南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司、國電南瑞科技股份有限公司的研究人員王亞婧、朱宏超、袁亞洲、徐春建，在2019年第3期《電氣技術》雜誌上撰文，根據換流站加裝調相機的特點，調相機勵磁系統配置一套他勵源

本文提出一種調相機惰轉併網過程中的勵磁控制方法，通過相應勵磁調節器的協調控制，實現兩段式升壓，完成惰轉過程中起動勵磁和主勵磁的快速切換。目前，本控制方法已成功應用於扎魯特換流站調相機。實踐證明，此方法能夠在惰轉期間快速無擾動的實現切換並完成升壓，減小了大型調相機併網時因電壓差導致的衝擊，對大型調相機的安全、高效、可靠運行具有重要意義。

隨著特高壓直流輸電技術的進一步發展，後續單回特高壓直流功率將達1000萬kW以上，電網呈現“強直弱交”的特點。根據特高壓直流設計原則，正常工況下直流換流站與系統無功交換為零，直流本身不向系統提供動態無功。針對我國特高壓直流送受端動態無功儲備和電壓支撐不足的突出問題，客觀要求直流大規模有功輸送，必須匹配大規模動態無功，即“大直流輸電、強無功支撐”。

動態無功補償對於保障電網電壓穩定和特高壓直流安全運行至關重要。調相機具有動態無功支撐能力強、運行穩定可靠的優勢，能夠有效解決受端電網動態無功不足、弱送端電網短路容量支撐不足等問題。調相機的次暫態特性可以有效抑制直流系統發生換相失敗的幾率；暫態特性有助於系統電壓在嚴重故障後迅速恢復至正常水平。

根據國家電網戰略規劃，在“十三五”期間，將在酒泉—湖南、扎魯特—青州、錫盟—泰州、雅中—江西、三峽—常州等多回特高壓直流的送、受端加裝調相機。調相機容量為300Mvar，此容量調相機屬於國內外首創。

1 硬件結構

1.1 調相機組主迴路特點

為了降低調相機組整體建設的投資，減輕後期檢修的維護工作量，提高運行過程中的可靠性，換流站加裝調相機組具有以下4個特點：

1）調相機無原動機拖動，起動方式為高低型式的靜止變頻起動系統（以下簡稱SFC）拖動。

2）為了降低成本，併網開關佈置在主變壓器的高壓側，調相機端不設併網開關，決定了調相機必須配置獨立的他勵勵磁系統來配合SFC拖動。

3）為提高運行過程中的可靠性，調相機併網後採用自並勵勵磁方式，因而存在由他勵方式到自並勵方式的切換過程。

4）併網方式為惰轉併網，短短20s左右惰轉時間內，需要先斷開SFC，再由自並勵勵磁系統升壓，最後實現併網，對勵磁系統切換過程的快速性有極高要求。

常規他勵方式切換到自並勵方式是在交流側完成，主接線如圖1所示。兩種電源並聯無法實現同時運行，需要先在他勵方式下逆變停機，再以自並勵方式重新起勵升壓，耗時較長，無法滿足惰轉併網對時間的極高要求，尤其對於惰轉速度較快的空冷機組。且前期還要考慮如果惰轉併網難以實現，就需要在併網後再完成切換，交流側切換也無法實現。

圖1 交流側切換主接線圖

鑑於上述特點，調相機勵磁系統在惰轉過程中如何快速切換，並完成升壓，對於調相機的惰轉併網成功起關鍵作用。

1.2 勵磁系統主迴路

基於並聯迴路總電流需求一定的前提下，其中一路電流增大的同時，另一路電流勢必相應減小。控制目標機端電壓恆定，所需轉子電流是一定值。當自並勵主迴路的電流增大的同時，他勵主迴路的電流不斷減小，二者電流之和達到維持當前機端電壓的轉子電流即可。因此可以考慮採用直流側切換方式把他勵勵磁主迴路的電流平滑轉移到自並勵勵磁主迴路，這種方式可以快速無擾動的完成直流側切換，當他勵主迴路的電流減小到零附近，即可斷開他勵主迴路。

調相機勵磁系統由起動勵磁和主勵磁組成，主迴路如圖2所示。圖中起動勵磁為他勵勵磁系統，取自站用400V電源，起動勵磁主迴路由交流隔離開關QS01、起動變壓器、整流裝置、磁場斷路器QF01、電動隔離開關QS02依次連接組成。主勵磁為自並勵勵磁系統，主勵磁主迴路由勵磁變壓器、整流裝置、磁場斷路器QF11依次連接組成。主勵磁主迴路和起動勵磁主迴路在直流側並聯，共用與調相機轉子側相連接的滅磁及過壓保護裝置，且主勵磁主迴路和起動勵磁主迴路的控制完全獨立。併網斷路器GCB位於主變壓器的高壓側，與交流母線連接。

圖2 勵磁系統主迴路原理圖

起動勵磁和主勵磁在直流側並聯，直流側的電壓等級需保持一致。根據起動勵磁和主勵磁的運行工況，主勵磁需滿足併網運行要求，起動勵磁最多滿足空載額定工況運行。由此可知，主勵磁的磁場斷路器電壓高、電流大，起動勵磁則無需高電壓大電流的磁場斷路器，滿足起動階段的需求即可。

①為保證主勵磁運行期間的高電壓不影響到起動勵磁迴路，可採用電壓等級一致，電流等級不同的磁場斷路器。②可考慮降低調相機組投資成本，減小起動勵磁設備的空間，採用在起動勵磁的磁場斷路器後串聯隔離開關的方式，實現直流側並聯電壓等級的一致性。圖2的主迴路及後續所述勵磁控制方法基於②所述結構。

