在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，交流與直流、送端與受端的相互影響使交、直流故障連鎖反應(yīng)復(fù)雜化，一旦直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就將從電網(wǎng)吸收大量無功功率，影響電網(wǎng)的安全運行。調(diào)相機是向電力系統(tǒng)發(fā)出和吸收無功功率的一種同步電動機，調(diào)相機的無功輸出特性恰好滿足故障期間電網(wǎng)對動態(tài)無功的需求。因此，將大型調(diào)相機應(yīng)用于特高壓直流電網(wǎng)，可大大改善電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定和動態(tài)無功支撐，對保證電網(wǎng)的可靠運行起到至關(guān)重要的作用。

“十三五”期間，300Mvar級大型調(diào)相機開始被部署在電網(wǎng)的重要節(jié)點。隨著大型調(diào)相機的部署，對其起動方式及準同期并網(wǎng)邏輯的研究正逐步展開，這對于大容量調(diào)相機組的工程應(yīng)用具有重要意義，本文結(jié)合調(diào)相機的運行要求以及機組起動設(shè)備的運行特點，研究了調(diào)相機起動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對其起動流程進行了梳理，給出了惰轉(zhuǎn)速率及準同期并網(wǎng)條件的計算方法，并結(jié)合實際調(diào)相機組性能參數(shù)，對機組惰轉(zhuǎn)時間及并網(wǎng)條件進行了準確的計算。

1 調(diào)相機的起動方式

根據(jù)被起動設(shè)備容量、起動慣量、拖動轉(zhuǎn)速及精度等要求，機組的起動方式主要可分為直接起動、電動機起動、靜止變頻裝置（static frequency converter, SFC）起動。

直接起動方式需要的起動電流大，由于大電流會導(dǎo)致電壓下降，起動時對供電系統(tǒng)及起動設(shè)備沖擊較大，并且起動轉(zhuǎn)矩較小，所以不適用于大型調(diào)相機組的起動。電動機起動是通過高壓異步電動機和液力耦合器等設(shè)備實現(xiàn)的起動。變頻起動方式則是利用SFC加于定子的變頻交變電流及轉(zhuǎn)子勵磁，使調(diào)相機以調(diào)頻調(diào)速電動機方式起動。

SFC及電動機兩種起動方式對比見表1。

大型調(diào)相機起動具有起動容量大、轉(zhuǎn)速的控制精度高、并網(wǎng)沖擊小、起動配置靈活、起動系統(tǒng)冗余配置等特點。結(jié)合調(diào)相機起動要求和起動特點，大型調(diào)相機起動設(shè)備應(yīng)選用SFC變頻起動方式。

表1 SFC及電動機兩種起動方式對比

2 調(diào)相機起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

受被起動設(shè)備參數(shù)、預(yù)算成本及廠房面積等因素影響，利用變頻起動系統(tǒng)進行起動的設(shè)備，在起動結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)備配備上有所不同，主要有如下4種，分別如圖1至圖4所示。

圖1 帶旁路的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 不帶旁路的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 不帶輸出變壓器的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 帶電抗器的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1所示的起動結(jié)構(gòu)中，輸入變壓器由廠用電系統(tǒng)接入，經(jīng)SFC變頻輸出，在起動初始階段，旁路刀閘切換到旁路側(cè)，由SFC經(jīng)過旁路到出線開關(guān)（OCB）給機組定子供電，待機組起動到一定的轉(zhuǎn)速，旁路刀閘切換至輸出變壓器側(cè)，經(jīng)OCB給定子供電，直至機組起動到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速為止。不帶旁路的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1、圖2所示的起動結(jié)構(gòu)能夠獲得很高的起動轉(zhuǎn)矩以及標準化的準同期并網(wǎng)邏輯，同期及并網(wǎng)可靠性高，但因為有旁路及輸出變壓器等設(shè)備，導(dǎo)致起動設(shè)備成本較高，占地面積較大。

圖3所示的不帶輸出變壓器的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠在減少起動設(shè)備、簡化起動系統(tǒng)的同時獲得較高的起動慣量。

圖4所示的帶電抗的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可獲得的起動功率較小。

根據(jù)以上不同的起動方式以及各種起動方式不同的特點可以看到：圖1、圖2所示的起動結(jié)構(gòu)主要用于起動轉(zhuǎn)矩大、電壓等級高、且對轉(zhuǎn)速要求不高的設(shè)備；而圖3所示的起動結(jié)構(gòu)主要用于起動慣量較大、負載較小的設(shè)備；圖4所示的起動結(jié)構(gòu)主要用于起動慣量及負載小的設(shè)備。

通過對SFC起動特點的分析以及對各種投運的被起動設(shè)備的比較，以上4種起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的適用范圍如圖5所示。

圖5 四種起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的適用范圍

對于300Mvar及以上容量等級的調(diào)相機組，由于其起動慣量較大，起動精度高，結(jié)合機組特點以及成本及占地等綜合考慮，在設(shè)備配備及回路設(shè)計上應(yīng)優(yōu)先選用無輸出變壓器和旁路刀閘的起動回路結(jié)構(gòu)，即圖3所示的起動結(jié)構(gòu)。基于這種結(jié)構(gòu)，整個調(diào)相機起動及同期系統(tǒng)主回路如圖6所示。

