高壓直流輸電系統中調相機的啟動與并網策略

趙永正，代海濤，王安東，李 明

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250003）

高壓直流輸電系統中調相機的啟動與并網策略

趙永正1，代海濤1，王安東2，李 明2

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250118；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250003）

在高壓直流輸電系統發生嚴重電壓跌落故障時，為提高系統的穩定性，降低換相失敗的風險，在直流輸電系統受端或弱交流系統送端宜加裝調相機。正常情況下調相機的運行狀態與同步電動機相同，但因其功能的特殊性，調相機與同步電動機在結構上有一定的區別，這就有必要對其啟動和并網方式進行探討。確定了調相機的最佳啟動方式，提出在105%額定頻率下墮速運行尋找同期點的方法，并以實例驗證了該方法的可靠性。

調相機；變頻啟動；墮速并網

0 引言

調相機具備較強的雙向無功調節能力，在發生嚴重電壓跌落故障時，短時（1 s左右）動態無功最高輸出接近額定容量的2倍。電網加裝調相機后可以為系統提供緊急無功電壓支撐，在系統動態過程中，無功調節魯棒性好；降低了直流發生連續換相失敗的風險，有助于直流功率的快速恢復和系統穩定；還可大幅降低故障后的電壓波動幅度，有助于故障后系統電壓的快速恢復；同時可以有效提升換流站的系統短路容量和短路電流水平，提升直流有效短路比，增強受端交流系統對直流的支撐能力。

圖1 三相合成磁動勢波形

正常情況下調相機以同步電動機狀態運行，在調相機定子繞組中通入三相交流電時，每一相繞組感應的基波磁動勢為一駐波，其可分解為沿正反兩個方向旋轉的幅值、頻率相等，方向相反的正弦波，另外兩相繞組與之相同。3個正方向旋轉的磁動勢波相位相同可直接相加，3個反方向旋轉的磁動勢波相位相差120°，相加后互相抵消。因此三相對稱繞組通入三相對稱交流電后會產生一個在氣隙做正向旋轉的磁動勢波。圖1以A相為例給出了基波與分解出的正轉和反轉磁動勢波，以及合成的正轉的磁動勢波［1］。

當在轉子繞組中通入直流電時，轉子會感應出磁場，方向可根據右手定則判定。因此，轉子的磁極會受到定子旋轉磁場的吸引作用，而使電機轉子轉動起來。

調相機的特殊性決定了其啟動和并網策略與普通的同步電動機有一定區別。不同的啟動方式對應著不同的并網方式。如同步電動機在異步啟動時，在啟動之初定子就是連接在電網上的，因此也就不存在并網這個步驟。輔助電動機啟動時，雖然電機被拖動到同步速后需要并網，但是調相機的結構決定了其不能使用輔助電動機啟動法。鑒于此，對調相機的啟動和并網策略進行分析，就顯得尤為重要。

1 啟動方法分析

調相機是同步電動機的一種特殊工作狀態，其啟動方式與同步電動機的啟動方式相同。同步電動機本身是沒有啟動轉矩的。定子繞組通入三相交流電后會產生以同步速旋轉的磁場，轉子繞組通入直流電時轉子上會建立磁場。如圖2所示，在通電瞬間，轉子承受一個逆時針方向的電磁轉矩，轉子有沿逆時針轉動的趨勢，但由于機械慣性的存在，轉子還沒有啟動起來，定子磁場就已經旋轉了180°，此時轉子又承受一個順時針方向的電磁轉矩，轉子有順時針轉動的趨勢［2-3］。因此，在半個周期的時間內轉子承受了兩個方向相反且大小相等的電磁轉矩，此合成轉矩大小為0。電機不能直接啟動。

圖2 勵磁后啟動時調相機的電磁轉矩

同步電動機通常的啟動方法有輔助電動機啟動法、異步啟動法和變頻啟動法。

輔助電動機啟動法是指用另一臺電動機將需要啟動的同步電動機轉子拖動到同步速后再將定子通電，使電機能夠在同步速下穩定運行。這種啟動方式原理簡單，但是調相機在正常運行時不帶機械負載，故其轉子尺寸比普通的同步電機轉子尺寸要小，而且為了具有更好的密封性，調相機轉軸通常不會伸出機座，這就不能用原動機拖動其轉子運行。故輔助電動機啟動法不適用于調相機啟動。

異步啟動法是同步電動機常用的一種啟動方法：在同步電機的轉子上裝上一套像異步電機一樣的鼠籠繞組，如圖3所示，這套鼠籠繞組稱為啟動繞組［4］。當定子繞組通入三相交流電后，在啟動繞組中便會產生啟動轉矩，使電機沿定子旋轉磁場的方向旋轉起來。電機以異步電機形式啟動。但這種啟動方式下，轉子轉速可達95%～97%同步速，這時立即給勵磁繞組通入勵磁電流，使電機牽入同步速。這種情況下轉子勵磁繞組不能開路以防止過高的感應電勢損壞絕緣，也不能短路，防止短路電流過大而發熱過度。為解決這一問題，應在勵磁回路串接為勵磁繞組電阻值10倍的附加電阻而構成閉合回路。

