大容量調相機動模試驗平臺構建方法及其應用

譚 聞

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663）

0 引言

目前，我國各大區和獨立省網的互聯已進入實施階段，利用直流輸電作異步聯網在技術、經濟和安全性等方面的優勢已在世界范圍內得到證明[1－5]。為了支撐常規直流換流站正常換相，需要消耗大量的無功功率，其主要靠換流站內靜止無功補償裝置提供。然而當電網系統出現區外故障等大擾動時，直流換流站吸收的無功功率需求顯著增加，但是靜止無功補償裝置出力反而隨著電壓下降而減小，將導致電網局部動態無功補償能力不足，電壓失穩風險大幅增加。與靜止無功補償裝置相比，同步調相機無功補償容量大，即使在電網電壓下降的情況下，調相機的勵磁系統也能夠自動調節實行強行勵磁，可持續向系統提供無功功率[6－9]。隨著公司電網“強直弱交”問題的日漸突出，加快推進大型調相機在特高壓直流工程送端和受端電網的部署進程，對改善特高壓交直流混聯電網的電壓穩定和動態無功支撐能力具有重要意義[10－12]。

調相機組在啟動方式和勵磁控制方式上與發電機組存在差異，其啟機保護、失磁保護、定子接地保護等方面均具有特殊性，已有的發變組保護測試技術不適用于大容量調相機組保護[13－14]。目前國內尚不具備對調相機組保護裝置進行試驗的條件，為了掌握高壓系統接入大型調相機后系統特性，研究調相機保護的適應性，確定調相機保護的配置方案，以及接入調相機后對其他保護的影響，需要開展調相機動態模擬試驗技術研究。通過開展調相機動態模擬試驗技術研究，根據系統典型接線方式建立調相機組保護動模測試平臺，可以模擬調相機的不同運行工況以及不同故障類型，為調相機組保護的設計和配置提供技術依據。

以下具體分析調相機建模的必要性，探討了調相機保護測試技術，并搭建了調相機動模測試平臺，可用于開展調相機保護功能的測試。

1 總體要求

對調相機故障特性的模擬可采用數字仿真和動模仿真2種方式。數字仿真存在的主要問題是物理概念不夠直觀，同時對各電氣元件數字暫態模型的準確性要求較高，譬如，變壓器和互感器等非線性元件的飽和特性、調相機內部及外部系統所引發的故障暫態過程、電力電子器件的動態控制響應特性等，其實現難度較大，難以支撐調相機的保護分析與論證。

動態模擬技術是開展電網控制保護試驗研究和參數驗證的重要手段，電力系統動態模擬試驗技術是根據相似原理，采用與原型系統具有相同物理性質的模擬元件，把實際電力系統的各個部分按照相似條件設計、建造并組成一個電力系統模型，模擬電力系統的各種運行情況，用以代替實際系統開展各種正常與故障狀態的試驗研究。對大容量調相機動態模擬主要包括機組的模擬、SFC（靜態變頻器）啟動系統的模擬以及勵磁系統的模擬。項目采用容量為30 kVA的機組模型來模擬容量為300 Mvar的實際機組，分別在調相機機端和定子匝間設置短路故障點，可以模擬調相機變壓器組所有的故障類型。根據系統典型接線方式建立包含SFC變頻啟動和勵磁系統的調相機保護動模測試平臺，利用開發的保護裝置進行測試，驗證測試平臺的正確性；通過模擬調相機變壓器組不同類型故障，實現對調相機保護裝置的測試。

2 調相機變壓器組關鍵動模設備建模

2.1 靜止變頻啟動系統

靜止變頻啟動的基本原理是根據電機機端電壓信息，以逐漸升高的頻率交替向電機定子通入電流，產生超前于轉子磁場的定子旋轉磁場。該磁場與勵磁電流形成的轉子磁場相互作用，生成加速力矩將電機轉子加速到設定轉速。為了模擬大容量調相機組變頻啟動方式，實驗室與相關廠家合作開發了靜止變頻啟動裝置。靜止變頻控制系統由靜止變頻器主控裝置、閥控裝置及一次回路組成，主控裝置實現變頻啟動系統的核心控制和保護功能，閥控裝置則主要承擔閥組的控制保護功能，二者通過光纖連接，該變頻啟動系統具有正常運行和試驗2種模式。正常運行時SFC將機組拖動至1.05倍額定轉速后退出；試驗模式下通過調整觸發脈沖，可使機組在設定的轉速運行，從而實現不同轉速下保護裝置的測試。此次動模試驗使用的靜止變頻啟動裝置采用三相橋式全控電路，系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 靜止變頻啟動系統拓撲結構

