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

根據電力發展“十三五”規劃，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電規模都在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調峰增加壓力和困難外，也給系統的安全穩定運行增加了風險：系統的頻率穩定性下降，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，這也成為現階段特高壓直流無法充分發揮其輸送能力的主要原因之一。

 

采用新型電網技術是解決新能源跨區輸送問題的重要手段，從針對的問題和應用的場景，這些新型電網技術可以分為兩大類：一類輔助新能源提升抗擾性能和對系統的正向作用力，從而增強特高壓直流輸送能力，如大容量調相機、虛擬同步機技術等，這類技術主要解決“存量”問題；另一類則側重于從戰略的角度，替代傳統的輸電方式，提升輸電技術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/直流電網技術等，這類技術主要解決“增量”問題。

 

大容量調相機技術

 

1、概念介紹

 

調相機實際上就是只發無功的發電機，除了原動機及其相關設備，發電機該有的它都有。同步調相機在需要時向系統快速提供或吸收無功功率。調相機是旋轉式的動態無功補償設備，具有大容量、少維護的特點。

 

2、基本原理和技術特點

 

調相機的構成如圖1所示。

 

調相機技術特點：

 

1） 兩種運行工況：調相機可以遲相（發無功）、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。

 

 2） 三種出力特性：次暫態特性（毫秒級響應，可以提供大量瞬時無功支撐電網電壓，抑制直流換相失敗）、暫態特性（秒級響應，通過強勵，迅速為系統提供無功，響應速度滿足系統穩定需求）、穩態特性（分鐘級，具備長期深度進相能力，可以穩定吸收無功功率）。

 

與靜止型無功補償的特性比較如下表所示。

 

3、國內外研究現狀

 

為了滿足我國電網對于調相機大容量、快出力等特性需求，我國調相機制造企業研制了新型大容量調相機。與傳統調相機相比，新型調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）新型調相機大幅減小了直軸次暫態電抗Xd”的設計值，傳統調相機Xd”在0.25左右，經過特殊設計減少至0.15，提高了次暫態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） 調相機的無功響應速度主要與勵磁系統強勵倍數及直軸短路暫態時間常數Td’有關。新型調相機將勵磁系統的強勵倍數由以往的2倍提高至3.5倍。同時，大幅降低Td’的設計值，使調相機的無功響應速度得到了大幅提升。

 

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

 

4、應用情況或示范工程 

 

國外從上世紀五十年代開始有多個國家應用調相機提高系統的穩定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等國家在大規模水電基地遠距離外送的受端變電站加裝調相機。法國、日本電網早期使用調相機較多，隨著電網網架加強和電源增加，法國調相機沒有新的增加。日本東京地區在1987年7月23日發生靜態電壓崩潰事故后，增加了抽水蓄能、調相機和SVC等動態無功補償裝置。調相機在國外主要應用于遠距離輸電系統（含受端電網）和直流受端系統。

 

1）遠距離輸電系統（含受端電網）

 

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

 

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

 

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

 

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

 

2）直流受端系統

 

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

 

巴西：美麗山水電站（裝機1100萬kW）經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相機（2×15Mvar）。

 

在我國，調相機應用歷史比較悠久，后來隨著電力電子裝置技術的成熟和調相機設備老化，靜止型動態無功補償裝置（SVC、STATCOM等）逐漸替代了調相機的應用，在廠網分家后，調相機在電網中的應用就沒有發展。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等動態無功補償設備對于次暫態出力需求（預防換相失敗）及暫態下的快速大容量無功需求（協助直流快速恢復）響應能力不足，而調相機的進相能力、次暫態出力特性及強勵能力則正好能符合上述需求。因此調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。由于缺乏足夠的電源支撐，系統短路容量低，容易造成暫態過電壓，調相機的快速進相能力可協助其抑制過電壓。圖2為某直流換流站安裝2臺300MVar調相機前后的電壓曲線。

 

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

 

目前，國家電網公司已經規劃在22個站點，安裝45臺300Mvar調相機。一般在特高壓直流受端逆變站配置2臺調相機，輸送新能源的特高壓直流送端換流站配置2臺調相機。