大型调相机惰转并网过程中的励磁控制策略
南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司、国电南瑞科技股份有限公司的研究人员王亚婧、朱宏超、袁亚洲、徐春建，在2019年第3期《电气技术》杂志上撰文，根据换流站加装调相机的特点，调相机励磁系统配置一套他励源的起动励磁及一套自并励的主励磁，起动励磁和主励磁需要在惰转期间快速完成直流侧切换，以实现调相机惰转并网。
本文提出一种调相机惰转并网过程中的励磁控制方法，通过相应励磁调节器的协调控制，实现两段式升压，完成惰转过程中起动励磁和主励磁的快速切换。目前，本控制方法已成功应用于扎鲁特换流站调相机。实践证明，此方法能够在惰转期间快速无扰动的实现切换并完成升压，减小了大型调相机并网时因电压差导致的冲击，对大型调相机的安全、高效、可靠运行具有重要意义。
随着特高压直流输电技术的进一步发展，后续单回特高压直流功率将达1000万kW以上，电网呈现“强直弱交”的特点。根据特高压直流设计原则，正常工况下直流换流站与系统无功交换为零，直流本身不向系统提供动态无功。针对我国特高压直流送受端动态无功储备和电压支撑不足的突出问题，客观要求直流大规模有功输送，必须匹配大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支撑”。
动态无功补偿对于保障电网电压稳定和特高压直流安全运行至关重要。调相机具有动态无功支撑能力强、运行稳定可靠的优势，能够有效解决受端电网动态无功不足、弱送端电网短路容量支撑不足等问题。调相机的次暂态特性可以有效抑制直流系统发生换相失败的几率；暂态特性有助于系统电压在严重故障后迅速恢复至正常水平。
根据国家电网战略规划，在“十三五”期间，将在酒泉—湖南、扎鲁特—青州、锡盟—泰州、雅中—江西、三峡—常州等多回特高压直流的送、受端加装调相机。调相机容量为300Mvar，此容量调相机属于国内外首创。
1 硬件结构
1.1 调相机组主回路特点
为了降低调相机组整体建设的投资，减轻后期检修的维护工作量，提高运行过程中的可靠性，换流站加装调相机组具有以下4个特点：
1）调相机无原动机拖动，起动方式为高低型式的静止变频起动系统（以下简称SFC）拖动。
2）为了降低成本，并网开关布置在主变压器的高压侧，调相机端不设并网开关，决定了调相机必须配置独立的他励励磁系统来配合SFC拖动。
3）为提高运行过程中的可靠性，调相机并网后采用自并励励磁方式，因而存在由他励方式到自并励方式的切换过程。
4）并网方式为惰转并网，短短20s左右惰转时间内，需要先断开SFC，再由自并励励磁系统升压，最后实现并网，对励磁系统切换过程的快速性有极高要求。
常规他励方式切换到自并励方式是在交流侧完成，主接线如图1所示。两种电源并联无法实现同时运行，需要先在他励方式下逆变停机，再以自并励方式重新起励升压，耗时较长，无法满足惰转并网对时间的极高要求，尤其对于惰转速度较快的空冷机组。且前期还要考虑如果惰转并网难以实现，就需要在并网后再完成切换，交流侧切换也无法实现。
图1 交流侧切换主接线图
鉴于上述特点，调相机励磁系统在惰转过程中如何快速切换，并完成升压，对于调相机的惰转并网成功起关键作用。
1.2 励磁系统主回路
基于并联回路总电流需求一定的前提下，其中一路电流增大的同时，另一路电流势必相应减小。控制目标机端电压恒定，所需转子电流是一定值。当自并励主回路的电流增大的同时，他励主回路的电流不断减小，二者电流之和达到维持当前机端电压的转子电流即可。因此可以考虑采用直流侧切换方式把他励励磁主回路的电流平滑转移到自并励励磁主回路，这种方式可以快速无扰动的完成直流侧切换，当他励主回路的电流减小到零附近，即可断开他励主回路。
调相机励磁系统由起动励磁和主励磁组成，主回路如图2所示。图中起动励磁为他励励磁系统，取自站用400V电源，起动励磁主回路由交流隔离开关QS01、起动变压器、整流装置、磁场断路器QF01、电动隔离开关QS02依次连接组成。主励磁为自并励励磁系统，主励磁主回路由励磁变压器、整流装置、磁场断路器QF11依次连接组成。主励磁主回路和起动励磁主回路在直流侧并联，共用与调相机转子侧相连接的灭磁及过压保护装置，且主励磁主回路和起动励磁主回路的控制完全独立。并网断路器GCB位于主变压器的高压侧，与交流母线连接。
图2 励磁系统主回路原理图
起动励磁和主励磁在直流侧并联，直流侧的电压等级需保持一致。根据起动励磁和主励磁的运行工况，主励磁需满足并网运行要求，起动励磁最多满足空载额定工况运行。由此可知，主励磁的磁场断路器电压高、电流大，起动励磁则无需高电压大电流的磁场断路器，满足起动阶段的需求即可。
