CN110212671B - 一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，涉及交流电机及其系统技术领域。本发明包括超高压调相机、自并励静止励磁系统和变频启动系统；所述超高压调相机的定子绕组采用交联聚乙烯电缆制成，形成对称Y接法的三相定子绕组，每相绕组均按相等并对称位置抽出2M个抽头，形成M条支路，其中最靠近中性点的支路的非中性点抽头作为励磁端口，其余抽头即作为定子绕组与电力系统连接的功率端口，所述定子绕组的功率端口直接经高压断路器与特高压换流站母线连接。本发明调相机直接与换流站母线连接，不再需要升压变压器，能够显著减小调相机系统在特高压换流站的占地面积，降低调相机系统成本，提高调相机系统的整体可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及交流电机及其系统技术领域，更具体地说涉及一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，负荷中心与电源基地特别是清洁能源生产基地在地理分布上的不均衡问题愈发显著。为提高清洁能源消纳能力，促进电力工业可持续发展，我国建设了多条特高压远距离直流输电工程，用于将西部与北部的清洁电力输送到华东、华南的负荷中心。
特高压直流输电工程通过直流换流站与交流电网连接，利用换流器实现电能的交直流转换。然而，对于受端换流站，因多回直流换向失败等故障造成的低电压问题较为突出；对于送端换流站，则存在直流闭锁造成交流系统过电压的风险。因此，客观上要求大规模直流输送线路必须匹配大规模交流动态无功补偿装置。由于换流站对动态无功补偿装置的瞬时响应特性与动态无功容量的需求，常用的电力电子式无功补偿装置如SVC、STATCOM等无法适应其要求。
基于经济性与可行性考虑，中国国家电网公司提出采用大型调相机作为特高压直流换流站无功补偿设备，能够满足特高压换流站对动态无功补偿能力的需求，同时能够提供稳态无功支撑。大型调相机系统安装在换流站内，主要包括大型调相机、升压变压器、变频启动系统与自并励静态励磁系统等设备，升压变压器高压侧直接与换流站交流母线连接。其中，大型调相机采用与汽轮发电机类似的隐级式实心转子电机结构，容量选择为300Mvar，额定电压20kV。在现有技术水平下，其定子机端电压很难超过15-30kV，而换流站高压交流母线的电压等级高达500-1000kV，因此必须通过升压变压器实现大型调相机与换流站交流母线的连接。
升压变压器的漏电感增大了调相机系统的瞬态电感与超瞬态电感，削弱了调相机系统动态无功输出能力。升压需求导致电机定子电流远大于实际流入电网电流，提高了电机的散热要求。升压变压器及其配属设备增大了整套大型调相机系统的占地空间需求，提高了成本并影响了整体经济效益。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，本发明的发明目的在于解决现有技术中升压变压器所带来的技术问题，本发明的调相机系统中，调相机直接与换流站母线连接，不再需要升压变压器，能够显著减小调相机系统在特高压换流站的占地面积，降低调相机系统成本，提高调相机系统的整体可靠性。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：
一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，包括超高压调相机、自并励静止励磁系统和变频启动系统；所述超高压调相机包括定子和转子，所述定子有定子铁芯和定子绕组构成，所述转子包括转子铁芯和励磁绕组，其特征在于：所述定子绕组采用交联聚乙烯电缆制成，形成对称Y接法的三相定子绕组，所述定子绕组中，每相绕组均按相等并对称位置抽出2M个抽头，形成M条支路，其中最靠近中性点的支路的非中性点抽头作为励磁端口，其余抽头形成定子绕组接线方式，构成定子绕组的出线端，即作为定子绕组与电力系统连接的功率端口；所述自并励静止励磁系统包括励磁变压器、可控晶闸管整流器和励磁控制器，所述励磁变压器一侧与所述定子绕组引出的励磁端口连接，一侧与所述可控晶闸管整流器输入端连接，所述可控晶闸管整流器输出端与励磁绕组相连接，所述励磁控制器用于控制可控晶闸管整流器的开通与关断；所述定子绕组的功率端口直接经高压断路器与特高压换流站母线连接。
