大型调相机无功调节能力试验技术研究

解兵，徐珂，罗凯明，赵静波，周前

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211102；2.国网江苏省电力有限公司调度控制中心，江苏 南京 210024)

同步调相机实际上是一台接在电网上的同步电动机，用来调整电网无功功率，提高电网电压安全稳定水平。但由于调相机存在自身损耗、运行维护较复杂等问题，再加上电容器、电抗器等多种无功补偿装置能满足当时电网的需求，调相机则由于设备老化逐步退出电网运行[1-5]。

近年来，随着直流输电大规模投入，电网结构发生重大改变，对无功动态调整提出新的要求[6-7]。为提升直流输电接入后电网的无功动态补偿能力，综合考虑同步调相机以及其他无功补偿装置的优缺点[8-12]，国家电网有限公司决定在直流送、受端加装大型同步调相机，并通过系统仿真分析，提出接入调相机的性能要求[13-14]。投运的调相机的调相能力能否达到电网要求，则需要通过调相机性能试验来验证。通常机组进相、滞相试验是指在当前运行工况下最大的进相能力和滞相运行能力，除了受性能试验中温度、静稳极限等调相机本体因素限制外，还受机端电压、厂用电压等非本体因素限制。大容量调相机开展调相试验时，将引起电网电压的大幅波动，极有可能造成机端电压、厂用电压提前受限，致使达不到开展性能试验的目的，还容易引起直流输电设备运行异常。

本文根据发电机组进相能力试验以及发电机组滞相运行时限制因素情况，分析同步调相机调相试验中可能出现的限制因素，提出需要通过试验验证的设计指标。为达到通过调相试验验证其设计指标的目的，尽量避免非性能限制因素提前受限，并针对可能提前受限的厂用电压和机端电压限制因素提出应对措施，不但规避了电压提前限制调相机调相能力，还减少调相试验过程中电网电压的大幅波动，减少因电网电压波动引起直流输电设备运行异常，提升电网运行安全性。

1 大型调相机进相试验中限制因素分析

同步发电机进相运行时主要限制因素有静稳限制、厂用电压、机端电压、机端电流、励磁电流、温度等[15-16]。根据同步发电机进相运行以及降低有功负荷后这些限制因素变化趋势，分析同步调相机进相过程中的限制因素。

1.1 静稳限制

静稳限制是同步发电机保持稳定运行的极限，一旦超出静稳极限，同步发电机将失去同步，给电网带来较大扰动，甚至引起电网故障。进相试验中静稳限制通过功角监视来满足，隐极机的极限功角为90°，试验中保留一定的裕度控制发电机功角小于70°[17]。最近投运的大型调相机均为隐极机，本文基于隐极机开展研究。根据静稳限制画出隐极机P-Q曲线图的无功功率下限，如图1所示。

图1中，隐极机功角

(1)

式中：U为机端电压；Xd为直轴同步电抗。

对于同步调相机，输出的有功功率只是克服制动转矩。制动转矩相对于内电势建立的同步转矩属于较小值，因此，正常运行时功角也基本为0。当无功功率逼近极限工况，即式(1)中Q+U2/Xd趋近于0的时候，调相机功角将大幅变动直至失步。因此，调相机的静稳限制可通过控制无功功率小于极限无功功率，并留有一定的裕度，从而确保试验中机组运行稳定。调相机极限进相无功功率

弧线MN为励磁电流最低电流定值；隐极机低有功功率时的无功功率上限是以A点为圆点，AD为半径的弧线DE；直线AB为功角是90°时的工况；直线AC为功角是70°时的工况；P为隐极机有功功率；Q为隐极机无功功率；δ为隐极机功角；O为原点。

图1 发电机P-Q曲线
Fig.1 Generators’P-Qcurve

(2)

从式(2)可见，调相机的极限无功功率主要跟机端电压U和同步电抗Xd有关。由于调相机进相时，随着进相深度加深，机端电压是不断下降的，再加上同步电抗在机组运行区间有一定的饱和度，处于饱和值与不饱和值之间，且随着饱和程度变化而变化;因此通过式(2)精确计算出极限无功功率比较困难，有必要通过试验验证确认。

文献[18]提出，对于隐极调相机，由于运行时有功功率及制动转矩很小，励磁消失后，因转子大小齿的差别，仍存在Xd>Xq(Xq为交轴同步电抗)，产生的磁阻功率以及剩磁建立的同步转矩仍然可以克服制动转矩，从而使调相机无励磁运行，且此时的无功功率达到最大值。

