大型調(diào)相機(jī)無功調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)技術(shù)研究

解兵，徐珂，羅凱明，趙靜波，周前

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211102；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司調(diào)度控制中心，江蘇 南京 210024)

同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)接在電網(wǎng)上的同步電動(dòng)機(jī)，用來調(diào)整電網(wǎng)無功功率，提高電網(wǎng)電壓安全穩(wěn)定水平。但由于調(diào)相機(jī)存在自身損耗、運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜等問題，再加上電容器、電抗器等多種無功補(bǔ)償裝置能滿足當(dāng)時(shí)電網(wǎng)的需求，調(diào)相機(jī)則由于設(shè)備老化逐步退出電網(wǎng)運(yùn)行[1-5]。

近年來，隨著直流輸電大規(guī)模投入，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變，對(duì)無功動(dòng)態(tài)調(diào)整提出新的要求[6-7]。為提升直流輸電接入后電網(wǎng)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力，綜合考慮同步調(diào)相機(jī)以及其他無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)[8-12]，國(guó)家電網(wǎng)有限公司決定在直流送、受端加裝大型同步調(diào)相機(jī)，并通過系統(tǒng)仿真分析，提出接入調(diào)相機(jī)的性能要求[13-14]。投運(yùn)的調(diào)相機(jī)的調(diào)相能力能否達(dá)到電網(wǎng)要求，則需要通過調(diào)相機(jī)性能試驗(yàn)來驗(yàn)證。通常機(jī)組進(jìn)相、滯相試驗(yàn)是指在當(dāng)前運(yùn)行工況下最大的進(jìn)相能力和滯相運(yùn)行能力，除了受性能試驗(yàn)中溫度、靜穩(wěn)極限等調(diào)相機(jī)本體因素限制外，還受機(jī)端電壓、廠用電壓等非本體因素限制。大容量調(diào)相機(jī)開展調(diào)相試驗(yàn)時(shí)，將引起電網(wǎng)電壓的大幅波動(dòng)，極有可能造成機(jī)端電壓、廠用電壓提前受限，致使達(dá)不到開展性能試驗(yàn)的目的，還容易引起直流輸電設(shè)備運(yùn)行異常。

本文根據(jù)發(fā)電機(jī)組進(jìn)相能力試驗(yàn)以及發(fā)電機(jī)組滯相運(yùn)行時(shí)限制因素情況，分析同步調(diào)相機(jī)調(diào)相試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的限制因素，提出需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為達(dá)到通過調(diào)相試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)指標(biāo)的目的，盡量避免非性能限制因素提前受限，并針對(duì)可能提前受限的廠用電壓和機(jī)端電壓限制因素提出應(yīng)對(duì)措施，不但規(guī)避了電壓提前限制調(diào)相機(jī)調(diào)相能力，還減少調(diào)相試驗(yàn)過程中電網(wǎng)電壓的大幅波動(dòng)，減少因電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起直流輸電設(shè)備運(yùn)行異常，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性。

1 大型調(diào)相機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)中限制因素分析

同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)主要限制因素有靜穩(wěn)限制、廠用電壓、機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電流、溫度等[15-16]。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行以及降低有功負(fù)荷后這些限制因素變化趨勢(shì)，分析同步調(diào)相機(jī)進(jìn)相過程中的限制因素。

1.1 靜穩(wěn)限制

靜穩(wěn)限制是同步發(fā)電機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行的極限，一旦超出靜穩(wěn)極限，同步發(fā)電機(jī)將失去同步，給電網(wǎng)帶來較大擾動(dòng)，甚至引起電網(wǎng)故障。進(jìn)相試驗(yàn)中靜穩(wěn)限制通過功角監(jiān)視來滿足，隱極機(jī)的極限功角為90°，試驗(yàn)中保留一定的裕度控制發(fā)電機(jī)功角小于70°[17]。最近投運(yùn)的大型調(diào)相機(jī)均為隱極機(jī)，本文基于隱極機(jī)開展研究。根據(jù)靜穩(wěn)限制畫出隱極機(jī)P-Q曲線圖的無功功率下限，如圖1所示。