进一步的，作为本申请优选的技术方案，所述定子绕组中，励磁端口与中性点间的线圈采用比其他线圈的有效导体截面积大的交联聚乙烯电缆。
所述定子绕组中，所有抽头均连入定子绕组接线柜中，通过定子绕组接线柜内设置的连接开关与控制电路，根据定子绕组的接线方式实现抽头与抽头间的连接。
所述变频启动系统采用模块化多电平换流器，在超高压调相机起动时，所述变频启动系统的输出端与超高压调相机的定子绕组连接，输入端与特高压换流站交流母线连接。
在起动过程中，定子绕组每相M条支路处于并联状态；当起动过程进入堕转过程时，除需要将变频起动系统切除外，还需通过定子绕组接线柜中的连接开关，将各相绕组的M条支路由并联状态改变为串联状态。
所述定子铁芯由硅钢片叠片叠压支撑，定子铁芯上开有定子槽，所述定子槽的槽型采用带弧形定位孔的开口方形槽。
所述定子绕组采用分布式短距绕组结构或同心式绕组结构。
所述转子铁芯为隐极式，由实心体钢材锻造而成，所述转子铁芯上开有转子槽，所述转子槽的槽型为开口槽，所述转子槽槽口采用导电材料制成的转子槽楔，以将转子励磁绕组固定在槽内；所述转子励磁绕组采用同心式绕组结构。
所述转子还包括转子槽楔鼠笼，所述转子槽楔鼠笼由全部转子槽楔与两个槽楔笼端环构成，所述槽楔笼端环是金属导电材料制成的圆环，两个槽楔笼端环分别在转子的两侧与所有转子槽楔焊接连接，从而构成转子槽楔鼠笼。
与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：
1、本申请的超高压调相机系统中，调相机可直接与换流站交流母线连接，不再需要升压变压器，能够显著减小调相机系统在特高压换流站的占地面积，降低调相机系统成本，提高调相机系统的整体可靠性。在本申请中，通过采用交联聚乙烯电缆代替传统的成型线棒制造定子绕组，使得大型调相机定子绕组端电压能够设计为与换流站交流母线电压相当，从而使得调相机与换流站交流母线直接连接、省去升压变压器成为可能。
2、在相同容量下，超高压调相机的运行电流远小于大型调相机，能够降低定子绕组铜耗。同时，超高压调相机对定子散热系统的要求低于大型调相机，具有更好的环境适应性，维护要求与维护费用相应减少。
3、省去升压变压器后，调相机支路瞬态与超瞬态等效串联电感显著降低，能够提高调相机系统的动态无功输出能力，改善调相机系统的运行特性，为特高压输电系统提供更有力的瞬时无功支撑能力。
4、在本申请中，所述定子绕组中，每相绕组均按相等并对称位置抽出2M个抽头，形成M条支路，其中最靠近中性点的支路的非中性点抽头作为励磁端口，以实现自并励功能。其余抽头通过在不同运行工况下不同的组合方法连接，形成定子绕组接线方式，其所构成的定子绕组的出线端，即定子绕组与电力系统连接的端口，作为功率端口。为保证各导体电流密度的一致性，励磁端口与中性点间的线圈应选用比其他线圈有效导体截面积更大的交联聚乙烯电缆，该支路在本专利中称为励磁支路。抽头数M根据每槽导线数、额定电压与变频启动设备耐压等级，综合经济性与可靠性进行优化选择。
5、所述转子由转子铁芯、转子励磁绕组与转子槽楔鼠笼构成，所述转子铁芯为隐极式，由实心体钢材锻造制成。转子铁芯上开有转子槽，所述转子槽的槽型为开口槽以便于转子绕组嵌线，所述转子槽槽口采用导电材料制成的转子槽楔以将转子绕组固定在槽内，所述转子绕组采用同心式绕组结构。所述转子槽楔鼠笼由全部转子槽楔与两个槽楔笼端环构成，所述槽楔笼端环是金属导电材料制成的圆环，两个槽楔笼端环分别在转子的两侧与所有转子槽楔焊接连接，从而构成转子槽楔鼠笼。所述转子槽楔鼠笼起到阻尼绕组的作用。
6、本发明提供的变频起动系统采用模块化多电平换流器（MMC），在超高压调相机起动时，所述变频启动系统的输出端与超高压调相机的定子绕组连接，输入端与特高压换流站交流母线连接。在起动过程中，定子绕组每相M条支路处于并联状态，以降低对变频起动系统的电压要求，减小变频起动系统成本。当起动过程进入堕转过程时，除需要将变频起动系统切除外，还需通过定子绕组接线柜中的开关投切，将各相绕组的M条支路由并联状态改变为串联状态。所述开关投切，即实现定子绕组在串联与并联状态的切换，由定子绕组接线柜中的连接开关完成。
附图说明
图1是本发明提供的超高压调相机系统的原理框图；
图2是本发明实施例提供的超高压调相机系统的模块结构示意图；
图3是本发明实施例提供的转子铁芯轴向截面示意图；
图4是本发明实施例提供的定子铁芯轴向截面图；
