我國風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)展勢頭迅猛。根據(jù)電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020年），到2020年，全國風(fēng)電裝機達到2.1億kW以上，太陽能發(fā)電1.1億kW以上。我國風(fēng)電81%分布在“三北”地區(qū)，太陽能發(fā)電50%分布在西部省份。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電富集地區(qū)負荷規(guī)模偏小，消納空間有限，因此集中開發(fā)的部分新能源需要跨區(qū)輸送。“十三五”期間，依托電力外送通道，國家將推進“三北”地區(qū)新能源跨省跨區(qū)消納4000萬kW。

根據(jù)電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，扎魯特—山東等6回特高壓直流將輸送新能源4700萬kW，每回直流配套新能源發(fā)電規(guī)模都在600萬kW及以上。新能源的間歇性、隨機性出力特性和低抗擾性除了給系統(tǒng)調(diào)峰增加壓力和困難外，也給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行增加了風(fēng)險：系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性下降，電壓控制難度增大。尤其是采用特高壓直流輸送時，問題更為突出，這也成為現(xiàn)階段特高壓直流無法充分發(fā)揮其輸送能力的主要原因之一。

 

采用新型電網(wǎng)技術(shù)是解決新能源跨區(qū)輸送問題的重要手段，從針對的問題和應(yīng)用的場景，這些新型電網(wǎng)技術(shù)可以分為兩大類：一類輔助新能源提升抗擾性能和對系統(tǒng)的正向作用力，從而增強特高壓直流輸送能力，如大容量調(diào)相機、虛擬同步機技術(shù)等，這類技術(shù)主要解決“存量”問題；另一類則側(cè)重于從戰(zhàn)略的角度，替代傳統(tǒng)的輸電方式，提升輸電技術(shù)對于不同型式電源更好的接入、輸送能力，如半波長輸電、柔性直流/直流電網(wǎng)技術(shù)等，這類技術(shù)主要解決“增量”問題。

 

大容量調(diào)相機技術(shù)

 

1、概念介紹

 

調(diào)相機實際上就是只發(fā)無功的發(fā)電機，除了原動機及其相關(guān)設(shè)備，發(fā)電機該有的它都有。同步調(diào)相機在需要時向系統(tǒng)快速提供或吸收無功功率。調(diào)相機是旋轉(zhuǎn)式的動態(tài)無功補償設(shè)備，具有大容量、少維護的特點。

 

2、基本原理和技術(shù)特點

 

調(diào)相機的構(gòu)成如圖1所示。

 

調(diào)相機技術(shù)特點：

 

1） 兩種運行工況：調(diào)相機可以遲相（發(fā)無功）、進相（吸無功），每種運行工況下，都可能進入強勵（超額定功率）運行狀態(tài)。

 

 2） 三種出力特性：次暫態(tài)特性（毫秒級響應(yīng)，可以提供大量瞬時無功支撐電網(wǎng)電壓，抑制直流換相失?。簯B(tài)特性（秒級響應(yīng)，通過強勵，迅速為系統(tǒng)提供無功，響應(yīng)速度滿足系統(tǒng)穩(wěn)定需求）、穩(wěn)態(tài)特性（分鐘級，具備長期深度進相能力，可以穩(wěn)定吸收無功功率）。

 

與靜止型無功補償?shù)奶匦员容^如下表所示。

 

3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

 

為了滿足我國電網(wǎng)對于調(diào)相機大容量、快出力等特性需求，我國調(diào)相機制造企業(yè)研制了新型大容量調(diào)相機。與傳統(tǒng)調(diào)相機相比，新型調(diào)相機除了在容量上有所提升（達到300Mvar）外，其他性能也有提升。

 

1）新型調(diào)相機大幅減小了直軸次暫態(tài)電抗Xd”的設(shè)計值，傳統(tǒng)調(diào)相機Xd”在0.25左右，經(jīng)過特殊設(shè)計減少至0.15，提高了次暫態(tài)過程中的瞬時無功輸出能力，相同工況下可提升至1.5倍以上。

 

 2） 調(diào)相機的無功響應(yīng)速度主要與勵磁系統(tǒng)強勵倍數(shù)及直軸短路暫態(tài)時間常數(shù)Td’有關(guān)。新型調(diào)相機將勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)由以往的2倍提高至3.5倍。同時，大幅降低Td’的設(shè)計值，使調(diào)相機的無功響應(yīng)速度得到了大幅提升。