2 勵磁控制方法

勵磁與SFC系統配合拖動常見於燃氣輪機組和抽蓄機組，其中燃氣輪機拖動到維持燃氣輪機自己做功拖動即可（約2100r/min）[14]，抽蓄機組是拖動到同期併網成功[15]。而調相機組的勵磁控制策略除了配合SFC拖動機組，還需要在短短20s左右的惰轉期間完成直流側切換以及機端電壓升壓，準備調相機的併網。

2.1 控制流程

調相機惰轉併網過程的具體控制方法如下，流程圖如圖3所示。

1）調相機起動階段，監控系統判斷調相機組具備起機及併網條件後給SFC開機令，SFC收到開機令後執行其自身迴路的開關及斷路器的閉合，並同時給起動勵磁發送開機令。

2）起動勵磁收到開機令後，閉合其迴路的交流隔離開關QS01、磁場斷路器QF01、電動隔離開關QS02，同時接收SFC的4～20mA或者0～20mA電流信號作為勵磁電流給定值，通過電流閉環方式調節轉子電流大小，配合SFC拖動調相機升速。

3）待轉速到達3150r/min，SFC反饋給監控系統轉速到達狀態信號後，監控系統給SFC發送停機令，SFC執行停機流程，同時SFC向起動勵磁發送SFC退出指令。SFC在停機過程中需要操作其整流回路閉鎖脈衝、相應開關或斷路器分斷，DCS需要分斷SFC與調相機端直接相連的隔離開關。在隔離開關沒有分斷的情況下，若調相機端電壓大於額定機端電壓的20%，則容易損壞SFC的整流器件。因此，此時起動勵磁的電流給定值可維持5%空載額定勵磁電流，保證調相機端電壓小於SFC所能承受的調相機端電壓。

圖3 控制方法流程圖

4）待SFC完全退出後，監控系統給主勵磁發送開機令，主勵磁閉合磁場斷路器QF11，檢測到QF11處於合位後主勵磁開機，控制整流裝置的觸發角，逐漸增大主勵磁的輸出電流，過程中起動勵磁的輸出電流逐漸減小。

5）主勵磁首先升壓至25%調相機端額定電壓，起動勵磁檢測到機端電壓大於20%時停機，逐步分斷QF01、QS02。

6）主勵磁具有系統電壓跟蹤功能，在檢測到QF01和QS02已分斷的情況下，繼續升壓至電網側系統電壓的標么值，保證壓差在同期裝置併網時能達到允許的壓差範圍內，且等待同期裝置併網。由於勵磁系統的調節，使得併網兩端的電壓精度滿足小於0.1%，減少了同期裝置調節併網兩端電壓壓差的時間，給同期裝置捕捉併網點預留充足時間。同時理想狀態下可實現零無功併網，減少因壓差引起的併網衝擊。

7）如同期裝置捕捉不到合適的併網點，則報同期捕捉失敗，監控系統給主勵磁停機令，主勵磁逆變停機，當機端電壓小於5%時，監控系統再重新給SFC開機令，執行快速重起調相機的流程。此快速重起次數可在監控系統設置。

起動過程中如系統出現故障，保護系統直接出口跳閘動作，起動勵磁和主勵磁接收到保護跳閘令後，執行滅磁流程。

2.2 試驗波形

目前，此控制方法已在扎魯特、酒泉換流站成功運行，並實現一次成功併網。圖4即為現場實際錄波波形。圖中標識了文字說明，後綴[1]表示起動勵磁調節器的錄波，[2]為主勵磁的錄波，兩套調節器的錄波觸發時刻不同，但是定子電壓的錄波數據是一致的，因此按照定子電壓波形重疊即可觀察所有變量的時序。可以看出，波形圖中的狀態信號以及模擬量信號與所述流程一致。

圖4 兩段式升壓波形圖

起動勵磁為他勵勵磁系統，只在調相機起動階段運行，配合SFC拖動調相機轉速達到3150r/min的目標轉速。其容量較小，控制模式可以是電流閉環或是定角度，給定值由SFC來控制，SFC通過接收實際勵磁電流來實現其轉矩或功率的閉環控制。SFC退出後機端電壓將會升高，起動勵磁調節器需要減小勵磁電流，以保證機端電壓低於SFC能夠承受的調相機端電壓值，確保SFC設備的安全，如圖4起動轉子電流的波形所示。同時也保證了切換過程能夠實現無擾動。

結論

本文提及的大型調相機惰轉併網過程中的勵磁控制策略，是針對換流站調相機組主迴路接線特點而提出的。本方法中兩套勵磁系統的切換時間短，切換過程無擾動，調相機端的升壓方式為兩段式升壓，無需先逆變再零起升壓，勵磁電流快速平滑的從一套勵磁系統轉移到另一套勵磁系統，縮短了切換時間，實現快速切換。抑制了兩套勵磁系統切換過程中的擾動，實現了完善的保護功能。

主勵磁系統具有的系統電壓跟蹤功能，可在升壓過程中自動跟蹤網側系統電壓標么值，節省了同期裝置調整壓差的時間，進一步節約併網前切換升壓的時間，給調相機惰轉併網提供最優化的先決條件，減小了大型調相機併網時因電壓差導致的衝擊，對大型調相機的安全、高效、可靠運行具有重要意義。