在特高壓直流輸電系統中，交流與直流、送端與受端的相互影響使交、直流故障連鎖反應復雜化，一旦直流系統出現故障，就將從電網吸收大量無功功率，影響電網的安全運行。調相機是向電力系統發出和吸收無功功率的一種同步電動機，調相機的無功輸出特性恰好滿足故障期間電網對動態無功的需求。因此，將大型調相機應用于特高壓直流電網，可大大改善電網的電壓穩定和動態無功支撐，對保證電網的可靠運行起到至關重要的作用。

“十三五”期間，300Mvar級大型調相機開始被部署在電網的重要節點。隨著大型調相機的部署，對其起動方式及準同期并網邏輯的研究正逐步展開，這對于大容量調相機組的工程應用具有重要意義，本文結合調相機的運行要求以及機組起動設備的運行特點，研究了調相機起動系統的結構，對其起動流程進行了梳理，給出了惰轉速率及準同期并網條件的計算方法，并結合實際調相機組性能參數，對機組惰轉時間及并網條件進行了準確的計算。

1 調相機的起動方式

根據被起動設備容量、起動慣量、拖動轉速及精度等要求，機組的起動方式主要可分為直接起動、電動機起動、靜止變頻裝置（static frequency converter, SFC）起動。

直接起動方式需要的起動電流大，由于大電流會導致電壓下降，起動時對供電系統及起動設備沖擊較大，并且起動轉矩較小，所以不適用于大型調相機組的起動。電動機起動是通過高壓異步電動機和液力耦合器等設備實現的起動。變頻起動方式則是利用SFC加于定子的變頻交變電流及轉子勵磁，使調相機以調頻調速電動機方式起動。

SFC及電動機兩種起動方式對比見表1。

大型調相機起動具有起動容量大、轉速的控制精度高、并網沖擊小、起動配置靈活、起動系統冗余配置等特點。結合調相機起動要求和起動特點，大型調相機起動設備應選用SFC變頻起動方式。

表1 SFC及電動機兩種起動方式對比

2 調相機起動系統結構選擇

受被起動設備參數、預算成本及廠房面積等因素影響，利用變頻起動系統進行起動的設備，在起動結構選擇及設備配備上有所不同，主要有如下4種，分別如圖1至圖4所示。

圖1 帶旁路的起動系統結構圖

圖2 不帶旁路的起動系統結構圖

圖3 不帶輸出變壓器的起動系統結構圖

圖4 帶電抗器的起動系統結構圖

在圖1所示的起動結構中，輸入變壓器由廠用電系統接入，經SFC變頻輸出，在起動初始階段，旁路刀閘切換到旁路側，由SFC經過旁路到出線開關（OCB）給機組定子供電，待機組起動到一定的轉速，旁路刀閘切換至輸出變壓器側，經OCB給定子供電，直至機組起動到預先設定的轉速為止。不帶旁路的起動系統結構如圖2所示。

圖1、圖2所示的起動結構能夠獲得很高的起動轉矩以及標準化的準同期并網邏輯，同期及并網可靠性高，但因為有旁路及輸出變壓器等設備，導致起動設備成本較高，占地面積較大。

圖3所示的不帶輸出變壓器的起動系統結構能夠在減少起動設備、簡化起動系統的同時獲得較高的起動慣量。

圖4所示的帶電抗的起動系統結構可獲得的起動功率較小。

根據以上不同的起動方式以及各種起動方式不同的特點可以看到：圖1、圖2所示的起動結構主要用于起動轉矩大、電壓等級高、且對轉速要求不高的設備；而圖3所示的起動結構主要用于起動慣量較大、負載較小的設備；圖4所示的起動結構主要用于起動慣量及負載小的設備。

