高压直流输电系统中调相机的启动与并网策略

赵永正，代海涛，王安东，李 明

（1.国网山东省电力公司检修公司，济南 250118；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003）

高压直流输电系统中调相机的启动与并网策略

赵永正1，代海涛1，王安东2，李 明2

（1.国网山东省电力公司检修公司，济南 250118；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003）

在高压直流输电系统发生严重电压跌落故障时，为提高系统的稳定性，降低换相失败的风险，在直流输电系统受端或弱交流系统送端宜加装调相机。正常情况下调相机的运行状态与同步电动机相同，但因其功能的特殊性，调相机与同步电动机在结构上有一定的区别，这就有必要对其启动和并网方式进行探讨。确定了调相机的最佳启动方式，提出在105%额定频率下堕速运行寻找同期点的方法，并以实例验证了该方法的可靠性。

调相机；变频启动；堕速并网

0 引言

调相机具备较强的双向无功调节能力，在发生严重电压跌落故障时，短时（1 s左右）动态无功最高输出接近额定容量的2倍。电网加装调相机后可以为系统提供紧急无功电压支撑，在系统动态过程中，无功调节鲁棒性好；降低了直流发生连续换相失败的风险，有助于直流功率的快速恢复和系统稳定；还可大幅降低故障后的电压波动幅度，有助于故障后系统电压的快速恢复；同时可以有效提升换流站的系统短路容量和短路电流水平，提升直流有效短路比，增强受端交流系统对直流的支撑能力。

图1 三相合成磁动势波形

正常情况下调相机以同步电动机状态运行，在调相机定子绕组中通入三相交流电时，每一相绕组感应的基波磁动势为一驻波，其可分解为沿正反两个方向旋转的幅值、频率相等，方向相反的正弦波，另外两相绕组与之相同。3个正方向旋转的磁动势波相位相同可直接相加，3个反方向旋转的磁动势波相位相差120°，相加后互相抵消。因此三相对称绕组通入三相对称交流电后会产生一个在气隙做正向旋转的磁动势波。图1以A相为例给出了基波与分解出的正转和反转磁动势波，以及合成的正转的磁动势波［1］。

当在转子绕组中通入直流电时，转子会感应出磁场，方向可根据右手定则判定。因此，转子的磁极会受到定子旋转磁场的吸引作用，而使电机转子转动起来。

调相机的特殊性决定了其启动和并网策略与普通的同步电动机有一定区别。不同的启动方式对应着不同的并网方式。如同步电动机在异步启动时，在启动之初定子就是连接在电网上的，因此也就不存在并网这个步骤。辅助电动机启动时，虽然电机被拖动到同步速后需要并网，但是调相机的结构决定了其不能使用辅助电动机启动法。鉴于此，对调相机的启动和并网策略进行分析，就显得尤为重要。

1 启动方法分析

调相机是同步电动机的一种特殊工作状态，其启动方式与同步电动机的启动方式相同。同步电动机本身是没有启动转矩的。定子绕组通入三相交流电后会产生以同步速旋转的磁场，转子绕组通入直流电时转子上会建立磁场。如图2所示，在通电瞬间，转子承受一个逆时针方向的电磁转矩，转子有沿逆时针转动的趋势，但由于机械惯性的存在，转子还没有启动起来，定子磁场就已经旋转了180°，此时转子又承受一个顺时针方向的电磁转矩，转子有顺时针转动的趋势［2-3］。因此，在半个周期的时间内转子承受了两个方向相反且大小相等的电磁转矩，此合成转矩大小为0。电机不能直接启动。

图2 励磁后启动时调相机的电磁转矩

同步电动机通常的启动方法有辅助电动机启动法、异步启动法和变频启动法。

辅助电动机启动法是指用另一台电动机将需要启动的同步电动机转子拖动到同步速后再将定子通电，使电机能够在同步速下稳定运行。这种启动方式原理简单，但是调相机在正常运行时不带机械负载，故其转子尺寸比普通的同步电机转子尺寸要小，而且为了具有更好的密封性，调相机转轴通常不会伸出机座，这就不能用原动机拖动其转子运行。故辅助电动机启动法不适用于调相机启动。

