高壓直流輸電系統(tǒng)中調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)與并網(wǎng)策略

趙永正，代海濤，王安東，李 明

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

高壓直流輸電系統(tǒng)中調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)與并網(wǎng)策略

趙永正1，代海濤1，王安東2，李 明2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

在高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重電壓跌落故障時(shí)，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，在直流輸電系統(tǒng)受端或弱交流系統(tǒng)送端宜加裝調(diào)相機(jī)。正常情況下調(diào)相機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與同步電動(dòng)機(jī)相同，但因其功能的特殊性，調(diào)相機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別，這就有必要對(duì)其啟動(dòng)和并網(wǎng)方式進(jìn)行探討。確定了調(diào)相機(jī)的最佳啟動(dòng)方式，提出在105%額定頻率下墮速運(yùn)行尋找同期點(diǎn)的方法，并以實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性。

調(diào)相機(jī)；變頻啟動(dòng)；墮速并網(wǎng)

0 引言

調(diào)相機(jī)具備較強(qiáng)的雙向無(wú)功調(diào)節(jié)能力，在發(fā)生嚴(yán)重電壓跌落故障時(shí)，短時(shí)（1 s左右）動(dòng)態(tài)無(wú)功最高輸出接近額定容量的2倍。電網(wǎng)加裝調(diào)相機(jī)后可以為系統(tǒng)提供緊急無(wú)功電壓支撐，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，無(wú)功調(diào)節(jié)魯棒性好；降低了直流發(fā)生連續(xù)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，有助于直流功率的快速恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定；還可大幅降低故障后的電壓波動(dòng)幅度，有助于故障后系統(tǒng)電壓的快速恢復(fù)；同時(shí)可以有效提升換流站的系統(tǒng)短路容量和短路電流水平，提升直流有效短路比，增強(qiáng)受端交流系統(tǒng)對(duì)直流的支撐能力。

圖1 三相合成磁動(dòng)勢(shì)波形

正常情況下調(diào)相機(jī)以同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，在調(diào)相機(jī)定子繞組中通入三相交流電時(shí)，每一相繞組感應(yīng)的基波磁動(dòng)勢(shì)為一駐波，其可分解為沿正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的幅值、頻率相等，方向相反的正弦波，另外兩相繞組與之相同。3個(gè)正方向旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)波相位相同可直接相加，3個(gè)反方向旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)波相位相差120°，相加后互相抵消。因此三相對(duì)稱繞組通入三相對(duì)稱交流電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在氣隙做正向旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)波。圖1以A相為例給出了基波與分解出的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)波，以及合成的正轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)波［1］。

當(dāng)在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，方向可根據(jù)右手定則判定。因此，轉(zhuǎn)子的磁極會(huì)受到定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的吸引作用，而使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

調(diào)相機(jī)的特殊性決定了其啟動(dòng)和并網(wǎng)策略與普通的同步電動(dòng)機(jī)有一定區(qū)別。不同的啟動(dòng)方式對(duì)應(yīng)著不同的并網(wǎng)方式。如同步電動(dòng)機(jī)在異步啟動(dòng)時(shí)，在啟動(dòng)之初定子就是連接在電網(wǎng)上的，因此也就不存在并網(wǎng)這個(gè)步驟。輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，雖然電機(jī)被拖動(dòng)到同步速后需要并網(wǎng)，但是調(diào)相機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了其不能使用輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法。鑒于此，對(duì)調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)和并網(wǎng)策略進(jìn)行分析，就顯得尤為重要。

1 啟動(dòng)方法分析

調(diào)相機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)的一種特殊工作狀態(tài)，其啟動(dòng)方式與同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式相同。同步電動(dòng)機(jī)本身是沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的。定子繞組通入三相交流電后會(huì)產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通入直流電時(shí)轉(zhuǎn)子上會(huì)建立磁場(chǎng)。如圖2所示，在通電瞬間，轉(zhuǎn)子承受一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子有沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，但由于機(jī)械慣性的存在，轉(zhuǎn)子還沒(méi)有啟動(dòng)起來(lái)，定子磁場(chǎng)就已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了180°，此時(shí)轉(zhuǎn)子又承受一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)［2-3］。因此，在半個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子承受了兩個(gè)方向相反且大小相等的電磁轉(zhuǎn)矩，此合成轉(zhuǎn)矩大小為0。電機(jī)不能直接啟動(dòng)。

