新型同步调相机动态无功特性分析研究

张彦凯，魏久升，史玉杰

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050;2.广西桂旭能源发展投资有限公司，广西 贺州 545000)

0 引言

同步调相机是现有的最基本的无功补偿装置，与同步发电机具有类似的结构和控制原理。调相机运行于电动机状态，仅需消耗少量的有功补偿运行中的损耗和克服自身旋转的阻尼力矩，同时根据电压高低收发大量的无功功率[1-3]。随着近几年特高压直流输电工程的大规模建成，电网“强直弱交”的问题越来越突出，加之直流换流站近区新能源电源集中进一步加深了无功电压稳定问题，电网稳定问题日益凸显。为深入挖掘同步调相机无功潜力，最大限度发挥新一代调相机无功控制性能[4-9]，本文引入了无功电流增益，并进行了调相机与SVG无功增益比较，因此深入探究调相机的原理、稳态及动态特性，将会带来明显的经济和社会效益。

1 同步调相机的控制策略

1.1 同步调相机的启动控制策略

调相机的启动需要借助外部设备，目前小容量调相机启动方式主要有异步启动、低频启动、同轴励磁启动、同轴电动机启动等。对于大容量同步调相机，目前优先采用的是静止变频器(Static Frequency Converter,SFC)启动，采用的是“交-直-交”电流源型变频器，核心部分由整流桥、平波电抗器、逆变桥、控制系统组成。控制系统控制整流桥将工频电源整流成直流电，平波电抗器将整流的直流电进一步进行平波处理，使之更具有电流源的特性，逆变桥再依据机组频率，将直流电转换成与机组频率完全一致的交流电，从而拖动机组不断加速至额定转速。SFC系统基本工作原理如图1所示。

图1 SFC系统基本工作原理

监控(DCS)给需要启动机组的高压隔离开关下发合闸指令，高压隔离开关闭合时SFC具备了启动条件。SFC在收到人工就地启动或者监控远程启动命令时，根据启动命令信号判断待启动的机组。

SFC开启散热风机，闭合待启动机组的切换开关。切换开关闭合成功后，SFC下发输入断路器闭合指令。输入断路器位置节点反馈正确的情况下，SFC控制励磁系统工作并触发SFC脉冲，拖动调相机加速。当转速拖至额定转速的1.05倍(可设定，最高1.1倍)时，SFC向监控(DCS)发出“转速到达”指令，监控系统收到后，根据情况适时向SFC下发退出指令，SFC系统收到退出指令后，停励磁控制、封脉冲，监控断开高压隔离开关，控制励磁系统进行主励、启励的切换以及升压等操作，随后由同期装置进行同期控制。SFC根据监控的指令进行下一步操作。此时根据现场启动情况，可能有3种情况，分别为“快速再启动”、“启动下一台机组”、“SFC系统停机”。

TM=c·id·cosφ·Ψ

(1)

公式(1)中控制系统产生的启动转矩TM与SFC直流电流id、机桥触发角度φ和电机转子磁通Ψ成正比。一般情况下，装置控制机桥触发角度保持不变，此时，直流电流大小由网桥触发角度大小决定，这样以电机转速为控制目标，通过控制网桥电流即可实现对加速转矩的控制；此外，装置对机组磁链进行控制并按照机组转动要求得到相应的励磁电流给定值，这样控制系统通过控制直流电流和励磁电流进行转矩调节。

E=4.44fN1KW1Φm

(2)

因调相机与同步发电机具有类似的结构和控制原理，运行于电动机状态，故其感应电动势可用式(2)表达。式中：E为感应电动势；f为频率；N1为电机定子绕组匝数；KW1为绕组因数(短距分布线圈的电动势与整距集中线圈的电动势之比)，通常不大于1；Φm为每极磁通。KW1N1为定子绕组的有效匝数。

由图2可知，同步调相机在SFC拖动启动时，在DCS判断转速3 150 r/m(每分钟3 150转)时，SFC退出运行，同步调相机进入惰转模式，当DCS发出投主励信号后，此时进行励磁切换，同步调相机由他励(启动励磁)励磁方式切换为自并励励磁方式，启动励磁与主励磁成功切换调，相机惰转运3 000 r/m时，同期并网。

图2 SFC主启动流程

在启动过程中可分为两个阶段：两个阶段具体控制电气量目标如图3所示。第一阶段启动励磁收到DCS发出的开机令后，启动励磁应正确投入运行，快速调节励磁电流至SFC所需的目标值，如图3所示第一阶段，由SFC控制启动励磁系统(电流环运行，如图4所示：1环运行)，结合公式(1)、(2)，可知在SFC系统中，通过控制磁链Ψ，经一级增益、积分(或超前滞后)计算可得SFC启动所需励磁电流目标值Ifref，将此目标值送入励磁系统，实现闭环控制励磁电流，使得有稳态的恒定磁链，因内环(环1)调节速度优于外环(环2)，因此，在暂态过程中以环1为主，控制策略如图4所示，其中第一阶段控制量Δ为磁链Ψ；第二阶段，在SFC系统中励磁应将调相机端电压降压至目标值即额定值，由式(1) 可知，当要保证感应电动势E恒定，需要减小磁链Ψ来提升调相机转速即增加同步调相机频率f。可知在SFC系统中，通过控制感应电动势E，经一级增益、积分(或超前滞后)计算可得SFC启动所需励磁电流目标值Ifref，将此目标值送入励磁系统，实现闭环控制励磁电流，实现内环(环1)、外环(环2)双环控制，使得调相机达到额定转速[10-13]，控制策略如图4所示，其中第二阶段控制量Δ为感应电动势E；UK为触发角度余弦值。