图5 是本发明实施例提供的定子绕组槽型与槽内电缆分布示意图；
图6 是本发明实施例提供的定子绕组抽头引出示意图；
图7是本发明实施例提供的定子绕组常规运行与起动时接线方式对比示意图；
附图标记：1、超高压调相机，2、自并励静止励磁系统，3、变频启动系统，4、起动控制模块，5、特高压换流站交流母线，6、出端高压断路器，1-1、定子铁芯，1-2、定子绕组，1-3转子铁芯、1-4转子励磁绕组，1-2-1、励磁端口，1-2-2、功率端口1-2-2，1-5、转子，1-6、定子，1-7、定子绕组接线柜，1-8、功率支路电缆，1-9、励磁支路电缆，1-10、电缆绝缘，1-11、电缆导体，1-12、中性点，1-13、励磁端口抽头，1-14、功率端口抽头，7、机组保护系统与故障录波系统，8、断路器并网同期控制系统，9、统一控制系统与工程师站。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本发明应用于特高压直流换流站，其作用是提供动态与稳态无功支撑与无功补偿。
本实施例提供了一个超高压调相机系统。图1示出了本发明实施例提供的超高压调相机系统的原理框图，详述如下：
超高压调相机系统包括一台超高压调相机1，自并励静止励磁系统2，变频起动系统3，起动控制模块4，特高压换流站交流母线5，出线端高压断路器6；其中，超高压调相机1包括：定子铁芯1-1与三相定子绕组1-2，转子铁芯1-3、转子励磁绕组1-4，三相定子绕组1-2的输出端口包括励磁端口1-2-1与功率端口1-2-2。
现结合具体实施例说明如下：
本具体实施例说明了一个额定电压500kV、额定容量300Mvar的超高压调相机系统。特高压换流站所使用的超高压调相机系统的额定电压与额定容量可能不同于本实施例所陈述的超高压调相机系统，但均可基于本实施例所涉及的发明的原理予以设计。
如图2所示的一个额定电压500kV、额定容量300Mvar的超高压调相机系统，超高压调相机1包括转子1-5与定子1-6。所述转子1-5由转子铁芯1-3、转子励磁绕组1-4、转子槽楔鼠笼组成。所述转子铁芯1-3采用铬镍合金电工钢材料锻造加工制成，转子铁芯1-3设计为一对极隐极式结构，铁芯1-3上开有转子槽，槽分度为45，嵌线槽数为32，转子槽采用开口方形平行槽结构，槽内放置转子励磁绕组，槽顶部打入转子槽楔，转子槽楔采用铝合金材料，也可以采用银铜合金等满足机械强度要求的导电材料。所述转子绕组采用同心式绕组结构，每槽导体数取为12。所述转子槽楔鼠笼是将转子所有槽楔在转子两侧通过两个转子槽楔笼端环短路连接而形成的鼠笼结构，起到阻尼绕组的效果。所述励磁绕组与自并励静止励磁系统相连接。转子铁芯轴向截面结构如图3所示。
所述定子1-6由定子铁芯1-1与定子绕组组成。所述定子铁芯采用50标号厚度的高质量电工硅钢片叠压制成。所述定子铁芯上开有均匀分布的定子槽，定子槽数为48个。所述定子绕组由交联聚乙烯电缆制成，每槽内安放25根电缆。所述定子槽沿用大型电机定子常用的平行开口槽结构，但为便于电缆固定，在槽两侧各开有12个弧形定位孔，槽底为半圆形，安放较粗的励磁支路的线圈。所述定子绕组采用同心式绕组结构，但也可采用链式绕组或整距分布绕组结构，采用60°相带设计，相带数为6，并联支路数为1，共引出25个抽头，其中除励磁支路线圈外，同一层两个线圈相互串联构成一个支路并引出抽头，经定子绕组接线柜1-7形成两个接口：定子绕组功率端口1-2-2与定子绕组励磁端口1-2-1，其中定子绕组励磁端口1-2-1与特定的励磁端口抽头1-13连接，但常规运行时励磁端口抽头1-13同时与其他抽头串联。包括定子铁芯1-1轴向截面结构如图4所示，定子槽形与槽内电缆分布如图5所示，A相绕组的抽头引出情况如图6所示，A相绕组在起动时与正常运行时的支路连接方式如图7所示。定子绕组功率接口直接经超高压断路器6与直流换流站高压交流母线5连接。定子绕组励磁端口1-2-1经自并励静止励磁系统2与转子绕组连接。
图2所示的一个超高压调相机系统，超高压调相机一体化控制与保护硬件系统由自并励静止励磁控制系统2,，基于MMC的静止变频起动系统3，机组保护系统与故障录波系统7，超高压断路器并网同期控制系统8，以及统一控制系统与工程师站9。
图5所示的定子槽内电缆分布，1-8为功率支路电缆，1-9为励磁支路电缆，1-10为电缆绝缘，1-11为电缆导体。
