾濱電機廠有限責任公司，從事大型汽輪發(fā)電機技術工作30余年，先后擔任設計工程師，副總設計師，副總工程師，總專業(yè)師。（通訊作者）