 

 3）對于典型的調(diào)相機參數(shù)，1/Xd=0.5，故最大進相能力只能達到150Mvar。Xd 主要受定轉(zhuǎn)子空氣間隙影響，經(jīng)過重新設(shè)計后，可將1/Xd 提升至0.67，最大進相能力達到200Mvar。

 

4、應(yīng)用情況或示范工程 

 

國外從上世紀(jì)五十年代開始有多個國家應(yīng)用調(diào)相機提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等國家在大規(guī)模水電基地遠距離外送的受端變電站加裝調(diào)相機。法國、日本電網(wǎng)早期使用調(diào)相機較多，隨著電網(wǎng)網(wǎng)架加強和電源增加，法國調(diào)相機沒有新的增加。日本東京地區(qū)在1987年7月23日發(fā)生靜態(tài)電壓崩潰事故后，增加了抽水蓄能、調(diào)相機和SVC等動態(tài)無功補償裝置。調(diào)相機在國外主要應(yīng)用于遠距離輸電系統(tǒng)（含受端電網(wǎng)）和直流受端系統(tǒng)。

 

1）遠距離輸電系統(tǒng)（含受端電網(wǎng)）

 

加拿大：皮斯河叔姆水電站（裝機241.6萬kW）經(jīng)930km 500kV雙回線送至負荷中心，中間變電站裝有調(diào)相機（2×16Mvar）。

 

阿根廷：埃爾喬孔水電站、班代里塔（裝機共165萬kW）經(jīng)1000km 500kV雙回線送至負荷中心首都，受端變電站裝有調(diào)相機（75Mvar）。

 

加拿大：勒格朗德水電站（裝機1026萬kW）經(jīng)1000km  735kV 5回線向蒙特利爾和魁北克市送電，受端變電站裝有調(diào)相機（25Mvar）。

 

埃及：阿斯旺水電站（裝機210萬kW）經(jīng)700多km雙回500kV線路送往開羅，受端變電站裝有調(diào)相機。

 

2）直流受端系統(tǒng)

 

巴西：伊泰普水電站（裝機1429.2萬kW)采用交直流混合輸電，受端變電站裝有調(diào)相機（4×20Mvar）。

 

巴西：美麗山水電站（裝機1100萬kW）經(jīng)2518km ±800kV直流輸電線路送往里約400萬kW電力，受端里約交流變電站裝有調(diào)相機（2×15Mvar）。

 

在我國，調(diào)相機應(yīng)用歷史比較悠久，后來隨著電力電子裝置技術(shù)的成熟和調(diào)相機設(shè)備老化，靜止型動態(tài)無功補償裝置（SVC、STATCOM等）逐漸替代了調(diào)相機的應(yīng)用，在廠網(wǎng)分家后，調(diào)相機在電網(wǎng)中的應(yīng)用就沒有發(fā)展。但隨著特高壓直流工程的實施，送端工頻過電壓控制、受端電網(wǎng)連鎖反映和換相失敗的危害逐漸增大，受電壓影響出力的SVC、STATCOM等動態(tài)無功補償設(shè)備對于次暫態(tài)出力需求（預(yù)防換相失?。┘皶簯B(tài)下的快速大容量無功需求（協(xié)助直流快速恢復(fù)）響應(yīng)能力不足，而調(diào)相機的進相能力、次暫態(tài)出力特性及強勵能力則正好能符合上述需求。因此調(diào)相機的適用場景主要包括以下類：

 

1）送端換流站新能源匯集近區(qū)。由于缺乏足夠的電源支撐，系統(tǒng)短路容量低，容易造成暫態(tài)過電壓，調(diào)相機的快速進相能力可協(xié)助其抑制過電壓。圖2為某直流換流站安裝2臺300MVar調(diào)相機前后的電壓曲線。

 

2）多直流饋入受端系統(tǒng)。由于直流間的相互影響增加，交流系統(tǒng)故障易引發(fā)多回直流換相失敗，如果具有不受電壓影響，且具有強勵能力的調(diào)相機提供無功/電壓支撐，無疑將降低換相失敗的風(fēng)險。 

 

目前，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)規(guī)劃在22個站點，安裝45臺300Mvar調(diào)相機。一般在特高壓直流受端逆變站配置2臺調(diào)相機，輸送新能源的特高壓直流送端換流站配置2臺調(diào)相機。