图6所示的定子A相绕组抽头引出示意图中，1-13为励磁端口抽头，1-14为功率端口抽头；图7所示的定子A相绕组接线方式对比图中，1-2-1为励磁端口，1-2-2为功率端口，1-12为中性点。
本实施例只是本发明的一个实例，在具有不同电压等级交流母线，或在不同无功补偿能力需求的特高压换流站中，超高压调相机的额定电压、额定容量与定子设计等应相应做出调整，以满足相应工程条件的需求。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，包括超高压调相机1、自并励静止励磁系统2和变频启动系统3；所述超高压调相机包括定子1-6和转子1-5，所述定子1-6有定子铁芯1-1和定子绕组1-2构成，所述转子1-5包括转子铁芯1-3和转子励磁绕组1-4，所述定子绕组1-2采用交联聚乙烯电缆制成，形成对称Y接法的三相定子绕组，通过采用交联聚乙烯电缆代替传统的成型线棒制造定子绕组，使得大型调相机定子绕组端电压能够设计为与换流站交流母线电压相当，从而使得调相机与换流站交流母线直接连接、省去升压变压器成为可能。
所述定子绕组1-2中，每相绕组均按相等并对称位置抽出2M个抽头，形成M条支路，其中最靠近中性点的支路的非中性点抽头作为励磁端口1-2-1，其余抽头形成定子绕组接线方式，构成定子绕组的出线端，即作为定子绕组与电力系统连接的功率端口1-2-2；所述自并励静止励磁系统2包括励磁变压器、可控晶闸管整流器和励磁控制器，所述励磁变压器一侧与所述定子绕组引出的励磁端口1-2-1连接，一侧与所述可控晶闸管整流器输入端连接，所述可控晶闸管整流器输出端与励磁绕组1-4相连接，所述励磁控制器用于控制可控晶闸管整流器的开通与关断；所述定子绕组1-2的功率端口1-2-2直接经高压断路器6与特高压换流站母线5连接。
实施例3
作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图1和2，本实施例公开了：
一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，包括超高压调相机1、自并励静止励磁系统2和变频启动系统3；所述超高压调相机1包括定子1-6和转子1-5，所述定子1-6有定子铁芯1-1和定子绕组1-2构成，所述转子1-5包括转子铁芯1-3和转子励磁绕组1-4，所述定子绕组1-2采用交联聚乙烯电缆制成，形成对称Y接法的三相定子绕组，所述定子绕组1-2中，每相绕组均按相等并对称位置抽出2M个抽头，形成M条支路，其中最靠近中性点1-12的支路的非中性点抽头作为励磁端口1-2-1，其余抽头形成定子绕组接线方式，构成定子绕组的出线端，即作为定子绕组与电力系统连接的功率端口1-2-2；所述自并励静止励磁系统2包括励磁变压器、可控晶闸管整流器和励磁控制器，所述励磁变压器一侧与所述定子绕组引出的励磁端口1-2-1连接，一侧与所述可控晶闸管整流器输入端连接，所述可控晶闸管整流器输出端与励磁绕组1-4相连接，所述励磁控制器用于控制可控晶闸管整流器的开通与关断；所述定子绕组的功率端口1-2-2直接经高压断路器6与特高压换流站交流母线5连接。
进一步的，作为本申请优选的技术方案，所述定子绕组1-2中，励磁端口1-2-1与中性点1-12间的线圈采用比其他线圈的有效导体截面积大的交联聚乙烯电缆。所述定子绕组1-2中，所有抽头均连入定子绕组接线柜1-7中，通过定子绕组接线柜1-7内设置的连接开关与控制电路，根据定子绕组的接线方式实现抽头与抽头间的连接。
所述变频启动系统3采用模块化多电平换流器（MMC），在超高压调相机1起动时，所述变频启动系统3的输出端与超高压调相机1的定子绕组1-2连接，输入端与特高压换流站交流母线5连接。在起动过程中，定子绕组1-2每相M条支路处于并联状态；当起动过程进入堕转过程时，除需要将变频起动系统3切除外，还需通过定子绕组接线柜1-7中的连接开关，将各相绕组的M条支路由并联状态改变为串联状态。
所述定子铁芯1-1由硅钢片叠片叠压支撑，定子铁芯上开有定子槽，所述定子槽的槽型采用带弧形定位孔的开口方形槽。所述定子绕组1-2采用分布式短距绕组结构或同心式绕组结构。所述转子铁芯1-3为隐极式，由实心体钢材锻造而成，所述转子铁芯1-3上开有转子槽，所述转子槽的槽型为开口槽，所述转子槽槽口采用导电材料制成的转子槽楔，以将转子励磁绕组1-4固定在槽内；所述转子励磁绕组采用同心式绕组结构。所述转子还包括转子槽楔鼠笼，所述转子槽楔鼠笼由全部转子槽楔与两个槽楔笼端环构成，所述槽楔笼端环是金属导电材料制成的圆环，两个槽楔笼端环分别在转子的两侧与所有转子槽楔焊接连接，从而构成转子槽楔鼠笼。
