2．国网江苏省电力有限公司检修分公司 江苏省南京市 211100；
3．东南大学电气工程学院 江苏省南京市 210096）
摘要：随着直流输电、新能源、大电网、特高压直流（UHVDC）等技术的发展，同步调相机重新得到关注。UHVDC直流换流站配置同步调相机主要用于提供有功功率传输时消耗的无功功率，可以为电网的无功电压调节提供有效的技术手段，从而提高电网的动态电压稳定裕度，增强换流站接入的
交流系统，减少交流电网故障时换相失败的范围和概率。本文综述了同步调相机的需求背景以及启动并网技术发展现状，介绍了调相机的静止变频SFC（Static Frequency Converter）启动方式，以及目前相关技术发展所遇到的技术瓶颈。本文提出了研究三方面技术性关键难题，保证同步调相机的顺利并网与长时间安全运行，并且能够远程掌握同步调相机运行数据的监测、分析和对比。
关键词：同步调相机；特高压直流（UHVDC）；启动并网；优化控制策略；远程运维技术对比
Key Technology Summary for Synchronous Condenser Integrated UHVDC Converter Station
WANG Yongkun1，TANG Xiaozheng2，WANG Puyu1，ZHAO Xuehua2，GU Wei3
（1. School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu Province，China；
2. Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company，Nanjing 211100，Jiangsu Province，China
3. School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu Province，China；）
Abstract：With the development of technologies such as DC transmission，new energy，large power grid，and ultra-high voltage direct current（UHVDC），synchronous condenser re-focusing. UHVDC converter station configuration synchronous condenser is mainly used to provide reactive power consumed during active power transmission，which can provide effective technical means for reactive voltage regulation of the power grid，thereby improving the dynamic voltage stability margin of the power grid and enhancing the replacement. The communication system that the flow station accesses reduces the range and probability of commutation failure when the AC grid fails. This paper reviews the background of the requirements of synchronous condenser and the development status of the startup grid-connected technology. It introduces the static frequency converter（SFC）startup mode of the camera and the technical bottleneck encountered in the current related technology development. This paper proposes to study three key technical problems，to ensure the smooth integration of the synchronous condenser and long-term safe operation，and to remotely grasp the monitoring，analysis and comparison of synchronous condenser operation data.