圖2 勵(lì)磁后啟動(dòng)時(shí)調(diào)相機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

同步電動(dòng)機(jī)通常的啟動(dòng)方法有輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法、異步啟動(dòng)法和變頻啟動(dòng)法。

輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法是指用另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)將需要啟動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到同步速后再將定子通電，使電機(jī)能夠在同步速下穩(wěn)定運(yùn)行。這種啟動(dòng)方式原理簡(jiǎn)單，但是調(diào)相機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)不帶機(jī)械負(fù)載，故其轉(zhuǎn)子尺寸比普通的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸要小，而且為了具有更好的密封性，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)軸通常不會(huì)伸出機(jī)座，這就不能用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)其轉(zhuǎn)子運(yùn)行。故輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法不適用于調(diào)相機(jī)啟動(dòng)。

異步啟動(dòng)法是同步電動(dòng)機(jī)常用的一種啟動(dòng)方法：在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝上一套像異步電機(jī)一樣的鼠籠繞組，如圖3所示，這套鼠籠繞組稱為啟動(dòng)繞組［4］。當(dāng)定子繞組通入三相交流電后，在啟動(dòng)繞組中便會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)沿定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。電機(jī)以異步電機(jī)形式啟動(dòng)。但這種啟動(dòng)方式下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)95%～97%同步速，這時(shí)立即給勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流，使電機(jī)牽入同步速。這種情況下轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路以防止過(guò)高的感應(yīng)電勢(shì)損壞絕緣，也不能短路，防止短路電流過(guò)大而發(fā)熱過(guò)度。為解決這一問(wèn)題，應(yīng)在勵(lì)磁回路串接為勵(lì)磁繞組電阻值10倍的附加電阻而構(gòu)成閉合回路。

圖3 同步電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)

變頻啟動(dòng)是指啟動(dòng)時(shí)在定子通入頻率很低的交流電，使轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，然后逐漸增加定子電流的頻率，直至同步速，轉(zhuǎn)子也跟隨轉(zhuǎn)到同步速。這種啟動(dòng)方式較上述兩種方式更為可靠，但由于啟動(dòng)過(guò)程中定子繞組與變頻裝置相連接而不是直接連到電網(wǎng)上，因此這種啟動(dòng)方式又帶來(lái)了一個(gè)新問(wèn)題，即電機(jī)如何同期并網(wǎng)。

2 調(diào)相機(jī)變頻啟動(dòng)并網(wǎng)策略

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備性能不滿足在變頻器帶動(dòng)下利用同期裝置的增減速信號(hào)微調(diào)變頻器的頻率找到同期點(diǎn)并網(wǎng)。為了解決這一問(wèn)題，可以先用變頻器將電機(jī)帶動(dòng)到105%的同步速，然后退出變頻器，讓電機(jī)墮速運(yùn)行，在電機(jī)接近同步速時(shí)尋找同期點(diǎn)并進(jìn)行并網(wǎng)。

墮速運(yùn)行的調(diào)相機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)需滿足：發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值相等、發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓相序相等、發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓相位相等、發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的頻率相等。

發(fā)電機(jī)的電壓幅值可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不變的情況下相序不變［5］。即前兩項(xiàng)要求容易實(shí)現(xiàn)，因此為保證調(diào)相機(jī)可靠并網(wǎng)只需滿足后兩項(xiàng)要求即可。電機(jī)墮速時(shí)，在轉(zhuǎn)子墮速到同步速時(shí)，電機(jī)頻率等于電網(wǎng)頻率，但若此時(shí)并網(wǎng)不能保證發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓相位相等。因此，允許在并網(wǎng)的時(shí)刻有一定的頻率偏差，而在這一偏差范圍內(nèi)尋找兩者同相位的點(diǎn)。

設(shè)電網(wǎng)電壓矢量相位為

式中：f0為電網(wǎng)頻率，50 Hz。

電機(jī)定子側(cè)電壓矢量的相位為

式中：fm（t）=（f1-kt）為電機(jī)頻率；f1為變頻器退出時(shí)電機(jī)的頻率；k為電機(jī)頻率下降的速率；φ0∈［0，2π），為電網(wǎng)與定子側(cè)電壓矢量的初始夾角。