圖1中，隱極機(jī)功角

(1)

式中：U為機(jī)端電壓；Xd為直軸同步電抗。

對(duì)于同步調(diào)相機(jī)，輸出的有功功率只是克服制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)于內(nèi)電勢(shì)建立的同步轉(zhuǎn)矩屬于較小值，因此，正常運(yùn)行時(shí)功角也基本為0。當(dāng)無功功率逼近極限工況，即式(1)中Q+U2/Xd趨近于0的時(shí)候，調(diào)相機(jī)功角將大幅變動(dòng)直至失步。因此，調(diào)相機(jī)的靜穩(wěn)限制可通過控制無功功率小于極限無功功率，并留有一定的裕度，從而確保試驗(yàn)中機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。調(diào)相機(jī)極限進(jìn)相無功功率

弧線MN為勵(lì)磁電流最低電流定值；隱極機(jī)低有功功率時(shí)的無功功率上限是以A點(diǎn)為圓點(diǎn)，AD為半徑的弧線DE；直線AB為功角是90°時(shí)的工況；直線AC為功角是70°時(shí)的工況；P為隱極機(jī)有功功率；Q為隱極機(jī)無功功率；δ為隱極機(jī)功角；O為原點(diǎn)。

圖1 發(fā)電機(jī)P-Q曲線
Fig.1 Generators’P-Qcurve

(2)

從式(2)可見，調(diào)相機(jī)的極限無功功率主要跟機(jī)端電壓U和同步電抗Xd有關(guān)。由于調(diào)相機(jī)進(jìn)相時(shí)，隨著進(jìn)相深度加深，機(jī)端電壓是不斷下降的，再加上同步電抗在機(jī)組運(yùn)行區(qū)間有一定的飽和度，處于飽和值與不飽和值之間，且隨著飽和程度變化而變化;因此通過式(2)精確計(jì)算出極限無功功率比較困難，有必要通過試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)。

文獻(xiàn)[18]提出，對(duì)于隱極調(diào)相機(jī)，由于運(yùn)行時(shí)有功功率及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，勵(lì)磁消失后，因轉(zhuǎn)子大小齒的差別，仍存在Xd>Xq(Xq為交軸同步電抗)，產(chǎn)生的磁阻功率以及剩磁建立的同步轉(zhuǎn)矩仍然可以克服制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使調(diào)相機(jī)無勵(lì)磁運(yùn)行，且此時(shí)的無功功率達(dá)到最大值。

調(diào)相機(jī)無勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由剩磁和磁阻功率承擔(dān)，電磁功率

(3)

式中Es為剩磁產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。

由于剩磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩均較小，此時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法近似為0，同步調(diào)相機(jī)在此工況下δ不為0。當(dāng)電磁功率最大時(shí)，δ稱為極限功角，該極限功角在45°至90°范圍內(nèi)。由式(3)可見，調(diào)相機(jī)的交、直軸同步電抗、剩磁以及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)固定，無勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，功角δ隨著機(jī)端電壓波動(dòng)而變動(dòng)；一旦電網(wǎng)發(fā)生故障擾動(dòng)，機(jī)端電壓下降明顯，功角δ極有可能超出極限功角，即最大電磁功率小于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，調(diào)相機(jī)將失去同步。因此，無勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)可通過監(jiān)測(cè)功角并計(jì)算穩(wěn)定裕度，從而綜合判斷能否滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。

國(guó)家電網(wǎng)有限公司對(duì)300 Mvar容量的調(diào)相機(jī)提出的性能要求為[13-14]：在受端電網(wǎng)，最大進(jìn)相能力應(yīng)達(dá)到-150 Mvar；對(duì)于送端電網(wǎng)，最大進(jìn)相能力應(yīng)達(dá)到-200 Mvar。要驗(yàn)證調(diào)相機(jī)性能，應(yīng)逐漸減少勵(lì)磁電流，甚至降至0，應(yīng)結(jié)合調(diào)相機(jī)的無功功率、功角情況綜合分析最大進(jìn)相能力下的運(yùn)行可靠性，從而判斷性能指標(biāo)是否滿足要求。

