大容量调相机静止变频器起动方式研究

王 潇周 平王 洋李志强

（1.东方电机控制设备有限公司，四川 德阳 618000；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

大容量调相机静止变频器起动方式研究

王 潇1周 平1王 洋1李志强2

（1.东方电机控制设备有限公司，四川 德阳 618000；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

本文介绍了静止变频器（SFC）起动方式的原理，对两种起动方案进行了对比研究，通过建模仿真分析SFC容量与起动时间的关系。研究表明两种起动方案各有其优缺点，均能满足调相机起动的需求。

调相机；静止变频器；起动回路；起动流程

调相机又称同步补偿机，实质是接在电网上的一种空载运行的同步电动机，它仅从电网吸收少量的有功功率来维持运行时的空载损耗（机械损耗、铜耗和铁耗），专门用来补偿系统无功的不足和吸收系统多余的无功，改善系统功率因数，降低网络中的损耗，对调整电网电压和提供电网运行的稳定性具有较好的作用。

虽然目前 SVC静止无功补偿等以电力电子元件为主的无功补偿设备占据了电网电压调节的主要市场，但是经过研究表明：在电网电压大幅跌落的情况下，调相机强励作用可快速向系统提供无功缺额，对于维持电网电压稳定具有SVC不可替代的作用。在欧美发达国家电网中采用调相机补偿无功的方式也占有相当大的比例。

随着我国特高压直流输电发展，为了保障电网的安全稳定，根据系统仿真计算，特高压直流输电系统对调相机有了新的需求：特高压直流弱送端系统，兼顾考虑换相失败引起的暂态电压升高和短路容量支撑问题，需要在送端换流站配置300Mvar调相机，同时为抑制换相失败引起的暂态电压升高，个别送端换流站要求调相机单机进相能力不低于200Mvar。直流受端系统，特别是单一特高压直流馈入的受电系统，一般在直流近区电网受电比例超过 30%时，可能出现局部电压稳定问题需要配置300Mvar调相机；直流多馈入的受电系统，存在区域性电压凹陷，也应在直流换流站落点配置300Mvar调相机。

因此，大容量调相机采用何种方式起动、起动装置容量如何选择、起动回路如何设计成为关注的热点。

1 调相机的起动方式

由于调相机没有起动力矩，不能自起动，必须采取各种起动方式，包括：①直接起动方式；②电抗器降压异步起动方式；③电动机起动方式；④变频起动方式。其中直接起动和电抗器降压异步起动方式起动电流大，对调相机冲击大，仅用于小型机组起动。

电机起动通过异步电机与液力耦合器起动调相机。该方式受起动电机和液力耦合器最大功率的限制，同样存在起动容量较小的问题。

变频起动采用静止变频器SFC把频率可调的交变电流加到调相机定子上，使调相机以调频调速电动机方式转动起来。采用SFC起动具有以下优点：①无复杂的机械机构和旋转部件，结构简单维护方便；②采用负载换向式变频器 LCI，采用晶闸管作为功率元件，结构简单，功率元件少，容量大；③可以根据起动时间的要求灵活选择SFC容量；④若调相机站有两台或以上的调相机，起动回路可采用冗余设计，即两套SFC起动多台调相机设计。

因此大容量调相机优先推荐SFC起动方式。

2 SFC的原理及容量计算

2.1 SFC的原理

SFC由输入变压器、DC电抗器、整流器、逆变器、输出变压器（根据起动方案配置，详见本文3.1）组成，如图1所示。

图1 SFC主回路

整流器由1或2个三相六脉波全控可控硅整流桥组成（即6脉波或12脉波），将恒定的三相AC电压变成可变的DC电压。

逆变器也是采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将整流器输出的 DC电压转变成变幅值和变频率的AC电压。这个可变的交流电源施加于调相机使调相机加速到指定的转速。每个装置的功能见表1。

表1 装置的功能

调相机为同步电机，由定子和转子组成。定子主要由定子铁心、三相对称绕组和机座和端盖组成。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速为

式中，fs为定子电源频率，np为电机极对数。

同步电机三相对称的定子绕组通入三相对称电流会在气隙内产生一旋转磁场，旋转磁场的同步转速为 ns。同步电机的转子的励磁绕组通入直流，在转子内产生一恒定磁场，根据电机统一理论，两磁场在电机稳态运行时，必须保持相对静止，才能产生稳定的电磁转矩，驱动电机以同步转速旋转。

2.2 SFC容量计算

工程应用中，静止变频器 SFC容量直接影响SFC装置体积及设备造价。因此应选择满足调相机运行要求的SFC容量，避免将SFC容量选得太大。静止变频器SFC在起动的过程中，拖动转矩TM与阻力转矩TR之间的关系如下：

式中，TM为SFC的拖动转矩，N·m；TR为机组的阻尼转矩，N·m（转速的函数）；J为机组转动部分的转动惯量，t·m2；Ω 为机组的阻尼转矩，N·m。

其中J与飞轮矩GD2的关系为

式中，GD2单位为N·m2；g为重力加速度，m/s2。

求解上述微分方程，推导如下：

式中，PSFC为SFC的容量，W；PR为机组起动过程中与阻力转矩相当的功率损耗，W。

从上述公式中可知，SFC的容量取决于要求的机组加速时间、转动惯量和阻力转矩。求解此方程，可以获得PSFC。为进行SFC容量计算，编制了一套专用程序进行方程的求解。