Key words：synchronous condenser；ultra-high voltage direct current（UHVDC）；start grid connection；operation and maintenance technology；comparison of remote operation and maintenance techniques
引言
随着远距离直流输电技术的日益成熟，UHVDC输电的经济性得到了保证，UHVDC输电系统得到了大规模的建设，直流输电系统的电压等级不断提高，容量飞速增长[1]。依据国家电网公司的整体规划，到2020年将建成“四纵六横”UHVDC主网架和27回UHVDC直流线路，UHVDC直流输电线路将成为连接各个区域电网的主干网[2-3]。
直流输电系统的安全运行需要交流电网提供充足的无功功率[4]。相比较于现有的静止无功补偿手段，同步调相机的无功输出不受电网运行状态的影响，可以在自动励磁控制系统（AVR）的作用下实现快速的无功电能输出[5]。根据中国电科院对在华东电网建设调相机必要性的研究结果，华东电网在高比例接受区外来电、若交流系统发生故障时，存在系统电压失稳的风险[1-3]。在华东多个换流站各加装2台300MVar的调相机后，可有效解决电压恢复困难问题，提高电压稳定水平。
调相机作为常见的动态无功补偿装置，对电网的作用如下：（1）为电网的无功电压调节提供有效的技术手段，利用实现电网逆调压；（2）为高比例直流受电的局部电网提供有效的动态无功支撑，从而提高电网的动态电压稳定裕度；提高直流站的短路比，增强直流站接入的交流系统。（3）减小交流电网故障时直流换相失败的范围和概率，从而简化特高直流送受端电网间的运行制约关系。
同步调相机的工作原理决定了同步调相机需和励磁装置以及油系统、水系统等辅助系统相配合[7]。一方面由于调相机是一个包含了机械，电气，水冷以及控制保护的复杂系统，为了保证调相机的长期安全稳定运行，需要对调相机的运行状态进行实时的监控。另一方面，同步调相机没有原动机，采用变频启动的方式启动机组，在机组自由减速的过程实现同期并网。上述的并网方式将对电网和调相机本身都造成较大的冲击。由于调相机的特殊启动方式以及调相机直接配置在换流站的特殊配置方式，导致了调相机的运维工作不仅包含调相机的日常监视和运维工作，还必须充分考虑到调相机的暂态过程对直流换流阀安全工作的影响。
目前，国内的厂家以及科研机构尚未对此类问题展开研究。调相机缺乏安全有效的并网方案，并网对换流站冲击的影响也没有一个明确的评价。调相机的状态变量多，电力运维单位缺乏对调相机运行数据的监测、分析和对比能力。因此，本文对调相机的并网过程展开研究，可以保证调相机的顺利并网投产，保障调相机的长时间安全运行，具体研究以下三个关键性问题。
（1）研究同步调相机并网对UHVDC直流输电换流站的冲击；
（2）研究同步调相机启动并网优化控制策略；
（3）研究同步调相机远程运维数据分析对比技术。
1 同步调相机并网对UHVDC直流输电换流站的冲击研究
同步调相机是处于无负载运行状态下的一种特殊同步电动机，它的作用是从电网吸收无功或者是向电网提供无功功率。由于其不带机械负载，也没有机械能量输入，因此调相机不会与电网发生有用能量交换，相应的，调相机的机端电压U和定子电流I之间的相位差为90°，其电气量的向量关系如如图1所示。随着励磁系统对转子励磁磁通Φ0的调节，调相机定子内由转子旋转磁场所产生的空载反电势E0的幅值也发生着变化，当励磁电流较大时，空载反电势的幅值E0大于网侧电压U，定子电流I的相位超前于U，调相机表现为电容器，输出感性无功。当调相机转子励磁不足时，由于空载反电势小于网侧电压，调相机表现为电感器，吸收感性无功[6]。由向量图可知，调相机输出的感性无功电流大小不仅取决于空载反电势E0，还决定于网侧电压U和电机定子电抗Xa。