1.2 廠用電壓

進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則規(guī)范了進(jìn)相試驗(yàn)的方法[17]。試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)組進(jìn)相能力大部分是受廠用電壓的限制，發(fā)電機(jī)組廠用電接線示意如圖2所示。發(fā)電機(jī)組廠用電系統(tǒng)比較復(fù)雜，廠用電一般占到發(fā)電量的3%～7%。機(jī)組進(jìn)相時(shí)，廠用電壓隨著機(jī)端電壓下降而下降，最終達(dá)到限制值。

圖2 發(fā)電機(jī)組廠用電接線方式Fig.2 Auxiliary power connection mode of generator unit

對(duì)于調(diào)相機(jī)，在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于空轉(zhuǎn)的同步電動(dòng)機(jī)，所有的有功功率均從電網(wǎng)輸入，而且調(diào)相機(jī)廠用電主要維持冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)等正常運(yùn)行，廠用電系統(tǒng)功率較小。調(diào)相機(jī)的廠用電系統(tǒng)可從主變壓器高壓母線側(cè)引出，如圖3(a)所示，也可采用有載調(diào)壓變壓器如圖3(b)所示。圖3(a)中，廠用電系統(tǒng)離機(jī)端電壓隔離了一個(gè)升壓變壓器，如果廠用負(fù)荷較小，不容易構(gòu)成限制因素，但高壓側(cè)電壓等級(jí)高，初期建設(shè)成本高；圖3(b)中采用了有載調(diào)壓變壓器充當(dāng)高壓廠用變壓器，廠用電壓也不構(gòu)成限制因素。這兩種新的廠用電接線方式可避免廠用電壓出現(xiàn)限制因素。

圖3 調(diào)相機(jī)新廠用電接線方式Fig.3 New auxiliary power connection mode of synchronous condenser

1.3 機(jī)端電壓

發(fā)電機(jī)進(jìn)相時(shí)，機(jī)端電壓逐漸下降，可能降至額定電壓的90%，成為發(fā)電機(jī)進(jìn)相限制條件，但這種情況較少發(fā)生，通常是由廠用電限制。從圖2可看出，廠用電下降的主要因素是機(jī)端電壓的下降，由于廠用負(fù)荷處于末端，廠用電壓下降的幅度大于機(jī)端電壓。

對(duì)于調(diào)相機(jī)，當(dāng)采用圖3的2種方式后，廠用電壓不構(gòu)成限制因素。隨著進(jìn)相加深，機(jī)端電壓將首先達(dá)到限額，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，機(jī)端電壓也應(yīng)控制在額定電壓的90%以上。

1.4 機(jī)端電流

當(dāng)有功功率為額定時(shí)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行，由于機(jī)端電壓下降，機(jī)端電流有升高至額定電流的可能。對(duì)于調(diào)相機(jī)，有功功率幾乎為0，此時(shí)的容量幾乎全為無功功率。這批即將投運(yùn)的調(diào)相機(jī)額定容量為300 Mvar，根據(jù)調(diào)相機(jī)設(shè)計(jì)性能要求，最大進(jìn)相能力僅為-200 Mvar，盡管此時(shí)機(jī)端電壓有下降至額定電壓的90%的可能，進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)定子電流遠(yuǎn)小于額定定子電流，因此該調(diào)相機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)中定子電流不構(gòu)成限制因素。

1.5 勵(lì)磁電流

發(fā)電機(jī)組進(jìn)相加深時(shí)，勵(lì)磁電流下降，轉(zhuǎn)子不會(huì)出現(xiàn)過熱問題。為避免出現(xiàn)失磁情況，勵(lì)磁電流最低電流定值設(shè)置為額定勵(lì)磁電流的10%，就如圖1中弧線MN所示。

