大型调相机起动及并网研究
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东方电机控制设备有限公司的研究人员王洋，在2019年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，调相机因具有较强的双向无功调节能力而在特高压电网中得以广泛应用。调相机的起动及准同期并网作为机组安全投运的前提和重要环节，在其运行过程中起到关键作用。本文主要介绍了大型调相机起动的主要设备及结构、调相机起动流程、同期并网方式以及实现准同期并网的一些关键技术。
在特高压直流输电系统中，交流与直流、送端与受端的相互影响使交、直流故障连锁反应复杂化，一旦直流系统出现故障，就将从电网吸收大量无功功率，影响电网的安全运行。调相机是向电力系统发出和吸收无功功率的一种同步电动机，调相机的无功输出特性恰好满足故障期间电网对动态无功的需求。因此，将大型调相机应用于特高压直流电网，可大大改善电网的电压稳定和动态无功支撑，对保证电网的可靠运行起到至关重要的作用。
“十三五”期间，300Mvar级大型调相机开始被部署在电网的重要节点。随着大型调相机的部署，对其起动方式及准同期并网逻辑的研究正逐步展开，这对于大容量调相机组的工程应用具有重要意义，本文结合调相机的运行要求以及机组起动设备的运行特点，研究了调相机起动系统的结构，对其起动流程进行了梳理，给出了惰转速率及准同期并网条件的计算方法，并结合实际调相机组性能参数，对机组惰转时间及并网条件进行了准确的计算。
1 调相机的起动方式
根据被起动设备容量、起动惯量、拖动转速及精度等要求，机组的起动方式主要可分为直接起动、电动机起动、静止变频装置（static frequency converter, SFC）起动。
直接起动方式需要的起动电流大，由于大电流会导致电压下降，起动时对供电系统及起动设备冲击较大，并且起动转矩较小，所以不适用于大型调相机组的起动。电动机起动是通过高压异步电动机和液力耦合器等设备实现的起动。变频起动方式则是利用SFC加于定子的变频交变电流及转子励磁，使调相机以调频调速电动机方式起动。
SFC及电动机两种起动方式对比见表1。
大型调相机起动具有起动容量大、转速的控制精度高、并网冲击小、起动配置灵活、起动系统冗余配置等特点。结合调相机起动要求和起动特点，大型调相机起动设备应选用SFC变频起动方式。
表1 SFC及电动机两种起动方式对比
2 调相机起动系统结构选择
受被起动设备参数、预算成本及厂房面积等因素影响，利用变频起动系统进行起动的设备，在起动结构选择及设备配备上有所不同，主要有如下4种，分别如图1至图4所示。
图1 带旁路的起动系统结构图
图2 不带旁路的起动系统结构图
图3 不带输出变压器的起动系统结构图
图4 带电抗器的起动系统结构图
在图1所示的起动结构中，输入变压器由厂用电系统接入，经SFC变频输出，在起动初始阶段，旁路刀闸切换到旁路侧，由SFC经过旁路到出线开关（OCB）给机组定子供电，待机组起动到一定的转速，旁路刀闸切换至输出变压器侧，经OCB给定子供电，直至机组起动到预先设定的转速为止。不带旁路的起动系统结构如图2所示。
图1、图2所示的起动结构能够获得很高的起动转矩以及标准化的准同期并网逻辑，同期及并网可靠性高，但因为有旁路及输出变压器等设备，导致起动设备成本较高，占地面积较大。
图3所示的不带输出变压器的起动系统结构能够在减少起动设备、简化起动系统的同时获得较高的起动惯量。
图4所示的带电抗的起动系统结构可获得的起动功率较小。