图1 同步调相机向量图
Fig. 1 Vector diagram of synchronous condenser
目前，国内外对同步调相机这一较为成熟的电机研究的较少，研究的中心放在调相机的参数辨识，暂态过程和暂态性能研究等方面。研究的单位为清华大学、国网电科院等。国内对于控制和保护进行较为深入的研究以及工程化实践的机构为南瑞继保、许继集团等厂家。
调相机的启动方案为变频启动，并网方式为变滑差并网。调相机励磁装置为静止励磁装置，通过集电环为调相机转子提供励磁电流[7]。在调相机投入运行之前，励磁整流器的电源为380V站用电源，调相机同期并网之后，励磁方式由它励方式切换至自并励方式运行。调相机的启动装置为静止变频器（Static Frequency Converter，SFC），是一种由晶闸管构成的电流源型变流器。SFC和励磁系统相互配合，驱动同步调相机转速超过同步转速。当退出同步调相机的SFC启动装置后，调相机的转速在负载力矩的作用下将逐渐下降，在这一过程之中，投入同期并网装置，捕捉并网的有效时刻，在调相机电压、频率及相位接近电网电压、频率及相位时实现并网。调相机机端电压与网侧电压差的变化规律受到了调相机电压初始相位，调相机转速变化率以及初始时刻转速的影响。
然而从调度的角度考虑，不能保证同步调相机和直流换流阀同步的启停，因此，会出现换流站处在正常运行的情况下，换流站的调相机需要进行启动的情况。从现有的换流阀工作特点以及换流站的实际运维经验来看，换流阀交流侧的电压跌落，三相不平衡，暂态过度过程以及电网的谐波都会影响到换流阀的正常工作。调相机并网过程之中，会对交流电网带来一定的有功冲击和无功冲击[8]。上述潮流冲击发生的位置通常在换流站的交流母线上，会对换流阀的正常工作带来一定的影响。需要构建一定规模的电网仿真模型，利用电力系统仿真软件对同步调相机以及换流站进行联合仿真。
1.1 调相机并网冲击研究拟解决关键问题
同步调相机的启动方案为变频启动，并网方式为变滑差并网，并网的过程复杂，涉及到的设备众多。在并网的过程之中，同步调相机处于机电暂态过程之中，调相机存在着本体内部的电磁过渡过程以及先关的动力学问题。为了保障调相机在启动和并网过程中的安全性。需对调相机的参数进行测量。考虑到并网的冲击难以进行实验，需要建立包含电磁特性和机械特性的同步调相机动态数学模型和仿真模型，对并网过程进行分析，寻找安全的调相机并网边界条件。在此基础上，寻找不同工况下的同步调相机优化并网方法。由于调相机的实际机械特性和电气参数还受到环境温度、运行工况、冷却状态的影响，同步调相机并网技术是项目实施中的一个难点。
1.2 调相机并网冲击研究方案
根据物理模型的不同，电力系统的数值仿真可分为电磁暂态仿真和机电暂态仿真两种。其中电磁暂态仿真采用三相电路进行分析，对发电机定子绕组以及交流网络均采用微分方程描述，计及快速的电磁暂态过程，可精确地模拟晶闸管阀的通断过程，但由于大规模系统涉及的微分元件极多，因此这种仿真方法将面临“维数灾”问题；机电暂态仿真采用单相电路进行分析，发电机定子绕组和交流网络采用相量代数方程描述，适合于大电网的分析，但由于对FACTS和HVDC装置的换流部分采用准稳态模型，因此不能准确的描述这些装置的快速暂态过程。鉴于机电暂态仿真与电磁暂态仿真的各自特点，在系统仿真中能将两者结合起来，不但有助于了解大系统暂态稳定过程的动态特性，而且有助于了解大系统中某一特定电网的详细暂态变化过程。
根据现有的江苏电网网络构架，利用BPA、PSASP、PSCAD等电力系统仿真软件建立包含同步调相机，换流阀以及换流站相关的局部电网的电磁-机电仿真模型。通过仿真，分析不同并网工况下的同步调相机对换流站交流母线的冲击作用，寻找到并网过程之中换流阀正常工作可接受的有功和无功冲击上限。分析冲击对瞬时电压幅值、频率以及谐波的影响。对同步调相机并网过程之中各个阶段的瞬时有功和无功功率进行计算，系统的评估不同的并网控制策略对瞬时有功和无功功率的影响。
2 同步调相机启动并网优化控制策略研究
现代电力系统的仿真软件通过对电网的求解，可以求解出有功，无功潮流的分布，获得电网节点的电压分布和线路的电流分布。仿真软件的主要算法有：P-Q分解法、牛顿-拉夫逊法、改进的牛顿-拉夫逊法。软件的计算流程如图2所示。
