水輪發(fā)電機進相運行功角計算與試驗驗證

鄭宇明，韓臨慧

（1.山西電力科學研究院，山西 太原 030001；2.太原供電分公司，山西 太原 030012）

水輪發(fā)電機進相運行功角計算與試驗驗證

鄭宇明1，韓臨慧2

（1.山西電力科學研究院，山西 太原 030001；2.太原供電分公司，山西 太原 030012）

介紹了水輪機的特性，詳細分析了水輪發(fā)電機的功角特性，提出一種功率角的計算方法，并對功率角計算值和實測值的差值做出對比分析。

水輪發(fā)電機；進相運行；功角分析

0 引言

功角是表征同步發(fā)電機運行狀態(tài)和判別電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要參量。它的改變要引起有功功率及無功功率的改變。在發(fā)電機進相運行時，伴隨著進相深度的增加，發(fā)電機功角不斷拉大，靜穩(wěn)定極限也隨之下降。因此，發(fā)電機功角同時是影響機組進相深度、控制發(fā)電機進相運行的重要指標。

1 水輪發(fā)電機特性

水輪發(fā)電機組作為一個整體，水輪機和發(fā)電機的特性是緊密相連的。水輪發(fā)電機是凸極式發(fā)電機。

1.1 凸極式發(fā)電機特性

氣隙不均勻，有明顯的磁極，轉子鐵芯短粗。凸極同步電動機轉子有明顯的磁極，轉子磁極中心線附近氣隙最小，磁阻最小，磁導最大；而在轉子磁極幾何中心線處氣隙最大，磁阻最大，磁導最小，所以磁通所走的路徑不同，所遇的磁阻不同，對應的電抗參數(shù)也就不同。

1.2 凸極式發(fā)電機的功角特性

凸極式發(fā)電機的功角特性方程為[1]

由公式 （1）、（2）可得出

式中：Eq——空載電勢；

xd、xq——發(fā)電機直交軸同步電抗；

U——機端電壓；

δ——功率角。

公式（1）可以表示為

公式（4）中第一部分PE1是主電磁功率或基本電磁功率，第二部分PE2是磁阻功率或附加電磁功率，由于水輪發(fā)電機是凸極同步發(fā)電機,直軸和交軸同步電抗不相等（xd≠xq）,因此出現(xiàn)了一個按兩倍功率角的正弦sin 2δ變化的功率分量。見圖1，PE1與功角之間的關系見曲線1所示，PE2與功角之間的關系如圖曲線2所示，圖中曲線3是凸極同步電動機的功角特性，它是曲線1和曲線2的合成，由圖1可知磁阻功率的存在將使功角特性曲線畸變，從而使功率極限增加，使合成的電磁功率PEq的最大值移向δ＜90°的一側,故使靜穩(wěn)定極限δ＜90°，約為75°左右。由于機端電壓不能維持恒定,假如x不變,則在一定的有功功率下，功角將隨著機端電壓的下降而增大，從而使電機更易失步。據(jù)一些水電廠的試驗觀察得知[2]，水輪發(fā)電機失去穩(wěn)定的功角不是在90°，而是在65°～70°。

圖1 以Eq表示時凸極式發(fā)電機的有功功率功角特性曲線

2 水輪發(fā)電機功角的計算方法及計算實例

水輪發(fā)電機進相運行試驗前，要對其靜態(tài)穩(wěn)定極限進行計算，初步確定其可能達到的進相深度，為制定試驗方案提供依據(jù)。功角計算是靜態(tài)穩(wěn)定極限計算的主要內(nèi)容。

2.1 水輪發(fā)電機功角的計算方法

水輪發(fā)電機一般是凸極式發(fā)電機，根據(jù)其功角特性方程，可以求出其在進相運行各工況下的功角，下面對這一方法進行詳細分析。

凸極式發(fā)電機功角特性方程包含有Eq（空載電勢）、xd（發(fā)電機直軸同步電抗）、xq（發(fā)電機交軸同步電抗）、U（機端電壓）、δ（功率角）等參數(shù)。在工程實際中，一般認為Eq、δ為未知量，其余的為已知量。

在確定了試驗水輪發(fā)電機的情況下，xd、xq就已經(jīng)確定，并且在整個試驗過程中，基本保持不變。而在不同的試驗工況下，機端電壓將是不斷變化的。求出準確的機端電壓就成為確定功角的關鍵。利用BPA潮流計算程序計算不同的試驗工況下機端電壓的變化情況，是一種可行的方法，具體做法概括如下。