2.2 調相機勵磁調節器

勵磁調節器通過可控硅整流橋控制勵磁電流來調節調相機機端電壓和無功功率。動模系統采用自并勵勵磁方式，勵磁電源取自調相機機端，磁場電流經由勵磁變壓器、磁場斷路器和可控硅整流橋供給。勵磁變壓器將調相機機端電壓降低到可控硅整流橋所需的輸入電壓，為調相機機端電壓和磁場繞組提供電氣隔離，以及為可控硅整流橋提供整流阻抗，可控硅整流橋將交流電流轉換成受控的轉子直流電流。

起勵開始時，調相機的起勵能量來自外接他勵電源。當可控硅整流橋的輸入電壓升到一定值時，可控硅整流橋和勵磁調節器就投入正常工作，由勵磁調節裝置控制進行軟起勵過程。并網后，勵磁系統可工作于AVR（電壓閉環）方式，調節發電機的端電壓和無功功率，或接受電廠調度指令，工作于疊加調節方式，包括PFLOOP（恒功率因數調節）、QLOOP（恒無功調節）等。

2.3 注入式回路設計

調相機正常運行時的3次諧波等效電路如圖2所示。其中E30為調相機3次諧波零序電動勢，3Cg為定子繞組對地電容，調相機中性點接地變壓器二次負載電阻折算到一次側為Rn[3]，Zn3為中性點側等值電抗，Zs3為機端側等值零序電抗，Un0為中性點側三次諧波零序電動勢，Us0為機端側三次諧波零序電動勢。

圖2 調相機正常運行時的3次諧波等效電路

由圖2可知：

根據IEEE的相關標準和國內電力設計手冊要求，調相機中性點接地變壓器負載電阻的阻抗一次值約等于定子繞組側對地容抗值。

3 調相機組保護動模仿真

3.1 系統設計

電力系統動態模擬仿真系統可以準確模擬實際電力系統中不同運行方式下不同類型故障、經不同過渡電阻故障等，利用其可以驗證保護裝置在實際運行中的動作性能。調相機具有動態無功支撐能力強、運行穩定可靠的優勢，能夠緩解特高壓直流輸電受端電網動態無功不足。為了確保調相機變壓器組在系統中安全穩定運行，充分發揮調相機無功調節作用，在實驗室開展大容量調相機組物理建模研究，建立大容量調相機變壓器組動態物理模擬系統，進行調相機組故障特性的研究，對調相機變壓器保護進行動態模擬試驗測試及功能驗證，確保系統中大容量調相機的安全運行。

調相機額定容量為300 Mvar，主變壓器的額定容量為360 MVA，變壓器通過同期開關與站內500 kV系統相聯，站內500 kV系統通過100 km無互感雙回線路與500 kV地區等值系統（4 W）相連接（L側）。L側為一地區等值系統，其對應的短路容量分別為20 000 MVA。調相機變壓器組的主要參數如表1、表2所示，調相機變壓器組動模接線如圖3所示。

500 kV雙卷變壓器主要參數如表2所示。

表1 調相機主要參數

表2 變壓器主要參數

在動模系統中調相機及主變壓器為被保護設備，試驗時在被保護設備的區內、區外共設置了10個故障點，其編號分別為FD11，FD12，FD13，FD15，FD16，FD26，FD48，FD49，FD50和 FD51，每個故障點都可以模擬各種類型的金屬性或經過渡電阻短路故障，調相機中性點變壓器二次回路中并接負載電阻，并在負載電子兩端并接20 Hz注入源，可用于檢測注入式定子接地保護動作情況。此外，還可模擬調相機定子接地及定子匝間短路等故障試驗。

3.2 調相機啟機過程

調相機啟動過程如圖4所示，其中：ICB為SFC輸入斷路器，DS為SFC輸出切換開關，IPB為機端啟動隔離開關，RCB為并網開關，NGT為調相機定子中性點接地開關，41E為調相機滅磁開關，CB－L為啟動交流開關。機組啟動前，SFC和勵磁系統處于待機狀態，分別上送 SFC_OK EXC_OK信號，表明SFC系統和勵磁系統可用，啟機過程如下所示。