圖6所示的調(diào)相機起動及同期系統(tǒng)的設(shè)備主要包括SFC、隔離變壓器、SFC輸入斷路器（ICB）、勵磁系統(tǒng)、勵磁變壓器及勵磁電源切換裝置、OCB、諧波過濾裝置、同期裝置及并網(wǎng)斷路器（GIS）等。圖6中，SFC作為機組起動的核心，主要功能是在規(guī)定的時間內(nèi)，將同步調(diào)相機加速至規(guī)定的轉(zhuǎn)速；OCB主要完成主回路切換，實現(xiàn)單臺SFC對多臺調(diào)相機的拖動；諧波過濾裝置主要減少變頻器在起動過程中對廠用電系統(tǒng)的諧波污染；勵磁系統(tǒng)在拖動過程中以手動運行方式為轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；勵磁電源切換裝置主要實現(xiàn)起動工況和并網(wǎng)工況勵磁動力電源的切換；同期裝置及GIS實現(xiàn)調(diào)相機惰轉(zhuǎn)過程中的準同期并網(wǎng)。

圖6 調(diào)相機起動及同期系統(tǒng)主回路圖

3 調(diào)相機的起動及并網(wǎng)邏輯研究

圖6中所示的調(diào)相機起動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機組起動和并網(wǎng)，可以由不同的起動流程實現(xiàn)，本文給出了兩種起動流程并對各自的優(yōu)缺點進行分析。

1）第1種方案：勵磁電源后切換的起動及同期流程

• （1）調(diào)相機起動負荷由廠用電提供，起動命令由電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)出，由SFC控制。
• （2）調(diào)相機起動，閉合OCB，閉合調(diào)相機起動用勵磁電源開關(guān)EX1。
• （3）勵磁為電流控制方式，起動系統(tǒng)與勵磁配合，將機組拖動到規(guī)定的轉(zhuǎn)速。
• （4）到達設(shè)定轉(zhuǎn)速后，起動系統(tǒng)退出運行，斷開OCB。
• （5）機組惰轉(zhuǎn)運行。
• （6）當(dāng)降速到同期轉(zhuǎn)速、達到同期條件時，GIS合閘，調(diào)相機同期并網(wǎng)；
• （7）進行勵磁動力電源開關(guān)EX1和EX2切換，勵磁電源由機端電源供給。

2）第2種方案：勵磁電源先切換的起動及同期流程

• （1）調(diào)相機起動負荷由廠用電提供，起動命令由DCS發(fā)出，由SFC控制。
• （2）調(diào)相機起動，閉合OCB，閉合調(diào)相機起動用勵磁電源開關(guān)EX1。
• （3）勵磁為電流控制方式，起動系統(tǒng)與勵磁配合，將機組拖動到規(guī)定的轉(zhuǎn)速。
• （4）到達設(shè)定轉(zhuǎn)速后，起動系統(tǒng)及勵磁系統(tǒng)退出運行，斷開OCB及EX1，閉合開關(guān)EX2，勵磁電源由機端電源供給。
• （5）勵磁系統(tǒng)投入，自動方式運行。
• （6）機組惰轉(zhuǎn)運行。
• （7）當(dāng)降速到同期轉(zhuǎn)速、達到同期條件時，GIS合閘，調(diào)相機同期并網(wǎng)。

以上兩種方案均能實現(xiàn)調(diào)相機起動及并網(wǎng)。第1種方案優(yōu)點在于更小的制動損耗，有助于調(diào)相機更加平滑的同期，但由于其切換邏輯比第2種方案更加復(fù)雜，并且提前進行勵磁動力電源的切換更能保證機組并網(wǎng)后的安全運行，因此，第2種方案在實際應(yīng)用中更加可行。

4 調(diào)相機惰轉(zhuǎn)及無沖擊并網(wǎng)研究（略）

4.1 惰轉(zhuǎn)時間的計算

4.2 調(diào)相機的無沖擊并網(wǎng)方式

總結(jié)

調(diào)相機起動及并網(wǎng)關(guān)系到調(diào)相機的安全運行及整個電網(wǎng)的穩(wěn)定。對其起動方式及準同期并網(wǎng)邏輯的研究，對于大容量調(diào)相機的工程應(yīng)用具有重要的意義。

本文歸納了調(diào)相機起動可用的幾種起動方式及起動結(jié)構(gòu)類型，對其優(yōu)缺點進行了比較，得到了一種可靠的針對大型調(diào)相機的起動主回路結(jié)構(gòu)；本文還對惰轉(zhuǎn)速率及時間進行了理論計算，為起動設(shè)備容量計算及同期方式的選擇提供了依據(jù)；對滑差范圍進行了優(yōu)化，在實際應(yīng)用中對調(diào)相機的準同期并網(wǎng)起到了一定的指導(dǎo)作用。