根據(jù)上述分析，調(diào)相機(jī)具備無勵(lì)磁運(yùn)行能力，因此試驗(yàn)中勵(lì)磁電流不構(gòu)成限制因素。為保證調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)有一定的安全穩(wěn)定裕度，正常運(yùn)行的最大進(jìn)相能力為極限無功功率的90%，此時(shí)的勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)可作為今后失磁保護(hù)中勵(lì)磁電流整定的依據(jù)。

1.6 溫度

發(fā)電機(jī)組在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，可能由于端部漏磁而出現(xiàn)端部溫升較大的情況。當(dāng)前發(fā)電機(jī)廠家考慮發(fā)電機(jī)進(jìn)相需求而采用氫氣冷卻，從而完善鐵心端部設(shè)計(jì)，同時(shí)在端部加裝銅、磁屏蔽，減少端部漏磁，盡管發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)仍有溫度上升，但達(dá)到溫升上限的情況很少出現(xiàn)；此外，發(fā)電機(jī)進(jìn)相時(shí)溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在有功功率最大的運(yùn)行工況，有功功率降低后，最高溫度也隨之下降。

對(duì)于調(diào)相機(jī)，有功功率幾乎接近0，而且機(jī)端電流小于額定電流，再加上發(fā)電機(jī)廠家在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)采取屏蔽等措施，溫度在調(diào)相機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)理應(yīng)不構(gòu)成限制因素。目前大型調(diào)相機(jī)有雙水內(nèi)冷，也有全空冷冷卻方式，但由于進(jìn)相深度比一般發(fā)電機(jī)深得多，溫度因素也是驗(yàn)證調(diào)相機(jī)設(shè)計(jì)性能的重要指標(biāo)。

2 大型調(diào)相機(jī)滯相試驗(yàn)中限制因素分析

發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，一般要求可發(fā)出最大額定無功功率，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，因機(jī)端電壓等限制，很少能發(fā)出過多的無功功率，國(guó)內(nèi)也基本沒有開展不同有功功率下發(fā)出無功功率能力的試驗(yàn)，文章根據(jù)進(jìn)相試驗(yàn)?zāi)嫦蛩悸贩治鰷嘣囼?yàn)中機(jī)組的限制因素。同步發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)主要限制因素有靜穩(wěn)限制、廠用電壓、機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電流、溫度等。

2.1 靜穩(wěn)限制

對(duì)于一般同步發(fā)電機(jī)，同一有功功率下無功功率增加，功角降低。調(diào)相機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，盡管功角仍然為0，但穩(wěn)定裕度增加，滯相試驗(yàn)中靜穩(wěn)不構(gòu)成限制因素。

2.2 廠用電壓

當(dāng)采用圖3方式后，廠用電壓變得靈活可變，在滯相試驗(yàn)中也不構(gòu)成限制因素。

2.3 機(jī)端電壓

發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，常常會(huì)因機(jī)端電壓達(dá)到上限而無法進(jìn)一步發(fā)出無功功率。調(diào)相機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)機(jī)端電壓升高至限額的情況，根據(jù)文獻(xiàn)[19]，機(jī)端電壓應(yīng)不超過額定電壓的108%。

2.4 機(jī)端電流

對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，由于調(diào)相機(jī)有功功率為0，調(diào)相機(jī)的額定容量就是額定無功功率。由于調(diào)相機(jī)容量設(shè)計(jì)時(shí)是按額定工況設(shè)計(jì)的，滯相試驗(yàn)中，機(jī)端電壓上升并超過額定電壓，機(jī)組在額定無功功率運(yùn)行時(shí)，機(jī)端電流往往低于設(shè)計(jì)的額定電流，因此機(jī)端電流在滯相試驗(yàn)中不構(gòu)成限制因素。