（1）DCS（分散控制系統）控制機端啟動隔離開關IPB合閘，發電機中性點接地開關NGT分閘。

圖3 調相機變壓器組動模接線

圖4 啟機過程示意

（2）DCS檢測到IPB已合閘、NGT已分閘。

（3）啟動勵磁準備好，SFC開始啟動，加速機組啟動至3 150 r/min。

（4）SFC退出，啟動勵磁逆變、封脈沖。

（5）DCS分啟動隔離開關IPB、合中心點接地隔離開關NGT；檢測到IPB已分（3～4 s），且NGT已合（不超過 3 s）。

（6）啟動勵磁和主勵磁切換，主勵磁開始工作。

（7）DCS啟動同期，同期裝置捕捉同期點，將機組并入電網。

3.3 動模試驗驗證

采用SFC啟動系統的調相機變頻啟動過程中，定子頻率、機端電壓均處于動態變化的過程，具有明顯的低頻特性，因此需要研究低頻過流保護、啟停機差動保護、啟停機定子接地保護等與信號頻率無關的保護算法，同時機端電壓和定子電流中含有大量的諧波分量，不同運行工況下發生故障時，其故障分量的特性也不盡相同。定子接地使局部繞組短路導致故障點的電流過大，嚴重損壞定子繞組和鐵芯，對于大型機組，定子接地保護的要求越來越高，要求單相定子接地保護應保證動作無死區。目前廣泛應用的方案有基波零序電壓保護、三次諧波電壓保護、外加電源注入式定子接地保護。為了充分驗證保護的動作性能，經專家論證，此次動模試驗項目包括模擬調相機啟機過程中區內外金屬性故障、經過渡電阻故障、發展/轉換性故障、定子匝間故障、TA（電流互感器）斷線、TV（電壓互感器）斷線、TA飽和、斷路器斷口閃絡故障、調相機低壓解列、調相機失磁故障、變壓器匝間故障、定子接地故障、直流電源斷續。由于調相機啟機保護和定子接地保護的特殊性，因此著重對啟機過程和定子接地故障進行分析。啟機過程的電流變化如圖5—8所示。

圖5 轉子轉速為1 000 r/min時SFC注入電流波形

圖6 轉子轉速為2 000 r/min時SFC注入電流波形

同步電動機轉速n的計算公式如下：

式中：f為電源頻率；p為磁極數。

圖7 轉子轉速為3 000 r/min時SFC注入電流波形

圖8 調相機并網后機端電流波形

根據公式（4），由于調相機組的極對數不變，同步電動機的轉速與電源頻率保持嚴格的同步關系，通過靜止變頻器改變電源頻率f，可以改變同步電動機的轉速n。從啟機電流波形可以看出：頻率16.6 Hz時調相機轉速為1 000 r/min，頻率33.3 Hz時調相機轉速為2 000 r/min，頻率50 Hz時調相機轉速為3 000 r/min，隨著頻率的增加調相機轉速逐漸上升。在調相機機端做A相定子接地故障，調相機機端普通TV和匝間專用TV電壓及零壓波形如圖9所示。

圖9 調相機機端故障后普通TV和專用TV電壓波形

從波形圖中可以看出，機端定子接地，匝間TV無零壓，而普通TV有較大零壓，因此可以采用基波零壓定子接地保護實現對調相機85%～95%定子繞組單相接地故障進行保護。試驗時將互感器采集到的電壓電流數據傳送到調相機變壓器組保護裝置，根據保護裝置的動作情況，可以完成對繼電保護裝置的閉環測試工作。該檢測方法提高了故障分析的準確性，為大容量調相機變壓器組保護裝置的適應性研究提供了科學依據，在工程實踐中具有很強的實用價值。

4 結語

在調研大容量調相機技術特征及保護特點的基礎上，提出了基于動模實驗室的調相機保護檢測技術方法，并建設了保護裝置動作特性檢測系統，為大容量調相機保護的應用提供技術支持。

（1）該平臺是我國建設的大容量調相機繼電保護裝置檢測平臺，是對大容量調相機繼電保護裝置檢測方法的積極探索，研究結果表明對保護裝置進行全站級動模試驗是非常必要的。

（2）動模平臺包括了SFC變頻啟動裝置、注入式定子接地保護回路，能夠模擬實際設備的運行工況。

（3）動模試驗結果可以用來深入研究大容量調相機的故障特征以及故障暫態機理，為提出繼電保護新原理提供理論基礎。

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