日前，江苏泰州与湖南湘潭换流站调相机工程获得核准。国家电网公司分别在锡盟—泰州特高压工程泰州换流站、酒泉—湖南特高压工程湘潭换流站装设2台300兆乏调相机，估算总投资分别为2.65亿元、3.29亿元。
调相机工程对于提高电网动态电压稳定裕度、保障特高压工程安全稳定运行具有重要意义。早在两个月前，国家电网公司就全面启动首批临沂、皖南、锡盟、泰州、酒泉、湘潭、南京7个特高压直流换流站的调相机工程建设，制定了建设“暂动态特性优、安全可靠性高、运行维护方便”的国际一流精品工程目标。那么，究竟什么是调相机，它的运行机理是什么，又为何能够保证特高压工程安全稳定运行呢？
性能卓越的无功补偿装置
在电力系统中，同步发电机是最常见的旋转设备，它在发出有功功率的同时，还可以发出无功功率，而且是性能最优越的无功电源。调相机是一种特殊运行状态下的同步发电机，它保留了同步发电机良好的无功补偿性能，却不发出有功功率。由于不需发出有功，经过专门设计，调相机无功补偿的性能也可进一步提升。
300Mvar同步调相机外观图
300Mvar同步调相机剖面图
调相机性能优势主要体现为可在瞬态、暂态和稳态全时间尺度提供无功补偿和电压支撑。瞬态方面，在电网发生故障导致电压跌落的瞬间，利用其强劲的“爆发力”，快速释放大量无功功率，减小电网电压跌落的幅度和速度，该特性通常在几到几十个毫秒范围内发挥作用。暂态方面，在故障恢复期间，电网电压较低，调相机励磁系统可进行强励，在数秒到数十秒内提供超过调相机额定容量1.5倍甚至更多的无功支撑，进而恢复电网电压。稳态方面，调相机可在设计范围内开展无功连续调节，既可发出容性无功，也可发出感性无功。此外，调相机在无功补偿的同时，还能提供短路容量和转动惯量，提高电网稳定性能。
鉴于良好的无功补偿性能，在电网发展过程中，调相机曾发挥了积极作用。浙江舟山直流工程配置了30兆乏的调相机用于提高受端系统短路容量，开展换流站无功补偿。嵊泗直流工程也配置了2台30兆乏调相机。天津北郊变电站安装一组160兆乏的调相机进行系统无功补偿，提高系统电压稳定水平。芜湖、金昌等变电站也配置不同容量的调相机。以往工程主要应用调相机的稳态无功补偿和暂态无功提供能力，对瞬态无功提供能力要求较低。静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（SVG）等无功补偿装置可满足稳态和暂态无功补偿要求。90年代，随着SVC和SVG技术发展，调相机在我国电网应用减少。在国外，随着新能源开发和直流输电技术发展，调相机仍在一定范围内采用。
满足“强直弱交”电网对无功补偿的要求
国家电网在运常规高压和特高压直流工程已达16回。随着特高压直流输电技术的进一步发展，后续单回特高压直流功率将达1000万千瓦以上，电网呈现“强直弱交”的特点，对无功补偿提出了更高要求。
首先，直流输电本身需要电网提供无功和电压支撑。与发电机组既提供有功、又提供无功和电压支撑不同，直流输电在输送有功功率的同时，不但不能给系统提供无功和电压支撑，还需要占用大量无功功率，也即需要电网提供较强的无功和电压支撑。其次，直流输电降低了电网无功和电压支撑能力。接受直流输电的功率后，电网中原有部分发电机组停运，电网失去这部分发电机组无功和电压的支撑。第三，直流输电对电网电压要求极高。电网电压发生小幅波动就可能导致直流输电出现换相失败的故障，进而引发有功和无功功率大幅波动，直接威胁电网安全。随着直流功率的不断增加，防止换相失败的压力与日俱增。
因此，“强直弱交”电网下，无功补偿装置需要具备以下性能：在故障发生瞬间，无功补偿装置能平息或减小电网电压波动，减少直流换相失败等故障发生。要达到这样的效果，无功补偿装置就需要在极短时间内快速发出大量无功功率；在故障恢复的暂态过程中，无功补偿装置能持续提供大量无功，即需要强劲的过载能力；在稳态运行时，可为系统提供无功补偿。
调相机就是这样一种在瞬态、暂态和稳态范围内均可向电网提供无功补偿的装置。特别是直流功率的增加，为防止换相失败等故障，对瞬态无功提供能力的要求越来越高。而SVC、SVG在瞬态无功提供能力方面不如调相机，因此不能满足“强直弱交”电网无功补偿的需求。经过深入的技术经济比较，国家电网公司规划在部分直流输电系统送受端换流站配置适量的调相机，实现“大直流输电、强无功支撑”，提高“强直弱交”情况下交直流混联电网安全稳定性。
新型调相机的性能全面提升
为全面提升新型调相机的性能，国家电网公司组织国网经研院、中国电科院、清华大学、哈电机厂、上海电气、东方 电气、南瑞集团等科研院所、重点院校和设备厂家，从系统需要、参数优化、设备研制等方面开展新型调相机研究。研究以“暂动态特性优、安全可靠性高、运行维护方便”为目标，充分借鉴和运用现有百万机组的先进制造技术和工艺。目前，调相机研制工作进展顺利，根据三维设计、精细化计算和数值模拟等表明，调相机的性能得到了全面改善。
瞬态特性大幅提高。调相机设计之初，就以提高瞬态特性为主要目标，通过定子结构、绕组优化设计，瞬态特性提高明显。与同等容量发电机组相比，通过参数优化，瞬态性能提升超过50%，主要表现在次暂态电抗由15%以上降低到了10%左右，可有效减小故障后交流系统电压跌落，减少直流系统换相失败的发生。
暂态特性大幅改善。首先，调相机的定转子绕组过负荷能力强。通过合理选择绕组线圈、优化冷却系统设计，转子具备2.5倍过负荷能力，定子具备3.5倍过负荷能力，持续时间达15秒以上，在高压母线电压较低时，通过2.5倍强励，300兆乏调相机在15秒内可输出约900兆乏无功功率。其次，调相机的暂态响应速度也大幅提升：通过优化设计，减小调相机短路暂态时间常数，通过控制策略改进优化励磁电压输出，两者结合，调相机的暂态无功响应速度大幅提高。初步计算，新调相机无功出力可在0.65秒内从300兆乏提升至840兆乏。
具备深度进相能力。由于我国西北等地电网在轻载时的稳态电压偏高，要求调相机具备深度进相能力。通过调整电磁回路设计，减小新型调相机的直轴反应电抗，进而减小同步电抗，提高机组短路比，300兆乏调相机具备200兆乏进相能力，能够有效抑制电网轻载时的稳态过电压问题。
通过技术攻关，新型调相机在故障瞬间的电压支撑能力强，暂态响应速度快，过载能力大，且具备较大容量的进相能力。新型调相机必将以其独特的优势，在特高压交直流混合大电网中发挥重要作用。
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