2.5 勵(lì)磁電流

根據(jù)圖1中P-Q曲線，發(fā)電機(jī)低有功功率時(shí)的無功功率上限是根據(jù)勵(lì)磁電流的上限畫出的，即以A點(diǎn)為圓點(diǎn)，AD為半徑的弧線DE。對(duì)于調(diào)相機(jī)，無功功率增加至額定容量時(shí)，勵(lì)磁電流則逐漸增大至額定勵(lì)磁電流。

根據(jù)大容量并網(wǎng)同步調(diào)相機(jī)的技術(shù)規(guī)范，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)滿足1.1倍額定勵(lì)磁電流長(zhǎng)期運(yùn)行的能力，故障狀態(tài)下轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)能承受3.5倍額定勵(lì)磁電流5 s時(shí)長(zhǎng)或2.5倍額定勵(lì)磁電流15 s時(shí)長(zhǎng)的要求，后兩個(gè)性能指標(biāo)可以通過轉(zhuǎn)子過電流試驗(yàn)驗(yàn)證。由于轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力較強(qiáng)，滯相過程中勵(lì)磁電流不應(yīng)成為限制因素，但卻作為設(shè)計(jì)額定勵(lì)磁電流的驗(yàn)證指標(biāo)，即調(diào)相機(jī)發(fā)出額定無功功率時(shí)，設(shè)計(jì)的額定勵(lì)磁電流不應(yīng)小于此時(shí)的勵(lì)磁電流，才能確保調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力達(dá)到實(shí)際技術(shù)要求。

2.6 溫度

同步發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，端部溫升比進(jìn)相工況下小，中部鐵心的溫升則跟發(fā)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電流及冷卻條件相關(guān)。一般情況下，如果發(fā)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷發(fā)出額定無功功率時(shí)溫升滿足要求，其他工況下溫升基本都能滿足要求。

對(duì)于調(diào)相機(jī)，最大滯相工況下機(jī)端電流更大，由此引起繞組和定子鐵心中部的溫升，可能因設(shè)計(jì)不滿足要求而達(dá)到限額，因此溫度是滯相試驗(yàn)中主要驗(yàn)證的技術(shù)指標(biāo)。

3 開展大容量調(diào)相機(jī)調(diào)相試驗(yàn)的應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)上述分析，調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，采用新接線方式的廠用電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電流不構(gòu)成限制因素，機(jī)端電壓以及不合理的廠用變壓器分接頭下的廠用電壓在試驗(yàn)中極有可能最先達(dá)到限額，限制調(diào)相機(jī)進(jìn)相能力，靜穩(wěn)極限、溫度是試驗(yàn)中主要驗(yàn)證性能指標(biāo)；調(diào)相機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，靜穩(wěn)限制、新接線方式下的廠用電壓、機(jī)端電流不構(gòu)成限制因素，機(jī)端電壓以及不合理的廠用變壓器分接頭下的廠用電壓在滯相過程中可能最先達(dá)到上限，限制機(jī)組發(fā)出無功功率能力，勵(lì)磁電流、溫度則是滯相試驗(yàn)需要驗(yàn)證的性能指標(biāo)。

不管進(jìn)相試驗(yàn)還是滯相試驗(yàn)，為驗(yàn)證調(diào)相機(jī)的設(shè)計(jì)性能，均應(yīng)避免機(jī)端電壓和廠用電壓提前受限。采用圖3兩種新接線方式可以避免廠用電壓提前受限，但進(jìn)相時(shí)造成電網(wǎng)電壓大幅下降，滯相時(shí)造成電網(wǎng)電壓大幅上升，不僅對(duì)直流送、受端的電壓造成較大擾動(dòng)，不利于電網(wǎng)運(yùn)行安全，而且可能因電網(wǎng)電壓不夠高或不夠低，使得試驗(yàn)中機(jī)端電壓提前達(dá)到限值。

