分布式调相机布置方式研究

孙双魁，何 莉，孙建聿，吕钧章，马鸿翔

(中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008)

0 引言

SVG(静止同步补偿器，亦称STATCOM)是基于电压源换流器的并联无功补偿装置，为系统提供容性或感性的注入电流，能够实时快速调节无功功率。根据对比基础工况和加装SVG、加装调相机仿真结果，调相机暂态响应速度明显快于SVG，近区换流母线和近区风电机组机端母线电压峰值USVG>U基础工况>U调相机，即调相机改善了暂态压升水平，而SVG由于存在延时环节恶化了暂态压升问题，换流母线暂态电压峰值相差接近0.1 p.u.。

而调相机可提供次暂态无功支撑能力，可以在几十毫秒内将定转子储存的电磁场能提供至电网，有效抑制系统暂态过电压和低电压，并通过优化d轴暂态时间常数和提高强励倍数等措施提升调相机暂态响应速度，大幅提升短时过载能力，提高系统电压稳定水平，为系统提供调相机转动惯量，为新能源集中送出的弱送端系统提供惯量支撑。

《电力系统安全稳定导则》(GB38755-2019)2.5.6条中指出，电力系统应具备基本的惯量和短路容量支撑，在新能源并网发电比重较高的地区，新能源场站应提供必要惯量和短路容量支撑。

经调研，目前国内分布式调相机的运行情况很少，本文结合青海地区某项目实际规划情况，从单套分布式调相机入手，提出其基本构成，并对主要构成部件进行简要介绍，运用经济技术比较对在高海拔地区的分布式调相机布置方式进行优选，并提出相关建议，为今后“双碳”时期的电力建设提供参考。

1 电气接线

分布式调相机出口电压为10.5 kV，经变压器升压至35 kV后，通过断路器直接接入变电站母线，分布式调相机容量为50 Mvar，输出无功范围为-50～+50 Mvar。升压变压器容量选择60 MVA，无载调压，电压比为38.5±2x2.5%/10.5 kV，接线组别Yn/d11，短路阻抗为Ud=11%，调相机系统接线简图如图1所示。

图1 分布式调相机接线简图

2 调相机系统

2.1 调相机本体

主机采用50 Mvar全空冷型隐极式调相机，占地较小，型式为三相二极同步电机。调相机轴承采用整体座式轴承，轴承座分为上半轴承座和下半轴承座，如图2所示。

图2 分布式调相机主机外形图

2.2 升压变压器及绝缘管型母线

升压变压器选用油浸式三相双绕组无载调压变压器，容量为60 MVA，电压比为38.5±2×2.5%/10.5 kV，接线组别Yn/d11，短路阻抗为Ud=11%，采用户外布置。

50 MVar分布式调相机出口电流为2 749.3 A，常规采用架空绝缘管型母线与升压变压器直接连接，调相机出口设置电压互感器及避雷器。

2.3 启动系统

目前常规为SFC变频启动方式，变频启动方式对电网无冲击，可以按一拖多方式布置。50 MVar调相机的起动变频器功率选择4 MW，为级联式电压源变频器，静止变频器采用12-6脉动拓扑结构，额定输出功率1.2 MW，启动系统能在600 s内将调相机加速至并网。

2.4 励磁系统

调相机配置1套励磁系统。基于系统对调压效果的需要，对调相机励磁系统采用自并励静止励磁系统，励磁系统根据调相机的迟相和进相能力提供相应的励磁电流以及相关的控制。

调相机励磁系统主要由机端励磁变压器、启动励磁变、整流装置、自动电压调节器，灭磁与过电压保护装置和启励装置等组成。

启动励磁系统主要性能为，在SFC变频拖动过程中为调相机提供励磁，配合SFC完成调相机升速；在调相机惰转期间，应能可靠切换到主励磁，切换成功率大于99%；并网失败后，能够满足快速再启动的要求；配合DCS系统完成启动流程。

2.5 调相机冷却

分布式调相机采用开启式冷却技术，取消冷却器设计，厂房内就地取风，室外排风，实现对调相机的有效冷却，如图3所示。

图3 调相机主机与冷却器整体图

2.6 润滑油系统

调相机配套的润滑油系统，其储油箱、润滑油模块、润滑油冷却器和真空滤油机4部分可为一体设置，也可分散布置，因厂家而异，单台调相机配备1台储油箱。

3 布置方案

分布式调相机站系统设备包括调相机、变压器、润滑油系统、励磁系统、变频启动系统、站用电系统、计算机监控及继电保护装置。

3.1 主机及润滑油系统布置

分布式调相机为新能源场站长期提供转动惯量及短路容量，使用寿命在30年以上。参考国内三大主机厂(哈尔滨电机厂有限责任公司、东方电气集团东方电机有限公司、上海电气电站设备有限公司发电机厂)分布式调相机资料，其最大外形尺寸(含隔音罩)约为11.9×5.5×10 m(长×宽×高)，可按最大尺寸开展设计。

分布式调相机出厂前已完成定子、转子组装机调试，主机整体运输到现场。调相机的检修周期8年左右，届时可能存在抽转子检修的情况，故需要考虑厂房内预留抽转子检修的空间，根据转子长度，在调相机转子中心线轴向预留8 m检修空间。

考虑调相机隔音罩在现场的安装及调相机检修需拆除隔音罩等情况，调相机厂房需设置单轨吊行车，隔音罩的最大单件起吊重量约4 t，保留一定的裕度，单轨吊行车起吊重量按10 t设置；哈电生产的分布式调相机带隔音罩的外形高度约10 m，考虑单轨吊行车吊钩及挂线高度为3 m，厂房高度暂按15 m考虑。

