同步調相機
同步調相機 [1] 是一種特殊運行狀態下的同步電機，當應用於電力系統時，能根據系統的需要，自動地在電網電壓下降時增加無功輸出!在電網電壓上升時吸收無功功率，以維持電壓，提高電力系統的穩定性，改善系統供電質量。同步電機運行於電動機狀態，不帶機械負載也不帶原動機，只向電力系統提供或吸收無功功率的同步電機。又稱同步補償機。用於改善電網功率因數，維持電網電壓水平。詳細介紹了調相機的發展現狀、工作原理、結構特點、無功補償優點、啟動方式、冷卻方式、應用等。
- 中文名:同步調相機
- 外文名:synchronous compensator
- 類 別:供電技術
- 作 用:無功補償
- 領 域:能源
- 學 科:電氣工程
目錄
研究進展
世界同步調相機研製發韌於20世紀初葉。在美國，1913年一1931年，先後研製和投運了15 MVA (1913年)、30 MVA (1919年)、40 MVA(1923年)、50 MVA (1926年)和75 MVA(1931年)空冷調相機。1926年，美國GE公司研製成功世界首台氫外冷發電機(50 MW 25 Hz 1 500 r/min)並作調相機運行。1928年，西屋公司研製成首台工業用氫外冷調相機(15 MVA 900 r/min)。1930年代，美國研製成功多台氫冷調相機，其最大容量為40 MVA (1937年)。二戰期間，調相機發展停滯 [2] 。
二戰結束後，世界電力工業恢復發展，同步調相機發展重新起步。1940年代後期至1950年代，美國、英國、法國、前蘇聯、瑞士、瑞典、日本等研製成功一批37.5 MVA 80 MVA的同步調相機。1960年代，研製成功60 MVA級至150 MVA級同步調相機。1970年代一1980年代上半葉是同步調相機技術迅速發展的時期，先後研製成功345 MVA全水冷同步調相機(ASEA 1971)以及160 MVA, 250 MVA, 320 MVA氫冷同步調相機。在中國，1950年代一1970年代先後研製成功15 MVA, 30 MVA空冷調相機及60 MVA氫冷調相機，試製成功1台50 MVA蒸發冷卻同步調相機，改造成功120 MVA, 250 MVA同步調相機。 近年來，同步調相機又重新引起重視，除中國國家電網擬裝設一大批300 MVA級同步調相機外，國外也在發展大型同步調相機，例如意大利Sardinia超高壓/高壓電網裝設了2台250 MVA空冷同步調相機。
工作原理
電力系統中的主要負載是異步電動機和變壓器[3] 。這些設備均從電網汲取大量的無功功率以供其勵磁之用。所以，電網擔負着很大一部分電感性的無功電流，導致電網的功率因數降低，以致發電機和輸配電設備的作用不能充分發揮，線路損耗和電壓損失增大，輸電質量變壞，甚至影響輸電的穩定性。由於同步電機處在過勵狀態時，可以從電網汲取相位超前於電壓的電流，從而改善電網的功率因數（見功率因數的提高，因此在過去的生產實際中，除選用一部分同步電動機外，還在電網的受電端裝設一些同步調相機，用於改善電網的功率因數。根據電網負載情況的不同，適當調節調相機的勵磁電流，可改變調相機汲取的無功功率，使電網的功率因數接近於1。此外,在長距離輸電線路中，線路電壓降隨負載情況的不同而發生變化，如果在輸電線的受電端裝一同步調相機，在電網負載重時，讓其過勵運行，增加輸電線中滯後的無功電流分量，從而可減少線路壓降；在輸電線輕載的情況下，讓其欠勵運行，吸收滯後的無功電流，可防止電網電壓上升，從而維持電網的電壓在一定的水平上。同步調相機還有提高電力系統穩定性的作用。
結構特點
同步調相機的結構基本上與同步電動機相同 ；[4] ，只是由於它不帶機械負載，轉軸可以細些。如果它具有自起動能力,則其轉子可以做成沒有軸伸,便於密封。同步調相機經常運行在過勵狀態,勵磁電流較大,損耗也比較大，發熱比較嚴重。容量較大的同步調相機常採用氫氣冷卻。隨着電力電子技術的發展和靜止無功補償器 (SVC)的推廣使用，調相機現已很少使用。
獨特優點