图2 电力系统仿真计算流程
Fig. 2 Process of Power System simulation calculation
2.1 调相机启动并网研究拟解决关键问题
首先要对调相机进行机械-电磁耦合仿真分析建模，同步调相机是一个包含了电磁场，机械力学，温度场的典型多物理场模型。成熟的dq数学模型难以描述多物理量对调相机性能的影响。现代有限元仿真的技术发展很快，可以通过商用的有限元软件FLUX，ANSYS等软件对调相机的物理场进行模拟和仿真。通过建立有限元物理场和外电路的场路耦合模型，可以准确的反应调相机的结构，运行工况对其电气特性的影响，从而有效而精确的分析调相机的动态过程。通过机电耦合仿真，可以有效的计算冲击过程对转子受力的影响过程。
2.2 同步调相机并网优化策略研究方案
基于上述的仿真工作，可以准确的建立同步调相机的动态数学模型。并网冲击会对调相机造成一定的损伤，考虑到换流站所配备的调相机容量大，对电网冲击显著，难以使用现有设备进行实验。机电耦合仿真模型可以有效的评估不同工况之下的同步调相机并网冲击过程，考察并网过程对调相机的电气与机械冲击，在综合考察并网冲击对直流输电系统的影响的基础上，寻找到调相机并网的可接受条件边界。综合考虑到电气，机械以及运行经济性等多因素的影响，研究不同初始条件之下的调相机并网可行性方案和策略，从而寻找到最优化的并网控制策略。
在调相机系统联调的阶段，对调相机的冲击给出上限，完善同步调相机的并网控制策略，并对建立的并网策略的有效性进行验证和修正。
3 同步调相机远程运维数据分析对比技术研究
为更好的从远方监视整个300MVar大型同步调相机组系统一次设备及二次控制、保护、自动装置的运行情况，特别是在设备发生故障前后能够预测、辅助处理和分析故障的原因，需要对调相机站运维数据进行分析对比研究，建立同步调相机远程数据分析平台。该平台基于开放、分层分布式系统结构，采用成熟的分布式冗余架构。数据分析平台到调相机及相关设备充分考虑安全性和可靠性。数据分析平台具备足够大的数据容量支持，并需通过相关部门提供正式的测试和认证。远程数据分析平台能够从远方分析调相机及相关系统中重要的模拟量、状态量、事件等实时数据，并要求具有较强的实时性；能够从远方获取显示现场录波文件；能够从远方获取并显示现场后台画面信息。能够对单台调相机相关运行数据进行纵向分析，绘制历史曲线，分析出异常点；能够将多台调相机相关运行数据进行横向分析，便于运行人员更好的了解调相机运行状态，积累运行经验，也有利于运行人员及时发现调相机异常状态，尽早分析解决方案，极大提高调相机运行效率。
3.1 远程运维数据分析对比技术拟解决关键问题
该技术旨在提供保障调相机安全可靠运行的数据分析系统。按照目前电力发展的要求，同步调相机应当事先无人化或者是少人化的值守。调相机应纳入调度系统，由各个调度中心对其直接进行调度控制。由于调相机的设备众多，包含了大量的一次和二次设备，为保障调相机系统安全稳定的发挥作用，需为其配置监视系统。上述要求对调相机站的自动化提出了很高的要求，需要研制可靠的远程运维数据分析系统，并将其纳入一体化的网络构架，提高调相机的运维水平，这是该技术的一个研究难点。
3.2 远程运维数据分析对比平台构建方案
同步调相机远程运维数据分析对比技术能远程获取多台调相机运维数据并进行横向对比，远程获取单台调相机运维数据进行纵向分析，实时分析调相机系统的运行工况，当出现报警信息时及时处理，提升运维效率，简化运行工作量，提升调相机运维工作安全。因此需要建立同步调相机站远程运维数据分析软件平台。该数据分析平台的构想如下所述：
（1）数据平台的网络架构方案
调相机远程数据分析平台可实现对分布在各地的换流站调相机进行远程数据分析。远程数据分析系统充分考虑多个调相机站的运维数据情况，方便实现对多个换流站调相机设备的远程数据分析。
数据平台系统可获取和分析调相机系统数据，包括调相机本体及辅助润滑油、顶轴油、冷却水系统、外冷系统、水处理系统、厂用电气系统、励磁系统、SFC系统、保护系统的信息数据等。远程数据分析平台通过专用数据网络，采集调相机的设备信息，使得在远程诊断中心（或UHVDC生产指挥中心）的人员通过工作站对多个调相机设备运行信息进行横向和纵向的分析。远程数据分析平台提供了便利的维护和运行手段，如出现报警信息等，可以及时推送信息到相关人员。平台具备分析的能力，可以对历史数据进行建模，并加以分析。