调相机无励磁运行时，制动转矩由剩磁和磁阻功率承担，电磁功率

(3)

式中Es为剩磁产生的感应电势。

由于剩磁转矩和磁阻转矩均较小，此时的制动转矩无法近似为0，同步调相机在此工况下δ不为0。当电磁功率最大时，δ称为极限功角，该极限功角在45°至90°范围内。由式(3)可见，调相机的交、直轴同步电抗、剩磁以及制动转矩相对固定，无励磁运行时，功角δ随着机端电压波动而变动；一旦电网发生故障扰动，机端电压下降明显，功角δ极有可能超出极限功角，即最大电磁功率小于制动转矩，调相机将失去同步。因此，无励磁运行时可通过监测功角并计算稳定裕度，从而综合判断能否满足长期运行的要求。

国家电网有限公司对300 Mvar容量的调相机提出的性能要求为[13-14]：在受端电网，最大进相能力应达到-150 Mvar；对于送端电网，最大进相能力应达到-200 Mvar。要验证调相机性能，应逐渐减少励磁电流，甚至降至0，应结合调相机的无功功率、功角情况综合分析最大进相能力下的运行可靠性，从而判断性能指标是否满足要求。

1.2 厂用电压

进相试验导则规范了进相试验的方法[17]。试验中，发电机组进相能力大部分是受厂用电压的限制，发电机组厂用电接线示意如图2所示。发电机组厂用电系统比较复杂，厂用电一般占到发电量的3%～7%。机组进相时，厂用电压随着机端电压下降而下降，最终达到限制值。

图2 发电机组厂用电接线方式Fig.2 Auxiliary power connection mode of generator unit

对于调相机，在电网运行时，相当于空转的同步电动机，所有的有功功率均从电网输入，而且调相机厂用电主要维持冷却系统、油系统等正常运行，厂用电系统功率较小。调相机的厂用电系统可从主变压器高压母线侧引出，如图3(a)所示，也可采用有载调压变压器如图3(b)所示。图3(a)中，厂用电系统离机端电压隔离了一个升压变压器，如果厂用负荷较小，不容易构成限制因素，但高压侧电压等级高，初期建设成本高；图3(b)中采用了有载调压变压器充当高压厂用变压器，厂用电压也不构成限制因素。这两种新的厂用电接线方式可避免厂用电压出现限制因素。

图3 调相机新厂用电接线方式Fig.3 New auxiliary power connection mode of synchronous condenser

1.3 机端电压

发电机进相时，机端电压逐渐下降，可能降至额定电压的90%，成为发电机进相限制条件，但这种情况较少发生，通常是由厂用电限制。从图2可看出，厂用电下降的主要因素是机端电压的下降，由于厂用负荷处于末端，厂用电压下降的幅度大于机端电压。

对于调相机，当采用图3的2种方式后，厂用电压不构成限制因素。随着进相加深，机端电压将首先达到限额，根据文献[17]，机端电压也应控制在额定电压的90%以上。

1.4 机端电流

当有功功率为额定时机组进相运行，由于机端电压下降，机端电流有升高至额定电流的可能。对于调相机，有功功率几乎为0，此时的容量几乎全为无功功率。这批即将投运的调相机额定容量为300 Mvar，根据调相机设计性能要求，最大进相能力仅为-200 Mvar，尽管此时机端电压有下降至额定电压的90%的可能，进相试验时定子电流远小于额定定子电流，因此该调相机进相试验中定子电流不构成限制因素。

1.5 励磁电流

发电机组进相加深时，励磁电流下降，转子不会出现过热问题。为避免出现失磁情况，励磁电流最低电流定值设置为额定励磁电流的10%，就如图1中弧线MN所示。

根据上述分析，调相机具备无励磁运行能力，因此试验中励磁电流不构成限制因素。为保证调相机正常运行时有一定的安全稳定裕度，正常运行的最大进相能力为极限无功功率的90%，此时的励磁电流数据可作为今后失磁保护中励磁电流整定的依据。

1.6 温度

发电机组在进相运行时，可能由于端部漏磁而出现端部温升较大的情况。当前发电机厂家考虑发电机进相需求而采用氢气冷却，从而完善铁心端部设计，同时在端部加装铜、磁屏蔽，减少端部漏磁，尽管发电机进相运行时仍有温度上升，但达到温升上限的情况很少出现；此外，发电机进相时温度最高点出现在有功功率最大的运行工况，有功功率降低后，最高温度也随之下降。

