淺析新一代大容量調(diào)相機(jī)的失磁保護(hù)

淺析新一代大容量調(diào)相機(jī)的失磁保護(hù)摘要：隨著我國(guó)特高壓交直流混合電網(wǎng)的快速發(fā)展，西部地區(qū)的太陽(yáng)能、風(fēng)電等新能源得以高效遠(yuǎn)距離輸送到中東部負(fù)荷中心，新一代大容量調(diào)相機(jī)的應(yīng)用有效的保障了特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文從新一代大容量調(diào)相機(jī)的應(yīng)用情況，分析了同步調(diào)相機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，并介紹了調(diào)相機(jī)系統(tǒng)基本組成，并給出了調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)的方案。

關(guān)鍵詞：新一代調(diào)相機(jī)、特高壓電網(wǎng)、失磁保護(hù)

1引言

調(diào)相機(jī)作為旋轉(zhuǎn)無(wú)功發(fā)生裝置，對(duì)提高受端交流電網(wǎng)短路比，增強(qiáng)電網(wǎng)強(qiáng)度和靈活性有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。配合大容量調(diào)相機(jī)，在直流系統(tǒng)因故障出現(xiàn)閉鎖的情況下，調(diào)相機(jī)可進(jìn)入進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，吸收因直流甩負(fù)荷出現(xiàn)的大量過剩無(wú)功，從而抑制系統(tǒng)電壓升高，改善電壓水平。在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行需要電壓支撐時(shí)可在遲相運(yùn)行狀態(tài)為交流電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持。在交流電網(wǎng)近端出現(xiàn)故障電壓下降時(shí)可進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)支撐電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定，為故障切除贏得寶貴時(shí)間。

調(diào)相機(jī)作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，與SVC、STATCOM等基于電力電子技術(shù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，既為系統(tǒng)提供短路容量，又具有更好的無(wú)功出力特性，在降低直流送端暫態(tài)過電壓、抑制直流受端換相失敗、利用強(qiáng)勵(lì)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

勵(lì)磁系統(tǒng)是調(diào)相機(jī)中極為重要的部件，直接關(guān)系到調(diào)相機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行特性。欠勵(lì)或完全失磁對(duì)調(diào)相機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)有較大影響，本文將調(diào)相機(jī)與發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)進(jìn)行了比較，得出了同步發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)判據(jù)對(duì)調(diào)相機(jī)不適用，并給出了調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)實(shí)現(xiàn)的邏輯圖。

2新一代調(diào)相機(jī)

新一代調(diào)相機(jī)主要以滿足次暫態(tài)和暫態(tài)無(wú)功需求為主，同時(shí)兼顧電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)需求，對(duì)于抑制電壓波動(dòng)、降低換相失敗幾率、加快故障后交流電壓恢復(fù)速度具有重要作用。對(duì)于受端電網(wǎng)，調(diào)相機(jī)接入后，一方面可利用調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)特性抑制換相失敗，若已發(fā)生換相失敗，調(diào)相機(jī)可以瞬間提供大量無(wú)功，降低換相失敗繼續(xù)發(fā)生概率；另一方面發(fā)生嚴(yán)重電壓跌落故障時(shí)，調(diào)相機(jī)進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，短時(shí)內(nèi)提供大量無(wú)功，為系統(tǒng)提供緊急電壓支撐，有助于直流功率和系統(tǒng)電壓迅速恢復(fù)，防止電壓崩潰。對(duì)于送端電網(wǎng)，調(diào)相機(jī)接入后，一方面能夠提高系統(tǒng)短路容量，改善直流系統(tǒng)運(yùn)行特性；另一方面在直流系統(tǒng)故障情況下利用調(diào)相機(jī)強(qiáng)進(jìn)相能力，可以吸收系統(tǒng)多余無(wú)功，抑制暫態(tài)過電壓及穩(wěn)態(tài)過電壓，有助于避免風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)，提高風(fēng)電輸送比例。

2.1調(diào)相機(jī)系統(tǒng)組成

調(diào)相機(jī)系統(tǒng)組成主要有：調(diào)相機(jī)本體、勵(lì)磁系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、SFC變頻起動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)。

調(diào)相機(jī)本體主要包括定子、轉(zhuǎn)子、定子鐵心、機(jī)座、端蓋和軸承。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號(hào)報(bào)警和預(yù)警，提前預(yù)判系統(tǒng)或設(shè)備的異常發(fā)生，防止對(duì)系統(tǒng)、設(shè)備或人員的傷害。冷卻系統(tǒng)用來(lái)對(duì)定、轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行冷卻。

調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁采用與大多數(shù)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁一樣的自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，因?yàn)樽圆?lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)具有無(wú)旋轉(zhuǎn)部件、穩(wěn)定性好、容量受限小強(qiáng)勵(lì)能力可充分發(fā)揮、勵(lì)磁電壓響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁變壓器、整流模塊、勵(lì)磁控制模塊、啟勵(lì)回路、滅磁及過壓保護(hù)裝置、電刷和集電環(huán)組成。由于調(diào)相機(jī)在啟動(dòng)時(shí)不像發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)有汽輪機(jī)等原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，所以需要用SFC變頻起動(dòng)的方式，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置或機(jī)端電壓信息，以逐漸升高的頻率交替向電機(jī)定子某兩相通入電流，產(chǎn)生超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過該磁場(chǎng)與勵(lì)磁電流形成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，生成加速力矩將電機(jī)轉(zhuǎn)子加速到指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速。