為提高直流送、受端的無功功率支撐能力，每個(gè)位置均應(yīng)至少配備兩臺(tái)調(diào)相機(jī)。一方面，開展進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)需要電網(wǎng)電壓盡可能高，通過抬高機(jī)端電壓避免機(jī)端電壓提前達(dá)到下限；另一方面開展滯相試驗(yàn)時(shí)需要電網(wǎng)電壓盡可能低，通過升壓變壓器拉低機(jī)端電壓，避免機(jī)端電壓達(dá)到上限。為避免調(diào)相試驗(yàn)對(duì)電網(wǎng)電壓造成較大波動(dòng)以及機(jī)端電壓提前達(dá)限，建議調(diào)相機(jī)開展調(diào)相試驗(yàn)應(yīng)在同母線的兩臺(tái)調(diào)相機(jī)同時(shí)運(yùn)行的條件下進(jìn)行，一臺(tái)調(diào)相機(jī)開展滯相試驗(yàn)，同時(shí)另一臺(tái)開展進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)。進(jìn)相試驗(yàn)調(diào)相機(jī)為滯相試驗(yàn)調(diào)相機(jī)提供電網(wǎng)電壓偏低的電網(wǎng)環(huán)境，滯相試驗(yàn)調(diào)相機(jī)為進(jìn)相試驗(yàn)調(diào)相機(jī)提供電網(wǎng)電壓偏高的電網(wǎng)環(huán)境，降低試驗(yàn)過程中的電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍，從而減少調(diào)相試驗(yàn)中機(jī)端電壓先達(dá)限的可能。假設(shè)電網(wǎng)中有兩臺(tái)額定容量為300 Mvar的調(diào)相機(jī)，任一臺(tái)調(diào)相機(jī)單獨(dú)開展進(jìn)相試驗(yàn)吸收無功功率為200 Mvar，滯相試驗(yàn)發(fā)出無功功率為300 Mvar；如果試驗(yàn)時(shí)陪試機(jī)組無功功率保持為0，試驗(yàn)機(jī)組無功功率從-200 Mvar變動(dòng)至300 Mvar，兩臺(tái)機(jī)組總的無功功率也從-200 Mvar變動(dòng)到300 Mvar，電網(wǎng)電壓將在試驗(yàn)過程中大幅變動(dòng)；如果兩臺(tái)機(jī)組協(xié)同試驗(yàn)，一臺(tái)調(diào)相機(jī)發(fā)出無功功率，一臺(tái)機(jī)組吸收同樣的無功功率，兩臺(tái)機(jī)組總發(fā)出無功功率為0，也就是說當(dāng)滯相試驗(yàn)發(fā)出200 Mvar及以下無功功率時(shí)，電網(wǎng)電壓幾乎沒有影響，最終工況下一臺(tái)調(diào)相機(jī)發(fā)出300 Mvar，一臺(tái)機(jī)組吸收200 Mvar，兩臺(tái)機(jī)組總發(fā)出無功功率為100 Mvar，電壓上升僅為單臺(tái)機(jī)組時(shí)的三分之一，對(duì)電網(wǎng)影響較小。

如果此時(shí)仍然出現(xiàn)機(jī)端電壓受限的情況，則應(yīng)跟設(shè)備廠家確認(rèn)，將±10%機(jī)端電壓的限制放開至±20%。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，帶出口開關(guān)的調(diào)相機(jī)空載特性曲線能做到額定電壓的130%，絕緣一般留有較大的裕度，能夠滿足機(jī)端電壓在額定電壓的120%時(shí)運(yùn)行。從升壓變壓器高壓側(cè)來說，由于連著電網(wǎng)，且兩臺(tái)調(diào)相機(jī)中一臺(tái)進(jìn)相，一臺(tái)滯相運(yùn)行，電網(wǎng)電壓波動(dòng)應(yīng)該在限額以內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)升壓變壓器絕緣問題。

通過上述方法，排除機(jī)端電壓、廠用電壓等限制后，調(diào)相機(jī)進(jìn)相時(shí)能達(dá)到無勵(lì)磁極限無功功率工況，且滯相能達(dá)到額定無功功率的工況，通過試驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證調(diào)相機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)性能達(dá)到調(diào)相試驗(yàn)的目的，并為今后調(diào)相機(jī)運(yùn)行提供依據(jù)。