根据《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)6.5.1第2条规定：汽轮机的主油箱、油泵、冷油器及油净化装置等油系统设备，宜集中布置在汽轮机零米层机头靠A列柱侧处并远离高温管道；6.5.1第14条规定：润滑油区、调节油供油装置应设置防泄漏和防火措施。经与润滑油厂家咨询，调相机润滑油系统采用抗燃润滑油，根据调相机与润滑油系统为同等防火等级(丙二级)，故无需将调相机润滑油系统单独封闭房间布置。主油箱集装装置布置在调相机轴向位置，贮油箱及真空净油装置就近布置，可提高供油效率。

调相机周围应留有便于巡视的通道，考虑净距按不小于2 m设置，故主机厂房宽度暂按10 m设置，结合厂家建议及满足防火规范的前提下，调相机主机及润滑油系统为一间，厂房整体尺寸按28.5×10×15 m(长×宽×高)考虑，可根据实际订货设备进行优化。

3.2 其他

本站用电系统包含10 kV开关柜部分、厂用变压器及0.4 kV GCS抽屉式柜。10 kV开关柜部分包含8面开关柜，按部分负荷为双电源需求，厂用变压器可按2台配置。

SFC变频启动系统和励磁系统可户内厂房整体布置，或单独集装箱布置。

0.4 kV配电装置和保护监控系统布置方式可采用砖混和预制舱两种不同方案。

4 整体布置方案

4.1 主机系统与保护监控联合布置方案(方案一)

该方案为保护监控室和启动及励磁小室与调相机主机厂房联合布置，调相机主机厂房整体尺寸为28.5×10×15 m(长×宽×高)，保护监控室和启动及励磁小室尺寸分别为12.9×8.7×5.1 m和15.6×8.7×5.1 m。厂用电系统布置在调相机厂房北侧，采用框架结构建筑，10 kV开关柜采用充气柜，两台厂用变压器采用油浸式户外布置，0.4 kV采用GCS抽屉式开关柜户内布置，布置如图4所示。

图4 主机系统与保护监控联合布置方案

4.2 主机系统与厂用电联合布置方案(方案二)

该方案为厂用电室和启动及励磁小室与调相机主机厂房联合布置，调相机主机厂房尺寸同方案一，厂用电室和启动及励磁小室尺寸分别为12.9×8.7×5.1 m(长×宽×高)和15.6×8.7×5.1 m。10 kV开关柜采用充气柜并布置于预制舱内，两台厂用变压器采用干式带外壳变压器，与0.4 kV GCS抽屉式开关柜户内布置。保护监控系统采用预制舱方式，在满足防火距离的前提下布置于调相机主厂房南北两侧，布置如图5所示。

图5 主机系统与厂用电联合布置方案

4.3 励磁及保护监控预制舱布置方案(方案三)

该方案调相机主机厂房及厂用电系统布置及尺寸同方案一，将保护监控系统与启动及励磁系统均采用预制舱方式，在满足防火距离的前提下布置于调相机主厂房南北两侧，该方案中仅将励磁变压器单独布置于户外，是便于与调相机出口管型母线连接，PT柜采用电缆与调相机出口管性母线连接，布置如图6所示。

图6 励磁及保护监控预制舱布置方案

5 方案比较

5.1 技术方面

方案一整体厂房布置紧凑，考虑新风系统后可完全满足青海高寒大风沙环境，设备操作及巡视均在户内密闭空间内，无论对设备还是运行检修人员均为良好的保护，同时，若将调相机冷却系统稍加改造，可解决厂房内的供暖问题；厂用电系统集中室内布置，与调相机、2台变压器(调相机升压变压器、总降压变压器)功能划分明晰，便于运行管理，且该方案采用油浸变压器，同时10 kV开关柜、厂用变压器及0.4 kV开关柜集中布置，有效减少了之间的高压连接电缆。

方案二为启动及励磁系统为户内布置，励磁变压器、PT及PB与调相机出口母线更便于连接，运行条件安全；10 kV开关柜室、保护及监控均采用预制舱，厂用变压器为干式与GCS柜并排户内布置，出厂前完成安装调试，现场仅制作基础，单项施工安装快捷；运行人员经常操作、巡视启动及励磁系统，若启动及励磁系统远离调相机，不便于运行及维护。

方案三保护监控及启动励磁系统采用预制舱，励磁系统工作时发热较为严重，预制舱空间较小，需要重点考虑通风机散热问题；需单独考虑调相机出口的管型母线与保护用PT的电缆连接问题，整体工艺不美观、对后期巡视造成不便；运行人员经常操作、巡视启动及励磁系统，若启动及励磁系统远离调相机，不便于运行及维护。

5.2 经济方面

在厂家询价的基础上，对上述3个方案进行了投资估算，估算费用见下表1。

表1 经济比较 /万元

从上表看出，3个方案投资相当，方案一整体布置工整，功能划分明确；方案二、方案三中的预制舱方案理论上可以制造，但目前在调相机系统中尚无使用业绩；在调研过程中，了解到调相机的生产制造周期需要8个月之久，是工程能否按预定时间顺利投运的关键控制项，预制舱方案虽然能做到出厂前完成安装及调试、现场安装对接便捷、大幅节省时间等优点，但对比调相机的制造周期，预制舱的优势不再凸显；故不推荐采用方案二、方案三。

6 结论

站址区域为高原戈壁区域，海拔高、风沙大、日夜温差大，考虑调相机30年使用寿命，为使调相机及润滑油系统、励磁系统、变频启动系统能辅助设施提供一个良好的运行环境，认为鉴于高海拔特殊气候，应依靠科技进步，采用可靠、先进、实用的设备，保证设备的安全运行，提高供电可靠性，减少工作人员在高海拔缺氧地区的检修维护工作量，推荐调相机及附属设施采用户内厂房布置。