確定試驗進行時的電網(wǎng)網(wǎng)架結構，詳細考慮該地區(qū)的電網(wǎng)運行方式及水電站并網(wǎng)時的負荷水平。由于機組進相試驗發(fā)電機有功功率P、無功功率Q是確定的，因此通過潮流計算可得出相對應P、Q下機組的機端電壓U。

在已知發(fā)電機的P、Q、U的情況下，根據(jù)凸極式發(fā)電機功角特性方程（3），可求出發(fā)電機各時刻所對應的發(fā)電機功率角。

2.2 水輪發(fā)電機功角的計算實例

山西某水電站，機組型號為單級混流可逆式水泵水輪機，額定有功功率300 MW機組，容量333.3 MVA，功率因數(shù)為0.9，同步電抗xq=0.74，xd=1.10，定子電壓18 kV，定子電流10 691 A。機組經(jīng)升壓變壓器升壓到500 kV，以一條500 kV線路接入山西電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)。經(jīng)過計算，進相試驗各工況下的功角值見表1。

表1 計算功角值

3 水輪發(fā)電機功角的實測方法及實測值

在進相試驗中，功角的準確測量是保證試驗安全進行的關鍵。在試驗中，應用功角測試儀進行功角測量。具體方法如下。

在水輪發(fā)電機分步啟動過程中，在并網(wǎng)前，額定轉速及額定機端電壓的工況下，測量水輪發(fā)電機機端電壓和轉速信號之間的夾角。

水輪發(fā)電機并網(wǎng)后，在不同的運行點，再次測量水輪發(fā)電機機端電壓和轉速信號之間的夾角。兩次夾角測量的差值（取正數(shù)）就是水輪發(fā)電機在各個運行點的實測功角。

用功角測試儀器測量發(fā)電機功率角結果見表2所示。

表2 發(fā)電機實測功角值

4 計算功角與實測功角的比較

對計算功角與實測功角的數(shù)值進行比較，計算功角與實測功角的誤差情況見表3。

表3 發(fā)電機功角差值

Δδ=計算值-實測值。

功率角偏差率曲線圖詳見圖2。

圖2 功率角的偏差率曲線

5 結論

a）計算功率角與實測功率角之間有一定差距，經(jīng)分析與下列因數(shù)有關：潮流程序中計算網(wǎng)絡的負荷、電壓和實際網(wǎng)絡之間的誤差；計算中采用的發(fā)電機同步電抗值為銘牌值，該值是固定不變的，而機組進相運行時的發(fā)電機同步電抗值是變化的，兩者之間存在一定誤差；公式（1）、（2） 的推導過程中，略去定子繞組電阻，存在計算誤差；功角測量儀器本身的測量誤差。

b）隨進相深度的增加，功角也隨著增大，但變化范圍不大，小于45°，滿足運行要求。計算值與實測值的功率角差值P=120 MW，在1.3～1.7°之間，誤差率最大為14.2%，最小為6.8%；P=180 MW在2.8～3.4°之間，誤差率最大為17.4%，最小為10.8%。通過兩者結果比較，進相潮流計算結果對實際發(fā)電機進相試驗或運行具有一定的參考價值。

［1］ 南京工學院.電力系統(tǒng)[M].北京：電力工業(yè)出版社，1979:433-440.

［2］ 康健.水輪發(fā)電機進相試驗及功角測量［J］.貴州水利發(fā)電，2000，14（4）：71-73.

The Calculation of Power Angle and the Validation Test of Leading Phase Operation of Hydrogenerator

ZHENG Yu-ming1，HAN Lin-hui2
（1.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China；
2.Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030012，China）

It introduces the characteristics of hydroenerators and analyses the features of its angles in detail.It puts forward a method for angle calculation,and analysis is done on the discrepancy between the angle value calculated and measured.

hydrogenerator；leading phase operation；angle analysis

TM761＋.1

B

1671-0320（2011）04-0047-03

2011-04-11，

2011-05-23

鄭宇明（1973-），男，山西大同人，2005年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；

韓臨慧（1980-），女，山西洪洞人，2007年畢業(yè)于天津大學電氣工程及其自動化專業(yè)，助理工程師，從事變電運行工作。