4 實(shí)例數(shù)據(jù)分析

某300 MW調(diào)相機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 某調(diào)相機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of one synchronous condenser

該機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)無功功率的調(diào)相能力試驗(yàn)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從表1和表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在滯相試驗(yàn)中，無功功率達(dá)到設(shè)計(jì)值300 Mvar。試驗(yàn)過程中，機(jī)端電壓、廠用電壓、系統(tǒng)電壓、溫度、勵(lì)磁電流、定子電流隨無功功率增大呈上升趨勢(shì)。無功功率最大時(shí)，機(jī)端電壓為額定電壓的106.8%，勵(lì)磁電流小于額定勵(lì)磁電流，最高鐵心溫度等各參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)限制條件；在進(jìn)相試驗(yàn)中，無功功率最低降至-175.3 Mvar，試驗(yàn)過程中，廠用電壓、系統(tǒng)電壓、勵(lì)磁電流下降，無功功率最低時(shí)，勵(lì)磁電流下降至4 A，機(jī)端電流上升至5 569 A，機(jī)端電壓下降至額定電壓的92%，接近無勵(lì)磁運(yùn)行極限工況，靜穩(wěn)極限、溫度滿足設(shè)計(jì)性能要求。

表2 調(diào)相機(jī)調(diào)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Phase modulation test data of synchronous condenser

本次試驗(yàn)中，未出現(xiàn)限制因素，基本驗(yàn)證了調(diào)相機(jī)的性能，主要原因是調(diào)相機(jī)所處的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較強(qiáng)。調(diào)相機(jī)從發(fā)出無功功率300 Mvar到吸收無功功率175.3 Mvar，實(shí)際減少無功功率475.3 Mvar，而500 kV母線電壓從522.1 kV下降至516.7 kV，僅下降了5.7 kV，可見該調(diào)相機(jī)試驗(yàn)所處的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，隨著無功功率下降電壓下降不明顯。從限制因素角度看，廠用電壓由于調(diào)相機(jī)廠用負(fù)荷較小，波動(dòng)較小，不構(gòu)成限制條件。機(jī)端電壓是最接近限值的限制因素，如果調(diào)相機(jī)位于電網(wǎng)架構(gòu)較薄弱地區(qū)，隨著無功功率下降，電網(wǎng)電壓下降明顯，機(jī)端電壓可能提前受限，這與之前分析一致；另外，從極限無功功率來看，如果采用同時(shí)試驗(yàn)的方法，可使得電網(wǎng)電壓波動(dòng)更小，無勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)的機(jī)端電壓更高，調(diào)相機(jī)的極限無功功率更大，可突破-175.3 Mvar的限值。

5 結(jié)論

在分析大型調(diào)相機(jī)調(diào)相試驗(yàn)可能出現(xiàn)的限制因素的基礎(chǔ)上，提出通過調(diào)相試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)指標(biāo)，針對(duì)可能提前受限的廠用電壓和機(jī)端電壓限制因素提出改進(jìn)的試驗(yàn)措施，并得出以下結(jié)論：

a)調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，在電網(wǎng)架構(gòu)薄弱地區(qū)，電網(wǎng)電壓下降過多可能引起機(jī)端電壓提前達(dá)限，靜穩(wěn)極限、溫度是試驗(yàn)中主要驗(yàn)證的性能指標(biāo)。

b)調(diào)相機(jī)滯相運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓上升過多，機(jī)端電壓可能最先達(dá)限，設(shè)計(jì)的勵(lì)磁電流、溫度則是滯相試驗(yàn)需要驗(yàn)證的性能指標(biāo)。

c)通過同時(shí)開展同母線2臺(tái)調(diào)相機(jī)調(diào)相試驗(yàn)，可降低調(diào)相試驗(yàn)過程中的電網(wǎng)電壓的波動(dòng)程度，達(dá)到驗(yàn)證調(diào)相機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)的目的，為今后調(diào)相機(jī)運(yùn)行提供依據(jù)。