远程数据平台遵循调相机二次安防要求，保证调相机及相关设备和系统的安全，系统采用纵向加密装置，实现远程数据采集分析系统与现场设备之间的信息安全。远程数据分析平台示意图如图3所示：
图3 远程数据分析平台示意图
Fig. 3 Schematic of analysis platform for Remote data
（1）系统功能方案
调相机远程数据分析平台在电力调度、能源管控等成熟系统的基础上，根据省检UHVDC生产指挥中心的需求，重点在调相机系统运行数据的实时在线传输，通过横向对比与纵向分析调相机系统的运行情况，大大简化运维工作量，提升运维效率和水平。该数据分析处理平台的系统功能框架图如图4所示。
（2）实时数据采集与传输
远程数据分析平台主要监测各换流站调相机的控制系统所有参数信息。包括调相机本体及辅助润滑油、顶轴油、冷却水系统、外冷系统、水处理系统、厂用电气系统、励磁系统、SFC系统、保护系统的信息等。
其中本体监测信息量包括：定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数、定子线圈温度、定子铁芯温度、轴承温度、调相机进出口风温、空冷器进出水温度等。
励磁系统监测信息量包括：励磁电压、励磁电流等。
调相机发变组保护及SFC监测信息等。
（3）故障处理
系统具备报警功能。报警定值可根据机组特性和运行工况设定。出现报警时，系统推出报警画面、提供报警继电器空接点输出，报警逻辑和报警定值可通过软件组态设置。对现场的关键设备越限或非正常变位进行报警。推送到手机端、邮件。
图4 调相机远程诊断系统功能架构图
Fig. 4 Architecture diagram of remote diagnostic system of synchronous condenser
（4）智能数据分析
生成现场采集数据的波形，并可以浏览波形。故障处理完后可以形成相应的故障报告，统一归档。可以按照用户、设备型号、程序版本等多种方式查询和统计故障情况。可以分析机组运行特性，机组进入限制运行区或禁止运行区时及时报警，并跟踪机组主要状态监测量的变化情况。机组状态数据分析。系统提供各种专业的数据分析工具，根据状态监测量及工况参数和过程量参数的变化预测机组状态的发展趋势，以分析报告等形式提供趋势预报功能；提供数据导入/导出和离线分析功能。
4 结论
本文针对UHVDC直流换流站同步调相机运维技术进行了研究，阐述了同步调相机的启动并网过程以及监控系统，为了保证调相机的顺利并网投产，保障同步调相机的长时间安全运行，提出了拟解决三方面关键技术问题，分别是：
（1）同步调相机并网对UHVDC换流站的冲击研究，综述了同步调相机启动并网技术发展现状以及拟突破的关键技术点，提出科学合理的研究思路与方案；
（2）同步调相机启动并网优化控制策略的研究，针对目前的电力系统仿真计算方法，确定调相机的机械-电磁耦合仿真模型，寻找最优化的并网控制策略；
（3）研究同步调相机远程运维数据分析对比技术，从技术平台的结构与功能出发，最终能够实现多台调相机运行数据的横向、单台纵向对比分析功能。
若能有效的解决上述三个问题，便可掌握调相机并网对换流站的冲击，优化调相机启动并网控制策略，保障调相机的长时间安全运行。
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作者简介：
汪永坤（1995），男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电及其控制保护技术。
汤晓铮（1976），男，本科，高级工程师，研究方向为高压直流输电技术。
王普宇（1989），男，博士，讲师，研究方向为高压直流输电及其控制保护技术、配电网自动化。
基金项目：国网江苏省电力公司科技资助项目（5210EC16000Q）。
论文作者:汪永坤1,汤晓峥2,刘兴1,王谱宇1,赵学华2,江
论文发表刊物:《河南电力》2018年12期
论文发表时间:2018/12/4
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