上述实施例只是本发明的列举出的部分实例，在具有不同电压等级交流母线，或在不同无功补偿能力需求的特高压换流站中，超高压调相机的额定电压、额定容量与定子设计等应相应做出调整，以满足相应工程条件的需求。
Claims (7)
1.一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，包括超高压调相机（1）、自并励静止励磁系统（2）和变频启动系统（3）；所述超高压调相机（1）包括定子（1-6）和转子（1-5），所述定子（1-6）由定子铁芯（1-1）和定子绕组（1-2）构成，所述转子（1-5）包括转子铁芯（1-3）和转子励磁绕组（1-4），其特征在于：所述定子绕组（1-2）采用交联聚乙烯电缆制成，形成对称Y接法的三相定子绕组，所述定子绕组（1-2）中，每相绕组均按相等并对称位置抽出2M个抽头，形成M条支路，其中最靠近中性点（1-12）的支路的非中性点抽头作为励磁端口（1-2-1），其余抽头形成定子绕组接线方式，构成定子绕组的出线端，即作为定子绕组与电力系统连接的功率端口（1-2-2）；所述自并励静止励磁系统（2）包括励磁变压器、可控晶闸管整流器和励磁控制器，所述励磁变压器一侧与所述定子绕组引出的励磁端口（1-2-1）连接，一侧与所述可控晶闸管整流器输入端连接，所述可控晶闸管整流器输出端与转子励磁绕组（1-4）相连接，所述励磁控制器用于控制可控晶闸管整流器的开通与关断；所述定子绕组的功率端口（1-2-2）直接经高压断路器（6）与特高压换流站交流母线（5）连接；
所述定子绕组（1-2）中，励磁端口（1-2-1）与中性点（1-12）间的线圈采用比其他线圈的有效导体截面积大的交联聚乙烯电缆；
在启动过程中，定子绕组（1-2）每相M条支路处于并联状态；当启动过程进入堕转过程时，除需要将变频启动系统切除外，还需通过定子绕组接线柜（1-7）中的连接开关，将各相绕组的M条支路由并联状态改变为串联状态。
2.如权利要求1所述的一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，其特征在于：所述定子绕组（1-2）中，所有抽头均连入定子绕组接线柜（1-7）中，通过定子绕组接线柜（1-7）内设置的连接开关与控制电路，根据定子绕组的接线方式实现抽头与抽头间的连接。
3.如权利要求1所述的一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，其特征在于：所述变频启动系统（3）采用模块化多电平换流器，在超高压调相机（1）启动时，所述变频启动系统（3）的输出端与超高压调相机（1）的定子绕组（1-2）连接，输入端与特高压换流站交流母线（5）连接。
4.如权利要求1所述的一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，其特征在于：所述定子铁芯（1-1）由硅钢片叠片叠压支撑，定子铁芯（1-1）上开有定子槽，所述定子槽的槽型采用带弧形定位孔的开口方形槽。
5.如权利要求1所述的一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，其特征在于：所述定子绕组（1-2）采用分布式短距绕组结构或同心式绕组结构。
6.如权利要求1所述的一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，其特征在于：所述转子铁芯（1-3）为隐极式，由实心体钢材锻造而成，所述转子铁芯（1-3）上开有转子槽，所述转子槽的槽型为开口槽，所述转子槽槽口采用导电材料制成的转子槽楔，以将转子励磁绕组（1-4）固定在槽内；所述转子励磁绕组（1-4）采用同心式绕组结构。
7.如权利要求1或6所述的一种应用于特高压换流站中的超高压调相机系统，其特征在于：所述转子（1-5）还包括转子槽楔鼠笼，所述转子槽楔鼠笼由全部转子槽楔与两个槽楔笼端环构成，所述槽楔笼端环是金属导电材料制成的圆环，两个槽楔笼端环分别在转子的两侧与所有转子槽楔焊接连接，从而构成转子槽楔鼠笼。
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