图6 同步调相机励磁控制策略

图3 同步调相机启动控制电气量简图

图4 同步调相机启动控制策略

1.2 同步调相机典型自并励控制

因同步调相机与同步发电机具有相同的结构与原理，因此同步调相机所有用的励磁系统与同步发电机结构类似，原理相同，其设备结构如图5所示。

图5 同步调相机典型自并励励磁系统

典型的自并励控制传递函数框图如图6所示，机端电压偏差信号经过AVR自动控制器PI调节得到AVR励磁电压信号，最后经过触发角控制器、整流桥整流得到励磁直流电压Efd，其平均值如式(3)所示。

(3)

其中，Ud为励磁电压Efd的平均值,U2为励磁变低电压侧有效值，α为调节器触发角，γ为触发角换相角。如图6虚线框中所示，在同步调相机励磁调节器中引入无功调压补偿，确保动态无功储备，通过调节KQ，确保系统电压的稳定波动不会影响调相机动态无功的储备。

2 同步调相机动态特性与仿真

新型同步调相机作为稳定的无功补偿设备，具有输出无功功率连续可调、无功数值控制灵活、故障穿越能力强等优点，易于提高系统的稳定性，为了更好地研究同步调相机的动态无功特性，需要进一步研究同步调相机的动态无功特性衡量指标。同步调相机接入系统如图7所示。

图7 同步调相机接入等值系统图

由图7可得，其无功电流增量ΔId可由公式(4)表达：

ΔId=

(4)

其中：

(5)

(6)

KA为励磁调节器的传递函数，假设无功电流增量ΔId在-ΔU上的投影与ΔU的比值为有效的无功电流增益KiQ，即有：

KiQ=ΔId·(-ΔU)/|ΔU|2

(7)

利用频域分析法，令：

G(s)=-ΔId(s)/ΔU(s)

(8)

则可得到：

KiQ=|G(jω)|cos(θw)=Re(G(jω))

(9)

由式(4)～(9)可知，KiQ值越大，表明单位电压变化引起的无功增益越大，同步调相机的动态调节特性越好。

在机端电压控制模式下，采用三组不同励磁调节器参数仿真波形如图8所示，由仿真波形可知，励磁调节器的参数对于中低频率段的无功增益有较大影响。其中波形1参数：K1=1，KQ=0.1，T11=T12=1，Kiv=0，Ti=30；波形2参数：K1=1，KQ=0.1，T11=T12=1，Kiv=1，Ti=60，波形3参数：K1=1，KQ=0.1，T11=T12=0，Kiv=0，Ti=30。

图8 励磁参数对调相机无功增益作用

在机端电压控制模式下，调相机与SVG无功增益比较仿真波形如图9所示。相比于SVG，调相机中段频率(10 Hz)以下的无功增益偏小，高频率段的无功增益较强，而SVG在高频率无功增益急剧下降，甚至为负，表明调相机高频响应特性或瞬时无功输出特性优于SVG。

图9 调相机与SVG无功增益作用比较

为了更好地提升调相机中、低频率段的无功增益，在机端电压控制模式的基础上引入高压母线控制，仿真波形如图10所示。其中波形1是机端电压控制模式的基础上引入高压母线控制下无功增益；波形2为SVG提供无功增益，波形3为调相机仅机端电压控制模式下无功增益。波形1比波形2调相机低频、超低频率段的无功增益大幅提升，使得调相机在整个频率段都有很好的无功电压特性，支撑扰动的能力充分发挥。并在全频率段的无功增益强于SVG。

图10调相机高压侧控制无功增益作用比较

正常励磁控制模式下，故障期间高压母线电压U仍处于较低水平(如0.9 PU)时，机端电压Ut可能已恢复至设定值，不利于充分发挥调相机短时过载能力。因此此时引入母线高压侧附加控制，在母线电压未恢复之前能保持较高的励磁输出。引入母线高压侧控制后，随着调相机稳态无功增益的提高，正常运行时很小的系统电压波动可能导致调相机无功输出的大幅变化。假设KiQ=15，则1%的系统电压波动将导致15%的无功输出变化，能充分发挥同步调相机的短时过载能力。

3 结论

新型同步调相机作为一种稳定的无功补偿设备接入电网后能提升局部电网的无功动态特性，增加系统的无功储备，能使系统安全、稳定、经济地运行。着重分析了同步调相机的SFC启动及控制策略，同步调相机的励磁控制策略，引入并分析了调相机的无功电流增益，并对在不同控制方式下在不同频率下扰动的无功增益表现进行了仿真分析。

分析结果表明，励磁参数对调相机中低频率段的动态特性有较大影响，因此对于励磁调节器进行参数实测及校核十分必要。同步调相机在机端电压加高压母线辅助控制模式下，在全频率段的无功电压特性要优于SVG，可考虑在新能源的汇聚点安装小型调相机置换SVG，具有很好的推广前景，实现分布式动态无功补偿和转动惯量支撑。同时随着环保压力的增大和新能源的快速发展，在新能源集中馈入的受端系统中常规机组占比必然逐步减小，调相机在置换常规机组确保受端系统动态无功支撑方面有望发挥重要作用。