新能源场站分布式同步调相机主接线及继电保护配置研究

李先军，方 勇，李光达

（深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518000）

国内新能源场站占比较大的区域电网，近区缺乏支撑性电源，抗系统故障扰动冲击能力差。新能源多数场站短路比偏低、电网故障后暂态过电压、“低电压”问题突出，成为制约区域电网新能源送出的主要因素。系统故障可能造成新能源机端过电压，故障清除后可能引起新能源机组反复进出“低电压”穿越，造成地区电网电压、功率发生振荡，可能造成机组脱网，甚至发生大规模连锁脱网事故。为提升区域电网新能源电力送出能力，迫切须要采取有针对性的措施，从源端解决新能源场站短路比偏低的问题。

随着国内新型分布式同步调相机技术的发展，新型分布式同步调相机暂态响应速度优异，能够有效抑制系统暂态过电压和“低电压”，提升新能源场站短路比，提高系统电压稳定水平，为系统提供惯量支撑。

本文介绍了新能源场站加装分布式同步调相机现有条件，给出了两种调相机主接线形式，制定了调相机系统的继电保护方案，为目前国内的大规模分布式同步调相机建设提供参考。

1 新能源场站加装分布式同步调相机现有条件

1.1 厂址

新能源场站的升压站大部分均已建成，加装调相机在不新增征地条件下须充分利用场站内的空地，因此要求布置紧凑、节省占地。

1.2 接入点

新能源场站汇集母线电压等级一般为35 kV，为提升35 kV系统的短路比，调相机通常加装在35 kV母线。经调研，有些场站35 kV 配电装置预留有备用开关柜或者35 kV 配电室预留备用空间，经改造或新增开关柜后能够安放新增的调相机接入柜，而有些场站没有上述条件，因此须要考虑改造方案。

1.3 调相机低压厂用电源

调相机低压厂用负荷包括交流油泵、照明、直流、UPS、厂房通风、厂房电加热器等。经初步估算，分布式同步调相机低压厂用负荷在120 kVA 左右，由于当前加装调相机项目基本分布在高寒地区，厂房电加热器负荷在厂用负荷中占比约50%。大部分新能源场站现有站用电系统不能满足调相机低压厂用电源的容量需求，因此须要考虑新增调相机厂用变压器。

2 调相机类型选择

调相机与发电机类似，均有隐极式和凸极式两种类型。它们的主要参数对比（以某主机厂50 Mvar调相机为例），如表1所示。

表1 隐极式和凸极式调相机主要性能参数比较

3 新能源场站加装调相机主接线方案

3.1 新能源场站典型接线

目前，加装调相机的区域电网基本分布在青海、内蒙等区域，以光伏、风电场站为主，该类型新能源场站升压站典型接线如图1所示。光伏阵列、风力发电机升压至35 kV后经集电线路汇总至35 kV汇集母线，然后经220 kV或110 kV主变送至区域电网。

图1 新能源场站升压站典型主接线

从表1 中可以看出，隐极机在主要性能参数方面均处于领先水平。暂动态特性关键参数超瞬态电抗和短路时间常数均优于凸极机，意味着凸极机的动态响应能力不如隐极机。另外，从损耗方面对比看来，隐极机损耗低，经济效益要好于凸极机。

两种机型在转子结构上差异比较大，如表2所示，凸极机转子尺寸和重量远大隐极机。凸极机和隐极机相比有以下特殊的地方：设备尺寸大，占地面积大于隐极机；厂房内抽装转子检修要求及难度高于隐极机；转子重量重，必须配置盘车装置；转子惰转停机时间长，快速启停能力差。

表2 凸极式和隐极式调相机转子参数比较

通过上述比较可以看出，无论从暂动态性能、运行损耗还是从安装运维检修等方面，隐极机都占有绝对的优势。针对国内快速动态响应的同步调相机要求，推荐采用隐极调相机。

3.2 调相机主接线

由于调相机须要设置SFC启动电源及厂用电源，SFC启动电源及厂用电源既可取自35 kV汇集母线，又可取自调相机机端10 kV 母线。本节根据上述两种情况分别制定相应的主接线，最后通过经济比较，给出建议方案。

3.2.1 主接线方案一

该方案中SFC 起动电源及厂用电源取自35 kV汇集母线，可不考虑10 kV 调相机出口断路器，主励磁电源由调相机机端获得。调相机启动时须设起励电源，取自厂用变低压侧，如图2所示。