可以得到電網(wǎng)與電機(jī)定子側(cè)電壓矢量的夾角隨時(shí)間變化的函數(shù)為

將fm（t）=f1-kt代入式（3）得：

將公式兩邊同時(shí)除以2π得：

由上述公式可知，當(dāng)此二次函數(shù)的縱坐標(biāo)為整數(shù)時(shí)，電網(wǎng)與電機(jī)定子側(cè)電壓矢量的夾角為2π的整數(shù)倍，即夾角為0°，是發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓相位相等的點(diǎn)，為最佳并網(wǎng)時(shí)機(jī)。函數(shù)的最大值在fm=f0，即電網(wǎng)頻率處。

假設(shè)允許的頻率偏差為±fp，此時(shí)fm=f0±fp。顯然，當(dāng)Δφ′（f0）與Δφ′（f0±fp）在某一整數(shù)兩側(cè)時(shí)一定有同期點(diǎn)。

舉例說(shuō)明。取f1=52.5 Hz，k=5／34（由機(jī)組墮速仿真結(jié)果得出），φ′0=0，則函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 電機(jī)頻率—并網(wǎng)角差曲線

取fp=0.5 Hz，由圖4可知，在50.5～49.5 Hz范圍內(nèi)有兩個(gè)同期點(diǎn)，fm分別為50.27 Hz和49.73 Hz。

即當(dāng)變頻器在52.5 Hz時(shí)退出，電網(wǎng)與調(diào)相機(jī)定子側(cè)電壓矢量的初始夾角為0，且調(diào)相機(jī)以5／34 Hz／s的速度墮速時(shí)，在允許的頻率偏差0.5 Hz內(nèi)一定有兩個(gè)同期點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較調(diào)相機(jī)兩種可用的啟動(dòng)方式，得出變頻啟動(dòng)最適合調(diào)相機(jī)啟動(dòng)。針對(duì)調(diào)相機(jī)變頻啟動(dòng)難以同期并網(wǎng)的問(wèn)題，提出了讓調(diào)相機(jī)在105%額定頻率下墮速運(yùn)行尋找同期點(diǎn)的方法。通過(guò)分析，得出了調(diào)相機(jī)墮速并網(wǎng)的必要條件，并以實(shí)例驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

［1］李發(fā)海，朱東起.電機(jī)學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］李志民，張遇杰.同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］鐘步青.淺談同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與啟動(dòng)［J］.華北電力技術(shù)，1986，12（6）：25-30.

［4］王耀明，趙榮祥.永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)并網(wǎng)控制研究［J］.微特電機(jī)，1994，22（4）：14-16.

［5］周德貴.發(fā)電機(jī)組作調(diào)相機(jī)運(yùn)行的分析與實(shí)踐［J］.四川電力技術(shù)，2001，24（3）：1-6.

Start-up and Grid-Connection Strategies of Phase Modifiers in HVDC System

ZHAO Yongzheng1，DAI Haitao1，WANG Andong2，LI Ming2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

In the event of the fault that the voltage of HVDC system decreases unexpectedly，it is suggested to install phase modifiers at the receiving end of the DC transmission system or the sending end of the weak AC system to improve the stability of the system and reduce the risk of commutation failures.Normally phase modifiers operate in the same way as synchronous motors， however，due to their distinctive functions， phase modifiers are different from synchronous motors in structure，which makes it quite necessary to discuss itsstart-up and grid-connection ways.Therefore，the best start-up way of phase modifiers is put forward，the way of determining the synchronizing point is presented through naturally decreasing their speed at the rated frequency of 105%，and the liability of the method is finally verified with a real example.

phase modifier；variable frequency starting；grid-connection through a naturally decreasing speed

TM342

A

1007－9904（2017）02－0020－03

2016-08-30

趙永正（1989），男，從事高壓交直流運(yùn)維檢修工作；

代海濤（1985），男，從事高壓交直流運(yùn)維檢修工作；

王安東（1969），男，從事調(diào)相機(jī)技術(shù)研究和高壓技術(shù)監(jiān)督工作；

李 明（1988），男，從事電源測(cè)高壓技術(shù)監(jiān)督工作。