通過對SFC起動特點的分析以及對各種投運的被起動設備的比較，以上4種起動系統結構的適用范圍如圖5所示。

圖5 四種起動系統結構的適用范圍

對于300Mvar及以上容量等級的調相機組，由于其起動慣量較大，起動精度高，結合機組特點以及成本及占地等綜合考慮，在設備配備及回路設計上應優先選用無輸出變壓器和旁路刀閘的起動回路結構，即圖3所示的起動結構。基于這種結構，整個調相機起動及同期系統主回路如圖6所示。

圖6所示的調相機起動及同期系統的設備主要包括SFC、隔離變壓器、SFC輸入斷路器（ICB）、勵磁系統、勵磁變壓器及勵磁電源切換裝置、OCB、諧波過濾裝置、同期裝置及并網斷路器（GIS）等。圖6中，SFC作為機組起動的核心，主要功能是在規定的時間內，將同步調相機加速至規定的轉速；OCB主要完成主回路切換，實現單臺SFC對多臺調相機的拖動；諧波過濾裝置主要減少變頻器在起動過程中對廠用電系統的諧波污染；勵磁系統在拖動過程中以手動運行方式為轉子提供勵磁電流；勵磁電源切換裝置主要實現起動工況和并網工況勵磁動力電源的切換；同期裝置及GIS實現調相機惰轉過程中的準同期并網。

圖6 調相機起動及同期系統主回路圖

3 調相機的起動及并網邏輯研究

圖6中所示的調相機起動結構實現機組起動和并網，可以由不同的起動流程實現，本文給出了兩種起動流程并對各自的優缺點進行分析。

1）第1種方案：勵磁電源后切換的起動及同期流程

• （1）調相機起動負荷由廠用電提供，起動命令由電廠分散控制系統（DCS）發出，由SFC控制。
• （2）調相機起動，閉合OCB，閉合調相機起動用勵磁電源開關EX1。
• （3）勵磁為電流控制方式，起動系統與勵磁配合，將機組拖動到規定的轉速。
• （4）到達設定轉速后，起動系統退出運行，斷開OCB。
• （5）機組惰轉運行。
• （6）當降速到同期轉速、達到同期條件時，GIS合閘，調相機同期并網；
• （7）進行勵磁動力電源開關EX1和EX2切換，勵磁電源由機端電源供給。

2）第2種方案：勵磁電源先切換的起動及同期流程

• （1）調相機起動負荷由廠用電提供，起動命令由DCS發出，由SFC控制。
• （2）調相機起動，閉合OCB，閉合調相機起動用勵磁電源開關EX1。
• （3）勵磁為電流控制方式，起動系統與勵磁配合，將機組拖動到規定的轉速。
• （4）到達設定轉速后，起動系統及勵磁系統退出運行，斷開OCB及EX1，閉合開關EX2，勵磁電源由機端電源供給。
• （5）勵磁系統投入，自動方式運行。
• （6）機組惰轉運行。
• （7）當降速到同期轉速、達到同期條件時，GIS合閘，調相機同期并網。

以上兩種方案均能實現調相機起動及并網。第1種方案優點在于更小的制動損耗，有助于調相機更加平滑的同期，但由于其切換邏輯比第2種方案更加復雜，并且提前進行勵磁動力電源的切換更能保證機組并網后的安全運行，因此，第2種方案在實際應用中更加可行。

4 調相機惰轉及無沖擊并網研究（略）

4.1 惰轉時間的計算

4.2 調相機的無沖擊并網方式

總結

調相機起動及并網關系到調相機的安全運行及整個電網的穩定。對其起動方式及準同期并網邏輯的研究，對于大容量調相機的工程應用具有重要的意義。

本文歸納了調相機起動可用的幾種起動方式及起動結構類型，對其優缺點進行了比較，得到了一種可靠的針對大型調相機的起動主回路結構；本文還對惰轉速率及時間進行了理論計算，為起動設備容量計算及同期方式的選擇提供了依據；對滑差范圍進行了優化，在實際應用中對調相機的準同期并網起到了一定的指導作用。