异步启动法是同步电动机常用的一种启动方法：在同步电机的转子上装上一套像异步电机一样的鼠笼绕组，如图3所示，这套鼠笼绕组称为启动绕组［4］。当定子绕组通入三相交流电后，在启动绕组中便会产生启动转矩，使电机沿定子旋转磁场的方向旋转起来。电机以异步电机形式启动。但这种启动方式下，转子转速可达95%～97%同步速，这时立即给励磁绕组通入励磁电流，使电机牵入同步速。这种情况下转子励磁绕组不能开路以防止过高的感应电势损坏绝缘，也不能短路，防止短路电流过大而发热过度。为解决这一问题，应在励磁回路串接为励磁绕组电阻值10倍的附加电阻而构成闭合回路。

图3 同步电动机异步启动

变频启动是指启动时在定子通入频率很低的交流电，使转子缓慢转动起来，然后逐渐增加定子电流的频率，直至同步速，转子也跟随转到同步速。这种启动方式较上述两种方式更为可靠，但由于启动过程中定子绕组与变频装置相连接而不是直接连到电网上，因此这种启动方式又带来了一个新问题，即电机如何同期并网。

2 调相机变频启动并网策略

由于系统结构设计及设备性能不满足在变频器带动下利用同期装置的增减速信号微调变频器的频率找到同期点并网。为了解决这一问题，可以先用变频器将电机带动到105%的同步速，然后退出变频器，让电机堕速运行，在电机接近同步速时寻找同期点并进行并网。

堕速运行的调相机相当于一台发电机，同步发电机并网需满足：发电机与电网的电压幅值相等、发电机与电网的电压相序相等、发电机与电网的电压相位相等、发电机与电网的频率相等。

发电机的电压幅值可通过调节电机的励磁电流来调节，发电机在转子转向不变的情况下相序不变［5］。即前两项要求容易实现，因此为保证调相机可靠并网只需满足后两项要求即可。电机堕速时，在转子堕速到同步速时，电机频率等于电网频率，但若此时并网不能保证发电机与电网的电压相位相等。因此，允许在并网的时刻有一定的频率偏差，而在这一偏差范围内寻找两者同相位的点。

设电网电压矢量相位为

式中：f0为电网频率，50 Hz。

电机定子侧电压矢量的相位为

式中：fm（t）=（f1-kt）为电机频率；f1为变频器退出时电机的频率；k为电机频率下降的速率；φ0∈［0，2π），为电网与定子侧电压矢量的初始夹角。

可以得到电网与电机定子侧电压矢量的夹角随时间变化的函数为

将fm（t）=f1-kt代入式（3）得：

将公式两边同时除以2π得：

由上述公式可知，当此二次函数的纵坐标为整数时，电网与电机定子侧电压矢量的夹角为2π的整数倍，即夹角为0°，是发电机与电网的电压相位相等的点，为最佳并网时机。函数的最大值在fm=f0，即电网频率处。

假设允许的频率偏差为±fp，此时fm=f0±fp。显然，当Δφ′（f0）与Δφ′（f0±fp）在某一整数两侧时一定有同期点。

举例说明。取f1=52.5 Hz，k=5／34（由机组堕速仿真结果得出），φ′0=0，则函数曲线如图4所示。

图4 电机频率—并网角差曲线

取fp=0.5 Hz，由图4可知，在50.5～49.5 Hz范围内有两个同期点，fm分别为50.27 Hz和49.73 Hz。

即当变频器在52.5 Hz时退出，电网与调相机定子侧电压矢量的初始夹角为0，且调相机以5／34 Hz／s的速度堕速时，在允许的频率偏差0.5 Hz内一定有两个同期点。

3 结语

通过比较调相机两种可用的启动方式，得出变频启动最适合调相机启动。针对调相机变频启动难以同期并网的问题，提出了让调相机在105%额定频率下堕速运行寻找同期点的方法。通过分析，得出了调相机堕速并网的必要条件，并以实例验证了结论的正确性。

［1］李发海，朱东起.电机学［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］李志民，张遇杰.同步电动机调速系统［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［3］钟步青.浅谈同步电动机的特点与启动［J］.华北电力技术，1986，12（6）：25-30.

［4］王耀明，赵荣祥.永磁同步电动机的起动并网控制研究［J］.微特电机，1994，22（4）：14-16.

［5］周德贵.发电机组作调相机运行的分析与实践［J］.四川电力技术，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

赵永正（1989），男，从事高压交直流运维检修工作；

代海涛（1985），男，从事高压交直流运维检修工作；

王安东（1969），男，从事调相机技术研究和高压技术监督工作；

李 明（1988），男，从事电源测高压技术监督工作。