支撑新能源跨区输送的新型电网技术—大容量调相机技术

我国风电、光伏发电等新能源发展势头迅猛。根据电力发展“十三五”规划（2016—2020年），到2020年，全国风电装机达到2.1亿kW以上，太阳能发电1.1亿kW以上。我国风电81%分布在“三北”地区，太阳能发电50%分布在西部省份。由于风电、光伏发电富集地区负荷规模偏小，消纳空间有限，因此集中开发的部分新能源需要跨区输送。

“十三五”期间，依托电力外送通道，国家将推进“三北”地区新能源跨省跨区消纳4000万kW。根据电力发展“十三五”规划，扎鲁特—山东等6回特高压直流将输送新能源4700万kW，每回直流配套新能源发电规模都在600万kW及以上。新能源的间歇性、随机性出力特性和低抗扰性除了给系统调峰增加压力和困难外，也给系统的安全稳定运行增加了风险：系统的频率稳定性下降，电压控制难度增大。尤其是采用特高压直流输送时，问题更为突出，这也成为现阶段特高压直流无法充分发挥其输送能力的主要原因之一。

采用新型电网技术是解决新能源跨区输送问题的重要手段，从针对的问题和应用的场景，这些新型电网技术可以分为两大类：一类辅助新能源提升抗扰性能和对系统的正向作用力，从而增强特高压直流输送能力，如大容量调相机、虚拟同步机技术等，这类技术主要解决“存量”问题；另一类则侧重于从战略的角度，替代传统的输电方式，提升输电技术对于不同型式电源更好的接入、输送能力，如半波长输电、柔性直流/直流电网技术等，这类技术主要解决“增量”问题。

本栏目特别邀请中国电科院电力系统研究所电力系统规划技术研究团队提供资料，将陆续对大容量调相机、虚拟同步机、半波长输电、柔性直流/直流电网技术进行简要介绍，敬请关注。

大容量调相机技术

1、概念介绍

调相机实际上就是只发无功的发电机，除了原动机及其相关设备，发电机该有的它都有。同步调相机在需要时向系统快速提供或吸收无功功率。调相机是旋转式的动态无功补偿设备，具有大容量、少维护的特点。

2、基本原理和技术特点

调相机的构成如图1所示。

调相机技术特点：

1） 两种运行工况：调相机可以迟相（发无功）、进相（吸无功），每种运行工况下，都可能进入强励（超额定功率）运行状态。

 2） 三种出力特性：次暂态特性（毫秒级响应，可以提供大量瞬时无功支撑电网电压，抑制直流换相失败）、暂态特性（秒级响应，通过强励，迅速为系统提供无功，响应速度满足系统稳定需求）、稳态特性（分钟级，具备长期深度进相能力，可以稳定吸收无功功率）。

与静止型无功补偿的特性比较如下表所示。

3、国内外研究现状

为了满足我国电网对于调相机大容量、快出力等特性需求，我国调相机制造企业研制了新型大容量调相机。与传统调相机相比，新型调相机除了在容量上有所提升（达到300Mvar）外，其他性能也有提升。

1）新型调相机大幅减小了直轴次暂态电抗Xd”的设计值，传统调相机Xd”在0.25左右，经过特殊设计减少至0.15，提高了次暂态过程中的瞬时无功输出能力，相同工况下可提升至1.5倍以上。

2） 调相机的无功响应速度主要与励磁系统强励倍数及直轴短路暂态时间常数Td’有关。新型调相机将励磁系统的强励倍数由以往的2倍提高至3.5倍。同时，大幅降低Td’的设计值，使调相机的无功响应速度得到了大幅提升。

3）对于典型的调相机参数，1/Xd=0.5，故最大进相能力只能达到150Mvar。Xd 主要受定转子空气间隙影响，经过重新设计后，可将1/Xd 提升至0.67，最大进相能力达到200Mvar。

4、应用情况或示范工程 

国外从上世纪五十年代开始有多个国家应用调相机提高系统的稳定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等国家在大规模水电基地远距离外送的受端变电站加装调相机。法国、日本电网早期使用调相机较多，随着电网网架加强和电源增加，法国调相机没有新的增加。日本东京地区在1987年7月23日发生静态电压崩溃事故后，增加了抽水蓄能、调相机和SVC等动态无功补偿装置。调相机在国外主要应用于远距离输电系统（含受端电网）和直流受端系统。

1）远距离输电系统（含受端电网）

加拿大：皮斯河叔姆水电站（装机241.6万kW）经930km 500kV双回线送至负荷中心，中间变电站装有调相机（2×16Mvar）。

阿根廷：埃尔乔孔水电站、班代里塔（装机共165万kW）经1000km 500kV双回线送至负荷中心首都，受端变电站装有调相机（75Mvar）。

加拿大：勒格朗德水电站（装机1026万kW）经1000km  735kV 5回线向蒙特利尔和魁北克市送电，受端变电站装有调相机（25Mvar）。

埃及：阿斯旺水电站（装机210万kW）经700多km双回500kV线路送往开罗，受端变电站装有调相机。

2）直流受端系统

巴西：伊泰普水电站（装机1429.2万kW)采用交直流混合输电，受端变电站装有调相机（4×20Mvar）。

巴西：美丽山水电站（装机1100万kW）经2518km ±800kV直流输电线路送往里约400万kW电力，受端里约交流变电站装有调相机（2×15Mvar）。

在我国，调相机应用历史比较悠久，后来随着电力电子装置技术的成熟和调相机设备老化，静止型动态无功补偿装置（SVC、STATCOM等）逐渐替代了调相机的应用，在厂网分家后，调相机在电网中的应用就没有发展。但随着特高压直流工程的实施，送端工频过电压控制、受端电网连锁反映和换相失败的危害逐渐增大，受电压影响出力的SVC、STATCOM等动态无功补偿设备对于次暂态出力需求（预防换相失败）及暂态下的快速大容量无功需求（协助直流快速恢复）响应能力不足，而调相机的进相能力、次暂态出力特性及强励能力则正好能符合上述需求。因此调相机的适用场景主要包括以下类：

1）送端换流站新能源汇集近区。由于缺乏足够的电源支撑，系统短路容量低，容易造成暂态过电压，调相机的快速进相能力可协助其抑制过电压。图2为某直流换流站安装2台300MVar调相机前后的电压曲线。

2）多直流馈入受端系统。由于直流间的相互影响增加，交流系统故障易引发多回直流换相失败，如果具有不受电压影响，且具有强励能力的调相机提供无功/电压支撑，无疑将降低换相失败的风险。 

目前，国家电网公司已经规划在22个站点，安装45台300Mvar调相机。一般在特高压直流受端逆变站配置2台调相机，输送新能源的特高压直流送端换流站配置2台调相机。