特高压直流换流站调相机应用研究

特高压直流换流站调相机应用研究

刘冬

刘冬

（国网山东省电力公司检修公司胶东换流站266300）

摘要：随着特高压直流工程的建设与技术应用，对于区域电网系统稳定需求不断提升。调相机作为一种无功补偿装置，可为系统提供紧急无功电压支撑。本文主要对调相机结构、功能等进行讨论研究，分析调相机在实际直流换流站运行中的实际意义。

关键词：调相机、运维、功能、原理

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，短时快速提供无功，降低特高压直流输电大功率运行时出现闭锁后对区域电网的频率震动影响。在特高压换流站设计运用动态无功补偿的调相机。

1调相机的应用实效

本文以首次应用调相机的上海庙~山东特高压直流临沂换流站为例。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。

1.1电网存在主要问题：

(1)电源结构待进一步改善。山东水资源匮乏，新能源和可再生能源处于起步阶段，全省电厂基本上都是燃煤机组，燃煤机组占全省装机总容量88.7%。(2)近年来山东负荷发展较快，但省内装机受环保空间限制，电力供需矛盾日益突出，亟需加大外电入鲁力度。(3)输电走廊资源日益紧张，前期工作难度大，电网需超前规划、提前布点。

1.2调相机建设的必要性

1.2.1为系统提供紧急无功电压支撑

考虑在山东电网小负荷、直流输电通道满功率运行工况下，由于山东省内机组70%以上接入220kV电网，500kV和1000kV交流电网无功不足问题突出。当1000kV交流线路发生N-1故障时，直流功率持续振荡，山东电网整体电压崩溃。山东电网小负荷、上海庙-山东特高压直流满功率运行工况下，1000kV交流线路发生N-1故障，系统可保持稳定。调相机在发生严重电压跌落故障时，短时(1s左右)动态无功最高输出接近额定容量的2倍，为系统提供紧急无功电压支撑。

1.2.2提高短路容量和直流短路比

在临沂换流站500kV侧加装调相机后，可有效提升换流站的系统短路容量和短路电流水平，同时提升了直流有效短路比，受端交流系统对直流支撑能力增强。

1.2.3降低直流换相失败的风险

当500kV发生三永N-1故障，在临沂换流站500kV侧加装3×300Mvar调相机，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。

1.2.4提高故障后电压恢复水平及速度

考虑上海庙～山东特高压直流双极闭锁故障，在临沂换流站500kV侧加装3台3×300Mvar调相机，大幅降低了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。

2调相机功能及原理

这里重点对临沂换流站调相机概况、原理等方面进行研究分析。

调相机（又称同步补偿机）是一种无功补偿装置，是运行于电动机状态、向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机，不带机械负载也不带原动机。

调相机属于特殊运行工况同步发电机，所以主要结构与发电机相同，包括定子绕组、铁心、机座、转子及绕组、轴承等主要部件；调相机因转轴不传递机械功率（力矩），所以原则上转轴可设计相对较细，且因无原动机，可取消与之连接联轴器；调相机因不传递有功，仅需克服损耗，运行时功角较低，不存在调相机静态失稳问题，故气隙可相比于发电机做的更小，进而可降低转子电流。

典型隐极电机短路比为0.4~0.5，如果满足上述要求，短路比SCR需做到0.67以上，有效方案如增大电机气隙长度。为了是调相机能够平稳的启停以及长期稳定运转，调相机一般都装设有冷却系统、励磁系统、控制保护系统、油系统等。

2.1调相机冷却系统

调相机水冷却系统由冷却水箱、水泵、冷水器、离子交换器、过滤器、反冲洗装置及阀门、传感器等附属设备共同组成。通过DCS实现对水冷系统的运行监视及自动控制。

2.2调相机励磁系统

励磁回路的主要组成部分有：DAVR调节器、可控硅整流装置、灭磁及过电压保护装置、励磁变压器。AVR控制系统以维持机端电压恒定为主要控制目标当机端电压高于给定电压时，表明无功过剩，电压偏差经PID控制系统，增加可控硅导通角，减少励磁电流输出，直到电压回复额定；当机端电压低于给定电压时，表明无功不足，电压偏差经PID控制系统，减少可控硅导通角，增加励磁电流输出，直到电压回复额定；当机端电压低于10%水平时，可控硅导通角放到最小，励磁电流达到强励水平，对系统无功实现最大能力的支撑；由于AVR是基于机端电压自动实现调节的，所以可以保证调相机无功进相和滞相的平滑调节。

2.3调相机控制保护系统

调相机各系统控制保护功能由DCS及其I/O等设备来实现，完成对包括冷却系统、励磁系统、启动回路、油系统等的自动控制，同是与直流控制系统通信，完成无功调节、启停机控制、信号传输等功能。

调相机保护应该以能可靠地检测出调相机可能发生的故障及不正常运行状态为前提，同时，在继电保护装置部分退出运行时，应不影响机组的安全运行。在对故障进行处理时，应保证满足机组和系统两方面的要求。

关于后备保护，调相机、变压器已有双重主保护甚至已超双重化配置，本身对后备保护已不做要求。为防止短路电流衰减导致后备保护拒动，调相机采用带记忆的复合电压闭锁过流保护作为后备保护。

2.4调相机润滑油系统

由于调相机在运行过程中，转子以额定转速运转，轴承接触面由于摩擦起热，为了防止轴承润滑油过热劣化、挥发等，调相机一般配置有润滑油系统主要包括：高压顶轴油系统；润滑油系统；来完成对润滑油的循环散热及过滤清洁。

3结束语

总之，开展特高压直流输电系统调相机运维管理工作专题研究，提前分析调相机的功能原理和运维技术，培养专业运行维护人员，为提升电网运维安全可靠性和调相机的实际运维管理带来实际意义。

参考文献

[1]国网北京经济技术研究院.±800kV临沂调相机工程初步设计.上海

作者简介：

刘冬（1978.10—），男，湖南衡阳人，武汉水利电力大学工学学士，工程师，单位：国网山东省电力公司检修公司，研究方向：直流系统输变电运维，