摘 要：在介紹一次分布式調相機失磁保護動作情況的基礎上，分析分布式調相機勵磁系統(tǒng)工作機理、分布式調相機在新能源區(qū)域抑制過電壓的能力以及失磁保護的工作原理，同時針對目前分布式調相機失磁保護在定值整定方面的不足，提出了相應的改進建議。

關鍵詞：分布式調相機；失磁保護；勵磁系統(tǒng)；整定配合

中圖分類號：TM341" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0040-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.010

0" " 引言

隨著“3060”雙碳目標的推進，新型電力系統(tǒng)得以迅速發(fā)展，以風、光、儲為主要發(fā)電模式的新能源廠站和區(qū)域得到快速建設。由于受地理、環(huán)境、氣候、季節(jié)等自然因素的影響，新能源發(fā)、送電存在隨機性強、波動性大等客觀實際問題，導致電源輸送端無功需求變化大，電壓支撐薄弱，從而引起了不同程度的穩(wěn)定性問題，制約了新能源電源的送出和消納。各種研究表明，相比于SVC、STATCOM等傳統(tǒng)電力電子型無功補償設備，分布式調相機響應速度快，過電壓抑制能力最佳，兼具很好的低電壓補償能力[1-2]，同時具有分布廣、集成度高、運行靈活等優(yōu)點，可有效解決新能源區(qū)域無功支撐和穩(wěn)定性不足的問題，因此，在新能源區(qū)域，分布式調相機得到廣泛應用。

調相機性能的充分發(fā)揮，需要在勵磁、調變組保護等二次設備的合理調節(jié)和保護下實現(xiàn)。本文將介紹一起典型新能源區(qū)分布式調相機失磁保護動作的案例，從勵磁調節(jié)過程、調變組失磁保護動作情況等方面分析動作機理，提出勵磁與調變組保護之間配合的優(yōu)化建議，從而提升調相機抑制過電壓的能力。

1" " 現(xiàn)場主接線及結構

1.1" " 調相機主接線

調相機容量50 Mvar，機端出口電壓10.5 kV，經(jīng)過調相機主變升壓后接至35 kV母線，再經(jīng)新能源區(qū)主變升壓后接至220 kV母線，最終接入電網(wǎng)。其結構和主接線為典型新能源區(qū)分布式調相機的電氣結構，其中主接線如圖1所示。

1.2" " 機組及勵磁系統(tǒng)參數(shù)

調相機變壓器組及勵磁系統(tǒng)主要電氣參數(shù)如表1所示。

1.3" " 調相機勵磁系統(tǒng)控制模式

調相機勵磁系統(tǒng)具備電壓環(huán)和無功復合環(huán)運行模式。當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，可通過人工投入的方式投入無功復合環(huán)，無功復合環(huán)疊加在電壓環(huán)輸入環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時起到緩慢調節(jié)無功功率的功能，可控制機組的無功功率運行在目標值附近。勵磁系統(tǒng)控制原理如圖2所示，由圖可見，無功復合環(huán)增益Kq取0.2，而電壓主環(huán)增益Kp一般大于30，故無功復合環(huán)調節(jié)屬于慢速調節(jié)，遠低于主環(huán)調節(jié)速度。

1.4" " 調變組保護配置

機組配置調相機變壓器組保護（下稱“調變組保護”）A屏、B屏、C屏，保護配置全面，其中包含調相機失磁保護。

2" " 失磁保護動作分析

2.1" " 動作過程

調相機處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，初始階段，機組與系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，勵磁系統(tǒng)運行于無功復合環(huán)控制模式，電壓目標值為9.432 kV，無功目標值為-3.825 Mvar，調相機實際運行功率為-3.85 Mvar。

異常階段，勵磁系統(tǒng)依然運行于無功復合環(huán)控制模式，電壓目標值為9.497 kV，無功目標值為-3.825 Mvar，但調相機實際運行功率在逐步降低，當無功功率下降至-6.5 Mvar時，調變組保護裝置失磁保護Ⅰ段動作，跳開并網(wǎng)斷路器和滅磁開關，隨即調相機停機。

2.2" " 勵磁系統(tǒng)調節(jié)過程分析

調取勵磁調節(jié)器錄波，從波形看，在異常發(fā)生階段，勵磁系統(tǒng)的勵磁電流呈下降趨勢，對應調相機無功功率也逐步降低，可見，勵磁電流和調相機無功功率的變化趨勢一致。但同時發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)側PT電壓、調相機機端調節(jié)PT電壓均呈現(xiàn)同步上升的趨勢，這與勵磁調節(jié)的方向相反，故可以判斷，調相機無功功率下降的調節(jié)，并非勵磁系統(tǒng)主動調節(jié)，而是根據(jù)系統(tǒng)側的變化進行的對應調節(jié)。也就是說，本次異常過程，是系統(tǒng)側首先出現(xiàn)電壓上升，由于調相機與系統(tǒng)相連，故機端電壓隨之上升，當機端電壓大于給定值后，勵磁系統(tǒng)會降低勵磁電流，試圖將機端電壓拉回給定值附近，但由于系統(tǒng)側容量遠大于機組容量，故勵磁電流和無功功率將持續(xù)下降，雖然勵磁系統(tǒng)運行于無功復合環(huán)控制，但無功調節(jié)僅用于穩(wěn)態(tài)的慢速調節(jié)，無法在動態(tài)下快速跟蹤給定值，故無功功率持續(xù)下降，直至失磁保護動作。勵磁調節(jié)過程波形如圖3所示。