对于调相机，有功功率几乎接近0，而且机端电流小于额定电流，再加上发电机厂家在设计发电机时采取屏蔽等措施，温度在调相机进相试验时理应不构成限制因素。目前大型调相机有双水内冷，也有全空冷冷却方式，但由于进相深度比一般发电机深得多，温度因素也是验证调相机设计性能的重要指标。

2 大型调相机滞相试验中限制因素分析

发电机滞相运行时，一般要求可发出最大额定无功功率，但实际运行时，因机端电压等限制，很少能发出过多的无功功率，国内也基本没有开展不同有功功率下发出无功功率能力的试验，文章根据进相试验逆向思路分析滞相试验中机组的限制因素。同步发电机滞相运行时主要限制因素有静稳限制、厂用电压、机端电压、机端电流、励磁电流、温度等。

2.1 静稳限制

对于一般同步发电机，同一有功功率下无功功率增加，功角降低。调相机滞相运行时，尽管功角仍然为0，但稳定裕度增加，滞相试验中静稳不构成限制因素。

2.2 厂用电压

当采用图3方式后，厂用电压变得灵活可变，在滞相试验中也不构成限制因素。

2.3 机端电压

发电机滞相运行时，常常会因机端电压达到上限而无法进一步发出无功功率。调相机滞相运行时，也会出现机端电压升高至限额的情况，根据文献[19]，机端电压应不超过额定电压的108%。

2.4 机端电流

对于同步发电机，由于调相机有功功率为0，调相机的额定容量就是额定无功功率。由于调相机容量设计时是按额定工况设计的，滞相试验中，机端电压上升并超过额定电压，机组在额定无功功率运行时，机端电流往往低于设计的额定电流，因此机端电流在滞相试验中不构成限制因素。

2.5 励磁电流

根据图1中P-Q曲线，发电机低有功功率时的无功功率上限是根据励磁电流的上限画出的，即以A点为圆点，AD为半径的弧线DE。对于调相机，无功功率增加至额定容量时，励磁电流则逐渐增大至额定励磁电流。

根据大容量并网同步调相机的技术规范，励磁系统应满足1.1倍额定励磁电流长期运行的能力，故障状态下转子绕组应能承受3.5倍额定励磁电流5 s时长或2.5倍额定励磁电流15 s时长的要求，后两个性能指标可以通过转子过电流试验验证。由于转子过负荷能力较强，滞相过程中励磁电流不应成为限制因素，但却作为设计额定励磁电流的验证指标，即调相机发出额定无功功率时，设计的额定励磁电流不应小于此时的励磁电流，才能确保调相机转子过负荷能力达到实际技术要求。

2.6 温度

同步发电机滞相运行时，端部温升比进相工况下小，中部铁心的温升则跟发发电机的机端电流及冷却条件相关。一般情况下，如果发发电机满负荷发出额定无功功率时温升满足要求，其他工况下温升基本都能满足要求。

对于调相机，最大滞相工况下机端电流更大，由此引起绕组和定子铁心中部的温升，可能因设计不满足要求而达到限额，因此温度是滞相试验中主要验证的技术指标。

3 开展大容量调相机调相试验的应对措施

根据上述分析，调相机进相运行时，采用新接线方式的厂用电压、机端电流、励磁电流不构成限制因素，机端电压以及不合理的厂用变压器分接头下的厂用电压在试验中极有可能最先达到限额，限制调相机进相能力，静稳极限、温度是试验中主要验证性能指标；调相机滞相运行时，静稳限制、新接线方式下的厂用电压、机端电流不构成限制因素，机端电压以及不合理的厂用变压器分接头下的厂用电压在滞相过程中可能最先达到上限，限制机组发出无功功率能力，励磁电流、温度则是滞相试验需要验证的性能指标。

不管进相试验还是滞相试验，为验证调相机的设计性能，均应避免机端电压和厂用电压提前受限。采用图3两种新接线方式可以避免厂用电压提前受限，但进相时造成电网电压大幅下降，滞相时造成电网电压大幅上升，不仅对直流送、受端的电压造成较大扰动，不利于电网运行安全，而且可能因电网电压不够高或不够低，使得试验中机端电压提前达到限值。