①为保证主励磁运行期间的高电压不影响到起动励磁回路，可采用电压等级一致，电流等级不同的磁场断路器。②可考虑降低调相机组投资成本，减小起动励磁设备的空间，采用在起动励磁的磁场断路器后串联隔离开关的方式，实现直流侧并联电压等级的一致性。图2的主回路及后续所述励磁控制方法基于②所述结构。
2 励磁控制方法
励磁与SFC系统配合拖动常见于燃气轮机组和抽蓄机组，其中燃气轮机拖动到维持燃气轮机自己做功拖动即可（约2100r/min）[14]，抽蓄机组是拖动到同期并网成功[15]。而调相机组的励磁控制策略除了配合SFC拖动机组，还需要在短短20s左右的惰转期间完成直流侧切换以及机端电压升压，准备调相机的并网。
2.1 控制流程
调相机惰转并网过程的具体控制方法如下，流程图如图3所示。
1）调相机起动阶段，监控系统判断调相机组具备起机及并网条件后给SFC开机令，SFC收到开机令后执行其自身回路的开关及断路器的闭合，并同时给起动励磁发送开机令。
2）起动励磁收到开机令后，闭合其回路的交流隔离开关QS01、磁场断路器QF01、电动隔离开关QS02，同时接收SFC的4～20mA或者0～20mA电流信号作为励磁电流给定值，通过电流闭环方式调节转子电流大小，配合SFC拖动调相机升速。
3）待转速到达3150r/min，SFC反馈给监控系统转速到达状态信号后，监控系统给SFC发送停机令，SFC执行停机流程，同时SFC向起动励磁发送SFC退出指令。SFC在停机过程中需要操作其整流回路闭锁脉冲、相应开关或断路器分断，DCS需要分断SFC与调相机端直接相连的隔离开关。在隔离开关没有分断的情况下，若调相机端电压大于额定机端电压的20%，则容易损坏SFC的整流器件。因此，此时起动励磁的电流给定值可维持5%空载额定励磁电流，保证调相机端电压小于SFC所能承受的调相机端电压。
图3 控制方法流程图
4）待SFC完全退出后，监控系统给主励磁发送开机令，主励磁闭合磁场断路器QF11，检测到QF11处于合位后主励磁开机，控制整流装置的触发角，逐渐增大主励磁的输出电流，过程中起动励磁的输出电流逐渐减小。
5）主励磁首先升压至25%调相机端额定电压，起动励磁检测到机端电压大于20%时停机，逐步分断QF01、QS02。
6）主励磁具有系统电压跟踪功能，在检测到QF01和QS02已分断的情况下，继续升压至电网侧系统电压的标幺值，保证压差在同期装置并网时能达到允许的压差范围内，且等待同期装置并网。由于励磁系统的调节，使得并网两端的电压精度满足小于0.1%，减少了同期装置调节并网两端电压压差的时间，给同期装置捕捉并网点预留充足时间。同时理想状态下可实现零无功并网，减少因压差引起的并网冲击。
7）如同期装置捕捉不到合适的并网点，则报同期捕捉失败，监控系统给主励磁停机令，主励磁逆变停机，当机端电压小于5%时，监控系统再重新给SFC开机令，执行快速重起调相机的流程。此快速重起次数可在监控系统设置。
起动过程中如系统出现故障，保护系统直接出口跳闸动作，起动励磁和主励磁接收到保护跳闸令后，执行灭磁流程。
2.2 试验波形
目前，此控制方法已在扎鲁特、酒泉换流站成功运行，并实现一次成功并网。图4即为现场实际录波波形。图中标识了文字说明，后缀[1]表示起动励磁调节器的录波，[2]为主励磁的录波，两套调节器的录波触发时刻不同，但是定子电压的录波数据是一致的，因此按照定子电压波形重叠即可观察所有变量的时序。可以看出，波形图中的状态信号以及模拟量信号与所述流程一致。
图4 两段式升压波形图
起动励磁为他励励磁系统，只在调相机起动阶段运行，配合SFC拖动调相机转速达到3150r/min的目标转速。其容量较小，控制模式可以是电流闭环或是定角度，给定值由SFC来控制，SFC通过接收实际励磁电流来实现其转矩或功率的闭环控制。SFC退出后机端电压将会升高，起动励磁调节器需要减小励磁电流，以保证机端电压低于SFC能够承受的调相机端电压值，确保SFC设备的安全，如图4起动转子电流的波形所示。同时也保证了切换过程能够实现无扰动。
本文提及的大型调相机惰转并网过程中的励磁控制策略，是针对换流站调相机组主回路接线特点而提出的。本方法中两套励磁系统的切换时间短，切换过程无扰动，调相机端的升压方式为两段式升压，无需先逆变再零起升压，励磁电流快速平滑的从一套励磁系统转移到另一套励磁系统，缩短了切换时间，实现快速切换。抑制了两套励磁系统切换过程中的扰动，实现了完善的保护功能。
主励磁系统具有的系统电压跟踪功能，可在升压过程中自动跟踪网侧系统电压标幺值，节省了同期装置调整压差的时间，进一步节约并网前切换升压的时间，给调相机惰转并网提供最优化的先决条件，减小了大型调相机并网时因电压差导致的冲击，对大型调相机的安全、高效、可靠运行具有重要意义。