2.3" " 問題與分析

在分析過程中，發(fā)現(xiàn)以下問題：

2.3.1" " 失磁特征問題

一般地，失磁保護的特征表現(xiàn)為系統(tǒng)電壓低、機端電壓低、勵磁電壓低、無功功率低，但是本次失磁保護動作過程中，系統(tǒng)電壓和機端電壓呈現(xiàn)上升趨勢，不符合失磁保護動作特征和條件。

查看失磁保護定值，失磁Ⅰ段投入、失磁Ⅱ段退出；失磁Ⅰ段低電壓判據(jù)未投，逆無功功率百分比整定為11%（-50×11%=-5.5 Mvar），失磁動作時間為1.5 s。由此可見，現(xiàn)場實際工況滿足失磁Ⅰ段定值整定的動作條件，但未能正確匹配調相機的運行工況。調相機實際在通過降低無功功率發(fā)揮抑制系統(tǒng)過電壓的功能，但是未能充分發(fā)揮，無功僅降至額定值的11%即被保護跳開，可見失磁保護定值整定存在缺陷。

2.3.2" " 勵磁無功低勵限制與失磁保護配合問題

本次失磁保護動作過程中，勵磁調節(jié)器無功低勵限制未動作，而失磁保護直接先動作，不符合兩者配合原則。

查看勵磁調節(jié)器定值，無功低勵限制定值為-30 Mvar，動作時間為1 s，由此可見，無功低勵限制定值遠低于失磁保護定值，不符合配合原則。

2.4" " 思考及建議

2.4.1" " 失磁保護定值整定建議

參照文獻[3]，失磁保護Ⅰ段應根據(jù)實際情況并經(jīng)專業(yè)評估后選擇是否投入，同時規(guī)定，當正常運行且調相機深度進相時，若調相機機端電壓低于額定電壓的95%，失磁Ⅰ段宜退出。故失磁Ⅰ段是否投入，應該根據(jù)新能源廠站的實際需求進行評估。實際上，由于分布式調相機需要發(fā)揮抑制新能源區(qū)域過電壓的能力，故建議退出失磁Ⅰ段，投入失磁Ⅱ段。

失磁保護應投入母線電壓或機端電壓判據(jù)。

參照文獻[3]，逆無功功率百分比應根據(jù)調相機最大進相能力進行整定，查閱進相試驗數(shù)據(jù)，調相機最大進相深度為-43 Mvar，考慮安全系數(shù)，建議取值-35 Mvar。

2.4.2" " 無功低勵限制與失磁保護配合建議

當調相機運行于深度進相時，無功低勵限制器應先動作，將調相機無功功率限制回安全范圍。如果限制器動作后異常工況繼續(xù)發(fā)展，至保護動作值后，調變組保護再動作跳閘[4-5]。故無功低勵限制定值應高于失磁保護，無功低勵限制動作時間應小于失磁保護。

勵磁調節(jié)器無功低勵限制的定值為-30 Mvar，動作時間為1 s，故當失磁保護無功功率百分比整定為70%（-35 Mvar），動作時間整定為1.5 s或2 s，即可滿足配合原則。

3" " 結論

分布式調相機在新能源區(qū)域需要發(fā)揮抑制過電壓的能力，故失磁保護整定應按照調相機進相運行需求進行整定，且失磁Ⅰ段是否投用，需要專業(yè)評估。同時，失磁保護定值整定還應結合進相能力的數(shù)據(jù)，與勵磁無功低勵限制形成配合，以便在保障機組安全的前提下，充分發(fā)揮調相機的功能。

[參考文獻]

[1] 索之聞，李暉，張鋒，等.高比例新能源直流送端系統(tǒng)分布式調相機優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2022，50（23）：133-139.

[2] 劉炳辰.高比例新能源送出系統(tǒng)動態(tài)無功補償方案研究[D].北京：華北電力大學，2021.

[3] 大型調相機變壓器組繼電保護整定計算導則：Q/GDW 11952—2018[S].

[4] 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術條件：DL/T 843—2021[S].

[5] 數(shù)字式勵磁調節(jié)器輔助控制技術要求：DL/T 1767—2017[S].

收稿日期：2023-05-08

作者簡介：李繼平（1982—），男，江蘇人，工程師，研究方向：發(fā)電廠控制保護、特高壓直流輸電、柔性交直流輸電。