同步調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)模試驗(yàn)

吳思圓，韓士杰

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司臨海市供電公司，浙江 臨海317000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京210000）

近年來，隨著直流輸電、新能源、大電網(wǎng)、特高壓等技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備大量被應(yīng)用，電網(wǎng)運(yùn)行特性變化很大，交流與直流、送端與受端相互影響，影響著電壓和頻率穩(wěn)定性、電網(wǎng)的安全運(yùn)行。系統(tǒng)所需無功日漸增多，需解決電網(wǎng)的無功與電壓問題，提升無功功率補(bǔ)償及調(diào)節(jié)能力。

調(diào)相機(jī)又稱同步補(bǔ)償機(jī)，實(shí)質(zhì)是接在電網(wǎng)上的一種空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，它僅從電網(wǎng)吸收少量的有功功率來維持運(yùn)行時(shí)的空載損耗（機(jī)械損耗、銅耗和鐵耗），專門用來補(bǔ)償系統(tǒng)無功的不足和吸收系統(tǒng)多余的無功，改善系統(tǒng)功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)中的損耗，對調(diào)整電網(wǎng)電壓和保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有較好的作用。

大型同步調(diào)相機(jī)即將在特高壓、直流系統(tǒng)、大電網(wǎng)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，國家電網(wǎng)公司規(guī)劃“十三五”期間投運(yùn)一批大型調(diào)相機(jī)組[1]。如下。

1 系統(tǒng)模型

隨著調(diào)相機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用及調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)裝置的開發(fā)，迫切需要建立調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)裝置的物理測試平臺(tái)進(jìn)行測試、驗(yàn)證。

參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26864電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)以及扎魯特?fù)Q流站和青州換流站的實(shí)際情況，擬定了電壓等級為20 kV、容量為300 MVA的調(diào)變機(jī)組測試方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主接線圖

模擬的保護(hù)對象為20 kV、300 MVA的調(diào)相機(jī)組，調(diào)相機(jī)機(jī)端經(jīng)500 kV、360 MVA升壓變接入無窮大系統(tǒng)。SFC裝置經(jīng)6 MVA隔離變接入10 kV母線。

2 平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)室在原有同步發(fā)電機(jī)測試平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、增加設(shè)備以滿足同步調(diào)相機(jī)的測試。重要工作

2.1 同步發(fā)電機(jī)改造

利用同步電機(jī)運(yùn)行的可逆性原理把同步發(fā)電機(jī)改造為試驗(yàn)用調(diào)相機(jī)。

同步電機(jī)運(yùn)行的可逆性原理：同步電機(jī)的運(yùn)行是可逆的，即可以由轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械能，經(jīng)過電磁作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從定子輸出；也可以由定子輸入電能，?jīng)過電磁作用，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從轉(zhuǎn)子輸出。

若同步電機(jī)不用原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，在軸上又不帶任何機(jī)械負(fù)載，而是接在電網(wǎng)上空載運(yùn)轉(zhuǎn)，專門用它來調(diào)整系統(tǒng)的無功功率，這種運(yùn)行方式的同步電機(jī)稱為同步調(diào)相機(jī)。

將同步發(fā)電機(jī)改造為同步調(diào)相機(jī)，具體步驟如下：①把原動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)分離。改造后的發(fā)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載。②同步發(fā)電機(jī)的機(jī)組慣量較小，同期有效時(shí)間過短，不能捕捉同期點(diǎn)。在原勵(lì)磁機(jī)位置上增加飛輪盤以增大動(dòng)模發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。機(jī)組原慣量J=mR2/2=1/2×19 kg×0.3752=1.336×6片=8.016 kg·m2。新增加慣量J=mR2/2=1/2×23.5 kg×0.322=1.2×10片=12 kg·m2。

同步發(fā)電機(jī)改造前后分別如圖2和圖3所示。

圖2 同步發(fā)電機(jī)改造前

圖3 同步發(fā)電機(jī)改造后

2.2 變頻啟動(dòng)設(shè)備SFC

靜止變頻器系統(tǒng)包括進(jìn)線斷路器、啟動(dòng)變、12脈整流橋、6脈逆變橋、平波電抗器、切換刀閘、隔離刀閘、控制保護(hù)系統(tǒng)等。SFC系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 SFC系統(tǒng)原理圖

SFC通過變頻軟起的方式將同步調(diào)相機(jī)起動(dòng)到105%轉(zhuǎn)速后退出運(yùn)行；當(dāng)調(diào)相機(jī)頻率、相位和電壓幅值由同期裝置檢測到與電網(wǎng)電壓一致后，調(diào)相機(jī)投入電網(wǎng)，掛網(wǎng)運(yùn)行。