圖3 同步電動機異步啟動

變頻啟動是指啟動時在定子通入頻率很低的交流電，使轉子緩慢轉動起來，然后逐漸增加定子電流的頻率，直至同步速，轉子也跟隨轉到同步速。這種啟動方式較上述兩種方式更為可靠，但由于啟動過程中定子繞組與變頻裝置相連接而不是直接連到電網上，因此這種啟動方式又帶來了一個新問題，即電機如何同期并網。

2 調相機變頻啟動并網策略

由于系統結構設計及設備性能不滿足在變頻器帶動下利用同期裝置的增減速信號微調變頻器的頻率找到同期點并網。為了解決這一問題，可以先用變頻器將電機帶動到105%的同步速，然后退出變頻器，讓電機墮速運行，在電機接近同步速時尋找同期點并進行并網。

墮速運行的調相機相當于一臺發電機，同步發電機并網需滿足：發電機與電網的電壓幅值相等、發電機與電網的電壓相序相等、發電機與電網的電壓相位相等、發電機與電網的頻率相等。

發電機的電壓幅值可通過調節電機的勵磁電流來調節，發電機在轉子轉向不變的情況下相序不變［5］。即前兩項要求容易實現，因此為保證調相機可靠并網只需滿足后兩項要求即可。電機墮速時，在轉子墮速到同步速時，電機頻率等于電網頻率，但若此時并網不能保證發電機與電網的電壓相位相等。因此，允許在并網的時刻有一定的頻率偏差，而在這一偏差范圍內尋找兩者同相位的點。

設電網電壓矢量相位為

式中：f0為電網頻率，50 Hz。

電機定子側電壓矢量的相位為

式中：fm（t）=（f1-kt）為電機頻率；f1為變頻器退出時電機的頻率；k為電機頻率下降的速率；φ0∈［0，2π），為電網與定子側電壓矢量的初始夾角。

可以得到電網與電機定子側電壓矢量的夾角隨時間變化的函數為

將fm（t）=f1-kt代入式（3）得：

將公式兩邊同時除以2π得：

由上述公式可知，當此二次函數的縱坐標為整數時，電網與電機定子側電壓矢量的夾角為2π的整數倍，即夾角為0°，是發電機與電網的電壓相位相等的點，為最佳并網時機。函數的最大值在fm=f0，即電網頻率處。

假設允許的頻率偏差為±fp，此時fm=f0±fp。顯然，當Δφ′（f0）與Δφ′（f0±fp）在某一整數兩側時一定有同期點。

舉例說明。取f1=52.5 Hz，k=5／34（由機組墮速仿真結果得出），φ′0=0，則函數曲線如圖4所示。

圖4 電機頻率—并網角差曲線

取fp=0.5 Hz，由圖4可知，在50.5～49.5 Hz范圍內有兩個同期點，fm分別為50.27 Hz和49.73 Hz。

即當變頻器在52.5 Hz時退出，電網與調相機定子側電壓矢量的初始夾角為0，且調相機以5／34 Hz／s的速度墮速時，在允許的頻率偏差0.5 Hz內一定有兩個同期點。

3 結語

通過比較調相機兩種可用的啟動方式，得出變頻啟動最適合調相機啟動。針對調相機變頻啟動難以同期并網的問題，提出了讓調相機在105%額定頻率下墮速運行尋找同期點的方法。通過分析，得出了調相機墮速并網的必要條件，并以實例驗證了結論的正確性。

［1］李發海，朱東起.電機學［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］李志民，張遇杰.同步電動機調速系統［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［3］鐘步青.淺談同步電動機的特點與啟動［J］.華北電力技術，1986，12（6）：25-30.

［4］王耀明，趙榮祥.永磁同步電動機的起動并網控制研究［J］.微特電機，1994，22（4）：14-16.

［5］周德貴.發電機組作調相機運行的分析與實踐［J］.四川電力技術，2001，24（3）：1-6.

Start-up and Grid-Connection Strategies of Phase Modifiers in HVDC System

ZHAO Yongzheng1，DAI Haitao1，WANG Andong2，LI Ming2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

In the event of the fault that the voltage of HVDC system decreases unexpectedly，it is suggested to install phase modifiers at the receiving end of the DC transmission system or the sending end of the weak AC system to improve the stability of the system and reduce the risk of commutation failures.Normally phase modifiers operate in the same way as synchronous motors， however，due to their distinctive functions， phase modifiers are different from synchronous motors in structure，which makes it quite necessary to discuss itsstart-up and grid-connection ways.Therefore，the best start-up way of phase modifiers is put forward，the way of determining the synchronizing point is presented through naturally decreasing their speed at the rated frequency of 105%，and the liability of the method is finally verified with a real example.

phase modifier；variable frequency starting；grid-connection through a naturally decreasing speed

TM342

A

1007－9904（2017）02－0020－03

2016-08-30

趙永正（1989），男，從事高壓交直流運維檢修工作；

代海濤（1985），男，從事高壓交直流運維檢修工作；

王安東（1969），男，從事調相機技術研究和高壓技術監督工作；

李 明（1988），男，從事電源測高壓技術監督工作。