根据以上不同的起动方式以及各种起动方式不同的特点可以看到：图1、图2所示的起动结构主要用于起动转矩大、电压等级高、且对转速要求不高的设备；而图3所示的起动结构主要用于起动惯量较大、负载较小的设备；图4所示的起动结构主要用于起动惯量及负载小的设备。
通过对SFC起动特点的分析以及对各种投运的被起动设备的比较，以上4种起动系统结构的适用范围如图5所示。
图5 四种起动系统结构的适用范围
对于300Mvar及以上容量等级的调相机组，由于其起动惯量较大，起动精度高，结合机组特点以及成本及占地等综合考虑，在设备配备及回路设计上应优先选用无输出变压器和旁路刀闸的起动回路结构，即图3所示的起动结构。基于这种结构，整个调相机起动及同期系统主回路如图6所示。
图6所示的调相机起动及同期系统的设备主要包括SFC、隔离变压器、SFC输入断路器（ICB）、励磁系统、励磁变压器及励磁电源切换装置、OCB、谐波过滤装置、同期装置及并网断路器（GIS）等。图6中，SFC作为机组起动的核心，主要功能是在规定的时间内，将同步调相机加速至规定的转速；OCB主要完成主回路切换，实现单台SFC对多台调相机的拖动；谐波过滤装置主要减少变频器在起动过程中对厂用电系统的谐波污染；励磁系统在拖动过程中以手动运行方式为转子提供励磁电流；励磁电源切换装置主要实现起动工况和并网工况励磁动力电源的切换；同期装置及GIS实现调相机惰转过程中的准同期并网。
图6 调相机起动及同期系统主回路图
3 调相机的起动及并网逻辑研究
图6中所示的调相机起动结构实现机组起动和并网，可以由不同的起动流程实现，本文给出了两种起动流程并对各自的优缺点进行分析。
1）第1种方案：励磁电源后切换的起动及同期流程
（1）调相机起动负荷由厂用电提供，起动命令由电厂分散控制系统（DCS）发出，由SFC控制。
（2）调相机起动，闭合OCB，闭合调相机起动用励磁电源开关EX1。
（3）励磁为电流控制方式，起动系统与励磁配合，将机组拖动到规定的转速。
（4）到达设定转速后，起动系统退出运行，断开OCB。
（5）机组惰转运行。
（6）当降速到同期转速、达到同期条件时，GIS合闸，调相机同期并网；
（7）进行励磁动力电源开关EX1和EX2切换，励磁电源由机端电源供给。
2）第2种方案：励磁电源先切换的起动及同期流程
（1）调相机起动负荷由厂用电提供，起动命令由DCS发出，由SFC控制。
（2）调相机起动，闭合OCB，闭合调相机起动用励磁电源开关EX1。
（3）励磁为电流控制方式，起动系统与励磁配合，将机组拖动到规定的转速。
（4）到达设定转速后，起动系统及励磁系统退出运行，断开OCB及EX1，闭合开关EX2，励磁电源由机端电源供给。
（5）励磁系统投入，自动方式运行。
（6）机组惰转运行。
（7）当降速到同期转速、达到同期条件时，GIS合闸，调相机同期并网。
以上两种方案均能实现调相机起动及并网。第1种方案优点在于更小的制动损耗，有助于调相机更加平滑的同期，但由于其切换逻辑比第2种方案更加复杂，并且提前进行励磁动力电源的切换更能保证机组并网后的安全运行，因此，第2种方案在实际应用中更加可行。
4 调相机惰转及无冲击并网研究（略）
4.1 惰转时间的计算
4.2 调相机的无冲击并网方式
调相机起动及并网关系到调相机的安全运行及整个电网的稳定。对其起动方式及准同期并网逻辑的研究，对于大容量调相机的工程应用具有重要的意义。
本文归纳了调相机起动可用的几种起动方式及起动结构类型，对其优缺点进行了比较，得到了一种可靠的针对大型调相机的起动主回路结构；本文还对惰转速率及时间进行了理论计算，为起动设备容量计算及同期方式的选择提供了依据；对滑差范围进行了优化，在实际应用中对调相机的准同期并网起到了一定的指导作用。