起動(dòng)流程描述如下：①調(diào)相機(jī)的起動(dòng)由變頻器（SFC）控制，并網(wǎng)由同期裝置控制；②在收到所有必要的反饋信號后，SFC閉合進(jìn)線側(cè)與變頻變壓器相連的斷路器，然后SFC按照事先調(diào)整好的加速轉(zhuǎn)矩曲線給電機(jī)加速，直至大約105%的額定轉(zhuǎn)速；③達(dá)到105%轉(zhuǎn)速后，輸出斷路器斷開，SFC退出運(yùn)行；④勵(lì)磁裝置、同期裝置開始運(yùn)行；⑤一旦調(diào)相機(jī)相位、頻率和電壓幅值被監(jiān)測到與電網(wǎng)電壓一致，同期裝置向并網(wǎng)斷路器發(fā)出合閘命令；⑥電機(jī)工頻運(yùn)行。

2.3 勵(lì)磁系統(tǒng)的改造

勵(lì)磁系統(tǒng)是調(diào)相機(jī)中極為重要的部件，直接關(guān)系到調(diào)相機(jī)對電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償運(yùn)行特性。調(diào)相機(jī)勵(lì)磁分為啟動(dòng)勵(lì)磁和主勵(lì)磁。動(dòng)作過程中，啟動(dòng)勵(lì)磁受SFC控制。達(dá)到105%轉(zhuǎn)速后，輸出斷路器斷開，SFC退出運(yùn)行，主勵(lì)磁工作，啟動(dòng)勵(lì)磁退出。

同時(shí)，完善短路控制設(shè)備以達(dá)到精確控制短路時(shí)間、角度等目的；增加DCS設(shè)備，對調(diào)相機(jī)機(jī)組啟、停機(jī)及運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)控制。

3 重點(diǎn)測試項(xiàng)目

按照同步發(fā)電機(jī)的測試項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室對調(diào)相機(jī)在不同工況下進(jìn)行多種試驗(yàn)項(xiàng)目。但調(diào)相機(jī)比同容量、同類型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況復(fù)雜，其保護(hù)也不盡相同，要保證調(diào)相機(jī)保護(hù)的可靠運(yùn)行，特別關(guān)注的試驗(yàn)項(xiàng)目有啟動(dòng)過程對保護(hù)的影響、失磁保護(hù)。

3.1 啟動(dòng)過程

調(diào)相機(jī)變頻啟動(dòng)過程中機(jī)端電壓的頻率為0～52.5 Hz，而常規(guī)保護(hù)是針對工頻的保護(hù)，因此啟動(dòng)過程中是調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)的測試重點(diǎn)。

調(diào)相機(jī)啟動(dòng)過程細(xì)分為：低頻階段（3～10 Hz）、中頻階段（10～20 Hz）、高頻階段（30～52.5 Hz）、同期并網(wǎng)墮機(jī)階段、同期失敗，調(diào)相機(jī)快速再重啟階段。

圖5為調(diào)相機(jī)啟動(dòng)低頻35 Hz時(shí)，變壓器高壓側(cè)區(qū)內(nèi)ABCN短路時(shí)波形?？梢钥闯?，電壓、電流波形畸變嚴(yán)重。繼電保護(hù)裝置需要考慮頻率、諧波、幅值等因素，以提高動(dòng)作正確率。

圖5 調(diào)相機(jī)啟動(dòng)低頻35 Hz，變壓器高壓側(cè)區(qū)內(nèi)ABCN短路

3.2 失磁保護(hù)

調(diào)相機(jī)失磁的性質(zhì)不同于同步發(fā)電機(jī)失磁，其性質(zhì)只屬于欠勵(lì)范疇[2]。

調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障分為低勵(lì)和失磁。低勵(lì)表示電機(jī)的勵(lì)磁電流低于維持靜穩(wěn)極限所對應(yīng)的勵(lì)磁電流，也稱部分失磁。失磁則表示電機(jī)完全失去勵(lì)磁，主要分為勵(lì)磁電壓完全降為0的短路失磁和勵(lì)磁電流降為0的開路失磁[3]。勵(lì)磁電壓完全降為0的短路失磁波形如圖6所示。

圖6 勵(lì)磁電壓完全降為零的短路失磁

同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。調(diào)相機(jī)的無勵(lì)磁運(yùn)行實(shí)為欠勵(lì)磁運(yùn)行的極限，其吸收無功功率的能力達(dá)到最大值。同步調(diào)相機(jī)的欠勵(lì)磁運(yùn)行狀態(tài)和低勵(lì)故障狀態(tài)區(qū)別特征在母線電壓水平。

圖7為勵(lì)磁電壓降為20%時(shí)母線電壓情況。實(shí)際運(yùn)行時(shí)部分失磁對母線電壓的影響和系統(tǒng)大小方式有很大關(guān)系，如何設(shè)置定值需要進(jìn)一步研究和探討。

圖7 勵(lì)磁電壓降為20%的部分失磁

4 結(jié)語

動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是繼電保護(hù)裝置的重要驗(yàn)證平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室通過改造、增加設(shè)備搭建了同步調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)裝置的測試平臺(tái)。根據(jù)調(diào)相機(jī)與發(fā)電機(jī)不同之處，特別關(guān)注了啟動(dòng)過程對繼電保護(hù)的影響和失磁保護(hù)，有效促進(jìn)了同步調(diào)相機(jī)繼電保護(hù)水平的提高。