为提高直流送、受端的无功功率支撑能力，每个位置均应至少配备两台调相机。一方面，开展进相试验时需要电网电压尽可能高，通过抬高机端电压避免机端电压提前达到下限；另一方面开展滞相试验时需要电网电压尽可能低，通过升压变压器拉低机端电压，避免机端电压达到上限。为避免调相试验对电网电压造成较大波动以及机端电压提前达限，建议调相机开展调相试验应在同母线的两台调相机同时运行的条件下进行，一台调相机开展滞相试验，同时另一台开展进相运行试验。进相试验调相机为滞相试验调相机提供电网电压偏低的电网环境，滞相试验调相机为进相试验调相机提供电网电压偏高的电网环境，降低试验过程中的电网电压的波动范围，从而减少调相试验中机端电压先达限的可能。假设电网中有两台额定容量为300 Mvar的调相机，任一台调相机单独开展进相试验吸收无功功率为200 Mvar，滞相试验发出无功功率为300 Mvar；如果试验时陪试机组无功功率保持为0，试验机组无功功率从-200 Mvar变动至300 Mvar，两台机组总的无功功率也从-200 Mvar变动到300 Mvar，电网电压将在试验过程中大幅变动；如果两台机组协同试验，一台调相机发出无功功率，一台机组吸收同样的无功功率，两台机组总发出无功功率为0，也就是说当滞相试验发出200 Mvar及以下无功功率时，电网电压几乎没有影响，最终工况下一台调相机发出300 Mvar，一台机组吸收200 Mvar，两台机组总发出无功功率为100 Mvar，电压上升仅为单台机组时的三分之一，对电网影响较小。

如果此时仍然出现机端电压受限的情况，则应跟设备厂家确认，将±10%机端电压的限制放开至±20%。根据文献[20]，带出口开关的调相机空载特性曲线能做到额定电压的130%，绝缘一般留有较大的裕度，能够满足机端电压在额定电压的120%时运行。从升压变压器高压侧来说，由于连着电网，且两台调相机中一台进相，一台滞相运行，电网电压波动应该在限额以内，不会出现升压变压器绝缘问题。

通过上述方法，排除机端电压、厂用电压等限制后，调相机进相时能达到无励磁极限无功功率工况，且滞相能达到额定无功功率的工况，通过试验能够验证调相机关键设计性能达到调相试验的目的，并为今后调相机运行提供依据。

4 实例数据分析

某300 MW调相机基本参数见表1。

表1 某调相机基本参数Tab.1 Basic parameters of one synchronous condenser

该机组进行调节无功功率的调相能力试验后，试验数据见表2。

从表1和表2试验数据可看出，在滞相试验中，无功功率达到设计值300 Mvar。试验过程中，机端电压、厂用电压、系统电压、温度、励磁电流、定子电流随无功功率增大呈上升趋势。无功功率最大时，机端电压为额定电压的106.8%，励磁电流小于额定励磁电流，最高铁心温度等各参数均在合理范围内，未出现限制条件；在进相试验中，无功功率最低降至-175.3 Mvar，试验过程中，厂用电压、系统电压、励磁电流下降，无功功率最低时，励磁电流下降至4 A，机端电流上升至5 569 A，机端电压下降至额定电压的92%，接近无励磁运行极限工况，静稳极限、温度满足设计性能要求。

表2 调相机调相试验数据Tab.2 Phase modulation test data of synchronous condenser

本次试验中，未出现限制因素，基本验证了调相机的性能，主要原因是调相机所处的网架结构较强。调相机从发出无功功率300 Mvar到吸收无功功率175.3 Mvar，实际减少无功功率475.3 Mvar，而500 kV母线电压从522.1 kV下降至516.7 kV，仅下降了5.7 kV，可见该调相机试验所处的电网网架结构较强，随着无功功率下降电压下降不明显。从限制因素角度看，厂用电压由于调相机厂用负荷较小，波动较小，不构成限制条件。机端电压是最接近限值的限制因素，如果调相机位于电网架构较薄弱地区，随着无功功率下降，电网电压下降明显，机端电压可能提前受限，这与之前分析一致；另外，从极限无功功率来看，如果采用同时试验的方法，可使得电网电压波动更小，无励磁状态时的机端电压更高，调相机的极限无功功率更大，可突破-175.3 Mvar的限值。

5 结论

在分析大型调相机调相试验可能出现的限制因素的基础上，提出通过调相试验验证的设计指标，针对可能提前受限的厂用电压和机端电压限制因素提出改进的试验措施，并得出以下结论：

a)调相机进相运行时，在电网架构薄弱地区，电网电压下降过多可能引起机端电压提前达限，静稳极限、温度是试验中主要验证的性能指标。

b)调相机滞相运行时，电网电压上升过多，机端电压可能最先达限，设计的励磁电流、温度则是滞相试验需要验证的性能指标。

c)通过同时开展同母线2台调相机调相试验，可降低调相试验过程中的电网电压的波动程度，达到验证调相机关键性能指标的目的，为今后调相机运行提供依据。