圖1

勵(lì)磁及變頻主接線

調(diào)相電機(jī)轉(zhuǎn)子作為高速旋轉(zhuǎn)的大型部件，在機(jī)組工作時(shí)，需要對(duì)安裝在轉(zhuǎn)子端部的滑動(dòng)軸承提供連續(xù)的潤(rùn)滑油液，使轉(zhuǎn)子與軸瓦間形成穩(wěn)定的油膜。針對(duì)這種運(yùn)行工況，油系統(tǒng)需要為軸承提供低壓強(qiáng)潤(rùn)滑油，既能保證足夠的油液充滿軸與軸承之間的環(huán)形腔，又能保證因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生的熱量能隨著潤(rùn)滑油液被帶走；同時(shí)為主軸提供高壓頂軸油，以保證機(jī)組在啟動(dòng)和轉(zhuǎn)子失速狀態(tài)下，高壓油液能將轉(zhuǎn)子頂起，使軸與軸承間產(chǎn)生必要的間隙，防止發(fā)生直接摩擦而燒壞軸瓦。

同步調(diào)相機(jī)的保護(hù)與同容量、同類型的發(fā)電機(jī)保護(hù)功能配置類似，但因調(diào)相機(jī)的工況與發(fā)電機(jī)不盡相同，其保護(hù)功能也有差異。下面以失磁保護(hù)為例，介紹與調(diào)相機(jī)的不同，并給出實(shí)現(xiàn)方案。

2.2調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)

由于電機(jī)中只有定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，故也稱為反應(yīng)功率。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)的有功功率（即損耗）與其產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，勵(lì)磁消失后，依靠此反應(yīng)轉(zhuǎn)矩仍然足以克服制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)調(diào)相機(jī)與電網(wǎng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于隱極調(diào)相機(jī)，其轉(zhuǎn)子有大、小齒之差別，實(shí)際運(yùn)行中仍然存在著因此也具備無(wú)勵(lì)磁同步運(yùn)行能力。

調(diào)相機(jī)的無(wú)勵(lì)磁運(yùn)行實(shí)為欠勵(lì)磁運(yùn)行的極限，其吸收無(wú)功功率的能力達(dá)到最大值。由于此時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組內(nèi)無(wú)直流電流，調(diào)相機(jī)又保持同步運(yùn)行，因此不會(huì)在轉(zhuǎn)子部件感應(yīng)電流，并不存在轉(zhuǎn)子發(fā)熱的問題。此時(shí)調(diào)相機(jī)各電氣參數(shù)的儀表指示穩(wěn)定，并無(wú)搖擺現(xiàn)象，其物理本質(zhì)與同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中因失去勵(lì)磁而失步轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行的情況是不同的。所以針對(duì)失磁保護(hù)的配置，調(diào)相機(jī)與同步發(fā)電機(jī)也有差別。

調(diào)相機(jī)在運(yùn)行時(shí)克服自身的損耗所需要的有功功率始終是恒定的。下面推導(dǎo)調(diào)相機(jī)的機(jī)端測(cè)量阻抗

圖2

調(diào)相機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡

調(diào)相機(jī)主要在過勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行，正常過勵(lì)狀態(tài)下，機(jī)端測(cè)量阻抗Z的運(yùn)行軌跡在第二象限靠近R軸處；而從過勵(lì)狀態(tài)過渡到欠勵(lì)或失磁時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗將沿著阻抗圓滑行，進(jìn)入第三象限。可見發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的阻抗判據(jù)，無(wú)論采用靜穩(wěn)阻抗圓或異步阻抗圓，均無(wú)法正確反映調(diào)相機(jī)的失磁故障。根據(jù)以上分析，提出由新的保護(hù)方案如圖3。

圖3

調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)邏輯圖

3總結(jié)

調(diào)相機(jī)擁有與發(fā)電機(jī)相似的運(yùn)行特性，能夠提高短路容量和旋轉(zhuǎn)慣量，具備進(jìn)相能力，動(dòng)態(tài)無(wú)功輸出最高可達(dá)額定容量的2倍，受系統(tǒng)電壓和不對(duì)稱短路影響小，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中的調(diào)節(jié)性能好，適合解決大容量直流系統(tǒng)接入弱交流系統(tǒng)引起的電壓穩(wěn)定和換相失敗問題。本文分析了調(diào)相機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)的原理，簡(jiǎn)單介紹了調(diào)相機(jī)系統(tǒng)組成，并就保護(hù)系統(tǒng)中的失磁保護(hù)做了分析，提出了調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)與同步發(fā)電機(jī)的不同，最后給出了調(diào)相機(jī)建議失磁保護(hù)邏輯。

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