利用上述程序，以某300Mvar隐极调相机参数为输入条件，分别按照机组加速时间 60s、240s、300s、350s进行了计算，仿真出以下曲线。

图2 起动时间60s

图3 起动时间240s

图4 起动时间300s

从仿真计算的结果看，SFC容量PSFC与起动时间存在类似于反比例关系，增大起动时间可以降低SFC拖动转矩，从而降低SFC容量，但是起动时间增大到一定程度时，降低SFC容量的效果并不明显，见表2。

为保证电网的安全稳定运行，调相机长期处于旋转热备用状态，对起动时间没有太高要求，因此选取合适的起动时间，对于降低设备造价和保证调相机起动性能有积极的意义。

图5 起动时间350s

表2 起动时间与容量关系

3 SFC起动方案

调相机长期处于旋转热备用状态，年起动次数较少，为降低工程造价和减少厂房占地面积，建议调相机出口不设置主断路器，并网开关采用升压变高压侧断路器。基于上述设定可采用两种SFC起动方案：①SFC带输出变压器；②SFC不带输出变压器。两种方案起动回路主接线图不同，各有其特点。

3.1 方案一

SFC通过变频软起的方式将同步调相机起动到准同步转速后，将其同步到电网后退出运行，电机挂网运行。

起动流程如下：

1）调相机的起动由变频器（SFC）控制，并网由同期装置控制。

2）在收到所有必要的反馈信号后，SFC闭合进线侧与变频变压器相连的输入断路器（ICB），然后SFC按照事先调整好的加速转矩曲线给电机加速，直至大约95%的额定转速。

3）到达95%转速后，同期装置开始运行。

4）同期装置给 SFC和励磁系统发送速度和电压调整信号。

5）达到同期条件后，同期装置向并网断路器发出合闸命令（合RCB）。RCB合闸的同时变频器电流降到零，晶闸管脉冲封锁。因此，当RCB合上时变频器已经没有电流。

6）变频器等待RCB的反馈信号来检查操作是否成功（RCB已合上）。

7）电机工频运行。

3.2 方案二

SFC通过变频软起的方式将同步调相机起动到105%转速后退出运行；当调相机频率、相位和电压幅值由同期装置调整到与电网电压一致后，调相机投入电网，挂网运行。

图7 起动回路主接线图

起动流程描述：

1）调相机的起动由变频器（SFC）控制，并网由同期装置控制。

2）在收到所有必要的反馈信号后，SFC闭合进线侧与变频变压器相连的断路器（ICB），然后SFC按照事先调整好的加速转矩曲线给电机加速，直至大约105%的额定转速。

3）到达105%转速后，输出断路器OCB断开，SFC退出运行。

4）励磁装置、同期装置开始运行。

5）一旦调相机相位、频率和电压幅值被调整到与电网电压一致，同期装置向并网断路器RCV发出合闸命令（合RCB）。

6）电机工频运行。

3.3 方案对比

两种起动方案各有其优缺点，均能满足调相机起动的需求。具体采用何种方式，应考虑调相机参数、设备成本及厂房可用面积等因素。

表3 方案对比表

3.4 冗余起动回路设计

一般来说，调相机站多为多台机组配置，为了便于调相机站起动的灵活性，不同的SFC可以对不同的机组进行起动。在每次机组起动之前需要确定用哪一台SFC来起动，这样涉及到不同的机组、相关设备、开关等。整个调相机站的起动时一个完善的系统，如何合理设计起动系统来实现各台机组、各相关设备和装置的控制逻辑，是整个正常运行的关键。

参照M701F4重型燃机起动控制系统设计，在配置上采用“二拖二”冗余结构方式，即每个调相机站配置2套SFC且互为备用，任何一套SFC都可以通过切换逻辑盘COLP和切换开关盘GSS的切换控制，拖动任何一套调相机，如图8所示。

这种配置的优点是既实现了SFC的冗余备用，大大提高了系统的可靠性，同时兼顾了投资经济性，其优点是信号集中，接口简明，灵活，便于维护。

图8 “二拖二”冗余结构方式

切换逻辑盘 COLP是整个起动控制系统的核心，每套机组及其外部开关的状态、每套 SFC及GSS的状态均送入COLP进行状态监控和起动流程操作。因此COLP本身的可靠性对整个调相机站的起动运行有重大影响。

4 结论

静止变频器SFC在大容量调相机起动过程中具有极其重要的作用，研究其容量选择计算及起动回路设计对机组起动性能、系统可靠性、工程造价，对于大容量调相机的工程应用有极其重要的意义。

［1］潘仁秋，何其伟，陈俊.大型调相机的保护［J］.江苏电机工程，2011（11）：45-47.

［2］李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［3］鲁勇勤，况明伟，李宇俊，等.燃机变频启动系统技术引进和创新开发设计［J］.东方电气评论，2009，23（4）：43-48，56.

Bushing PD Analysis and Electric Field Simulation Large Capacity Synchronous Compensator

Wang Xiao1Zhou Ping1Wang Yang1Li Zhiqiang2
（1.DFEM Control Equipment Co.，Ltd，Deyang，Sichuan 618000；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192）

This paper introduces the principles of static frequency converter（SFC）start-up mode，compares the two starting schemes，analyzes the relationship between SFC capacity and starting time by modeling and simulation.The research shows that the two schemes have their advantages and disadvantages，which can meet the requirements of the starting of the synchronous compensator.

synchronous compensator； SFC； starting circuit； starting process

王 潇（1983-），男，四川蓬溪人，工程师，从事发电机励磁系统及静止变频器的技术开发及设计工作。

国家电网公司总部科技项目：特大型城市和主要负荷中心电压稳定性及

动态无功补偿优化措施研究（XT71-15-026）