图2 主接线方案一

此形式主接线中调相机主变、SFC 启动变、厂用变均为35 kV变压器，现有35 kV汇集母线须具备3个备用间隔，用于上述变压器接入。无35 kV备用间隔时，须新增1 段35 kV 母线，将原有SVG 或FC回路转移到新增35 kV母线，改造原SVG或FC回路的开关柜，将此开关柜作为新增35 kV 母线和现有35 kV汇集母线的联络柜，调相机也接入到新增35 kV母线。

调相机主变采用35 kV 油浸式三相双绕组无载调压变压器，容量按照调相机容量的1.25 倍选择，变比为37±2×2.5%/10.5 kV，高压侧电压和新能源场站主变低压侧电压保持一致，户外布置。

SFC 起动变采用35 kV 干式变压器，容量根据调相机起动转矩配置，户内布置，或户外箱变布置。

厂用变采用35 kV 干式变压器，变比37±2×2.5%/0.4 kV，户内布置，或户外箱变布置。

35 kV汇集母线至调相机主变、SFC起动变、厂用变采用35 kV电缆连接。

调相机主变至调相机视调相机容量可采用10 kV电缆或10 kV绝缘铜管母线连接。

3.2.2 主接线方案二

该方案中SFC 启动电源及厂用电源取自调相机机端10 kV 母线，因此须设置调相机断路器。励磁电源同样取自10 kV 母线，不须要另设起动励磁回路，如图3所示。

图3 主接线方案二

调相机主变选型与方案一相同。

SFC 起动变采用10 kV 干式变压器，容量根据调相机起动转矩配置，户内布置，或户外箱变布置。

厂用变采用10 kV 干式变压器，变比10.5±2×2.5%/0.4 kV，户内布置，或户外箱变布置。

35 kV汇集母线至调相机主变采用35 kV电缆连接，调相机机端10 kV 母线至SFC 起动变和厂用变采用10 kV电缆连接。

调相机主变至调相机连接方式与方案一相同。

3.2.3 主接线方案比较

表3 给出了上述两种方案不同点的比较，可看出方案一投资稍多，但对于整个调相机项目投资（千万元级）来讲，占比微小。技术上，两种方案所使用设备均相对成熟，因此，两种方案采取任何一种均可，设计时可根据新能源场站现有35 kV 汇集母线备用开关数量、施工时对原有系统的影响等条件对比选择。

表3 主接线方案中主设备不同点比较

4 调相机系统保护配置

4.1 调相机保护配置标准及规范要求

分布式同步调相机以50 Mvar容量及以下为主，相应保护配置要求国家或行业均未出台针对该类型调相机的标准及规范，目前下列标准或规范可供参考。

GB/T 14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程：该规范给出了不同容量发电机保护配置的具体要求，分布式同步调相机可参考配置。

GB/T 50062—2008 电力装置的继电保护和自动装置设计规范：该规范适用于3～110 kV 电力线路和设备、单机容量为50 MW 及以下发电机、63 MVA及以下电力变压器等电力装置的继电保护和自动装置的设计。

DL/T 2250—2021 同步调相机控制保护系统技术导则：该导则规定了同步调相机监控系统、励磁系统、起动系统、调相机—变压器组保护、同期装置、自动电压控制系统的总则、功能技术要求、二次回路及布置、试验和调试要求等，适用于与换流站或变电站合建的300 Mvar及以上容量同步调相机控制保护系统的设计、制造、建设等，调相机—变压器之间采用不设机组出口断路器的单元接线，其他类型调相机可参照执行。

GB/T 37762—2109 同步调相机组保护装置通用技术条件：该标准适用于单机容量在100 Mvar及以上同步调相机组的继电保护装置，包含对调相机、主变压器和励磁变压器的保护，作为该类装置设计、制造、试验和运行的依据。其他容量调相机组可参照执行。

4.2 调相机保护配置

根据GB/T 14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程4.2.1节要求，电压在3 kV及以上，容量在600 MW 级及以下的发电机，应对表4 中所列故障及异常运行状态，装设相应的保护。相应的保护措施也一并列在该表中。

表4 调相机故障及异常运行状态及其保护措施

4.3 主变保护配置

调相机主变为常规油浸变压器，国家标准及规范已有成熟规定，可配置差动保护、复压过流保护、零序保护、过励磁保护、过负荷保护、非电量保护如轻瓦斯、重瓦斯、油温高、绕组温度高、油位一场、压力释放、冷却系统故障等。

4.4 励磁变压器保护

电气量保护应配置励磁变压器过流保护，可配置励磁变差动保护；非电量保护包括励磁变压器温度高等。

5 结束语

本文提出了采用隐极式同步调相机的建议，同时根据新能源场站加装分布式同步调相机的现有条件和当前国家规范和标准，给出了主接线方案和分布式同步调相机的继电保护配置方案，供新能源场站加装分布式同步调相机项目的建设提供参考。