同步調相機作為一種最早採用的無功補償設備，一種專門的無功功率發電機，具有跟蹤速度快(能抑制閃變或衝擊)、補償範圍廣(容性、感性均可)、故障率低等優點。另外，它還具有調整電壓平滑。單機容量大(達數十萬Var)等優點，可以有效支撐電網電壓和提高電網的穩定性。因此，同步調相機是大型電網首選的無功補償設備。但是，調相機也存在運行維護比較複雜、有功功率損耗較大、運行噪聲較高、小容量調相機單位容量投入費用較高等缺點。因此，同步調相機宜作為大容量集中補償裝置，通常容量大於10 MVA，多裝設在樞紐變電站、換流站以及受端變電站或換流站 。
起動方式
調相機的起動方式有自起動(異步起動)方式、起動電動機起動方式、靜止變頻器起動方式和液力藕合器起動方式 。 (1)自起動方式是調相機普遍採用的一種起動方式，它包括利用阻尼繞組的自起動方式(如ASEA公司的345 MVA調相機)和用起動變壓器的降壓自起動方式。
(2)起動電動機起動方式的起動電動機多為帶起動變阻器的繞線式電動機，例如富士公司的61. 4 MVA調相機和ASEA公司的 125 MVA調相機。
(3)靜止變頻器起動方式通常只用於調相機台數多的場合。
(4)液力藕合器起動方式是在調相機與起動電動機之間接入液力藕合器。起動調相機時，藕合器先不充油，起動電動機不帶調相機單獨空載起動，然後向藕合器逐步充油，使調相機轉子起動、逐步升速，當轉子接近同步轉速(滑差2%一4%)時，調相機用自同步方法併入系統。中國鞍山電業局的一台250 MVA調相機就採用液力藕合起動方式。
冷卻方式
與發電機一樣，調相機的冷卻方式有蒸發冷卻方式、雙水內冷及全水冷方式、水，氫冷卻方式、全氫冷方式和空冷方式 。 另外，除常規調相機外，還有採用超導繞組的超導調相機。
1970年代至1980年代初，國外一些公司提出了調相機各種冷卻方式的適用範圍。例如，瑞士BBC公司認為，小於70 MVA採用空氣冷卻;50 MVA一200 MVA採用氫冷;150 MVA一500 MVA採用水冷或油冷(高寒戶外場合宜用油冷)。瑞典ASEA公司認為:小於50 MVA採用空冷;60 MVA一300 MVA採用氫冷;大於300 MVA採用水冷。日本富士公司認為:小於80 MVA用空冷;60 MVA一300 MVA採用氫冷;大於300 MVA採用水冷。
近年來，隨着空冷技術的發展，特別是200 MVA } 500 MVA空冷汽輪發電機的成功投運，空冷在調相機中的應用範圍必將擴大，300 MVA級調相機亦可採用空氣冷卻。
應用
同步調相機的主要應用在如下方面：
（1）控制電壓的大幅偏移；
（2）在HVDC的終端作為動態無功支持。
同步調相機是特殊運行狀態下的同步電機。可視為不帶有有功負荷的同步發電機或是一種不帶機械負荷的同步發電機。它可以過勵磁運行，也可以欠勵磁運行，運行狀態根據系統的需要來調節。當它過勵磁運行時，將向電網發出無功功率；欠勵磁運行時，將從電網吸收無功功率。同步調相機一般裝設自動調節勵磁裝置，能自動地在電網電壓降低時增加輸出無功以維持電壓，在有強勵裝置是，在電網故障情況下也能調整系統電壓保證繼電保護裝置的正確動作。
同步調相機是最早採用的一種無功補償設備，實際上是專門的無功功率發電機。它的優點是可以平滑的改變無功功率的大小和方向，調整電壓平滑，單機容量可以做的較大，因此無功輸出容量基本不會受到限制，更重要的是，它可以有效地支撐電網的電壓提高電網的穩定性 。
展望
同步調相機是一種優良的動態無功補償裝置，是大型電網首選的無功補償設備 [2] 。 同步調相機在20世紀90年代前曾得到長足發展，最大容量達350 MVA，冷卻方式五花八門，結構上異彩紛呈。
近年來，為了應對高壓直流輸電和新能源接入電網帶來的無功調節問題，對大型同步調相機的研製提出了緊迫要求。一方面要充分吸取過去大型調相機研製所積累的經驗教訓;另一方面應注意吸收近30多年來大型同步電機的研究成果(如大型空冷汽輪發電機的研究成果)。針對現代電力系統局部電壓不穩、區域性電壓凹陷等對同步調相機提出的新要求，全面把握現代大型同步調相機的新特點，深入開展科研工作，研製出高能的機組，以充分滿足電力系統的要求。
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