大型水輪發(fā)電機(jī)無功不足的原因分析與處理

毛肖+郭思哲+王慶平+和麗芳

摘要： 本文以云南省華坪縣與四川省攀枝花市的交界處觀音巖電廠為例針對發(fā)電機(jī)額定勵磁電流不能帶額定無功功率的問題進(jìn)行了相關(guān)研究。并對現(xiàn)場情況和機(jī)組無功不足可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，通過仿真、計算、對比、驗(yàn)證，得出了“相同勵磁電流的情況下，機(jī)端電壓升高與定子漏抗增大都將導(dǎo)致機(jī)組的無功出力大幅下降”的結(jié)論，并為此類電廠的今后的運(yùn)行和發(fā)展提出重要的建議。

Abstract： In this paper， a case analysis of Guanyinyan power plant at the junction of Huaping County in Yunnan Province and Panzhihua City in Sichuan Province whose rated field current of the generator can not produce rated reactive power. In addition， the paper analyzes the scene condition and causes of reactive power shortage， through simulation， calculation， comparison and verification， to obtain the conclusion that "Under the same excitation current，increase of terminal voltage and the stator leakage reactance will cause unit reactive power output fell sharply." Finally， some suggestions are put forward by this paper for the future operation and development of this kind of power plant.

關(guān)鍵詞： 無功出力；勵磁電流；定子漏抗

Key words： reactive power；field current；stator leakage reactance

中圖分類號：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0094-03

0 引言

觀音巖水電站為金沙江水電基地中游河段“一庫八級”水電開發(fā)方案的最后一個梯級水電站，位于云南省華坪縣與四川省攀枝花市的交界處，裝機(jī)容量300（5×60）萬千瓦。單獨(dú)運(yùn)行時保證出力47.8萬千瓦，年發(fā)電量122.40億千瓦時，年利用小時4080小時；在上游龍盤水庫投入運(yùn)行后，保證出力139.28萬千瓦，年發(fā)電量136.22億千瓦時，裝機(jī)年利用小時4540小時。工程概算總投資為306.96億元。2015年底觀音巖電廠出現(xiàn)#1發(fā)電機(jī)額定勵磁電流不能帶額定無功功率的問題，這不僅使得機(jī)組的設(shè)備水平降低，而且因電站欠發(fā)無功，將使得觀音巖電廠每年的電費(fèi)收入減少。因此，研究發(fā)電機(jī)無功出力不足的問題，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上都有著現(xiàn)實(shí)意義。

1 對#1機(jī)組無功出力不足的原因分析

1.1 現(xiàn)場情況分析

觀音巖電廠#1機(jī)組自投產(chǎn)以來，一直存在無功出力不足問題。根據(jù)現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)：“中調(diào)下發(fā)I母電壓設(shè)定值為543.8kV；此時#1 發(fā)電機(jī)出口線電壓Uab為20.8kV；#1 發(fā)電機(jī)出口電流Ia為17306.5A；#1發(fā)電機(jī)有功功率為599.8MW；#1發(fā)電機(jī)無功功率為183.4Mvar，#1 發(fā)電機(jī)勵磁電壓為407.3V；#1 發(fā)電機(jī)勵磁電流為3064A”。

整理以上數(shù)據(jù)，機(jī)組額定勵磁電流3064A（2.006pu，根據(jù)廠家說明書，基準(zhǔn)電流取值1527A）；機(jī)端電壓20.8kV（1.04pu）；有功滿載599MW（0.9983pu）；無功功率183.4MVar（0.6311pu，額定無功基準(zhǔn)）。

1.2 無功出力不足可能的原因分析

綜合分析上述的相關(guān)數(shù)據(jù)，初步判斷可能的原因如下：

第一、表計的準(zhǔn)確性問題（該問題請電廠自行排查）；第二、機(jī)組磁飽和所導(dǎo)致（現(xiàn)場機(jī)端電壓明顯高于額定機(jī)端電壓，考慮為磁路飽和所導(dǎo)致）；第三、機(jī)組參數(shù)問題（現(xiàn)場安裝后的機(jī)組漏抗與設(shè)計值存在差異，從而導(dǎo)致定子漏抗與設(shè)計值存在差異）。本文對第二、第三兩條可能的原因加以詳細(xì)分析。

1.3 相同勵磁電流情況下機(jī)端（系統(tǒng)）電壓對機(jī)組無功出力的影響分析

1.3.1 基于Digsilent的仿真計算

考慮現(xiàn)場實(shí)際勵磁電流已經(jīng)達(dá)到額定，且機(jī)端電壓明顯高于機(jī)端額定電壓的實(shí)際情況，在此對相同勵磁電流情況下，不同機(jī)端（系統(tǒng)）電壓與機(jī)組無功之間的對應(yīng)關(guān)系加以仿真驗(yàn)算。

根據(jù)觀音巖電廠的實(shí)際主接線及其機(jī)組的實(shí)際參數(shù)，搭建基于Digsilent仿真模型如圖1所示。

以上仿真模型通過調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行電壓，將機(jī)組電壓Ut、機(jī)組有功P、機(jī)組無功Q等全部調(diào)整為額定工況，計算得到此時的勵磁電流為2.0pu（Ifdbase=1527A），即：機(jī)組額定勵磁電流、機(jī)組額定電壓的情況下，機(jī)組有功、無功功率同樣為額定。

對應(yīng)機(jī)組參數(shù)中，機(jī)組飽和系數(shù)Sg1.0=0.152，Sg1.2=0.575（與現(xiàn)場實(shí)測值基本相同）；固定參數(shù)的情況下，調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行電壓，得到如表1結(jié)果。

從表1可知：在不同機(jī)端電壓的情況下，為了達(dá)到額定機(jī)組額定出力（有功與無功），所需要的勵磁電流隨著機(jī)端電壓的升高而升高。例如：當(dāng)現(xiàn)場機(jī)端電壓為1.0462pu的情況下，為了使機(jī)組達(dá)到額定的有功與無功出力，所需要的勵磁電流將達(dá)到2.114pu（基準(zhǔn)勵磁電流Ifdbase=1527A），該數(shù)值明顯大于機(jī)端電壓情況下同樣工況所需的勵磁電流。

由表2可以看到，在機(jī)組勵磁系統(tǒng)額定勵磁電流輸出的情況下，機(jī)組由于機(jī)端電壓的上升，磁路的飽和，導(dǎo)致機(jī)組輸出的無功功率呈現(xiàn)下降趨勢。例如：根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際數(shù)據(jù)，當(dāng)機(jī)組機(jī)端電壓為現(xiàn)場電壓20.8kV（1.04pu）的情況下，同樣機(jī)組的額定勵磁電流，機(jī)組此時能夠發(fā)出的最大無功為233.4MVar，比額定無功功率下降56.16MVar。

物理解釋為機(jī)組的勵磁電流包含兩部分，即用于補(bǔ)償機(jī)組無功去磁效應(yīng)的勵磁電流與建立發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的部分。隨著機(jī)端電壓的升高，由于磁路的飽和，相同勵磁電流中用于建立升高后的機(jī)端電壓部分所需的勵磁電流部分增大，必然導(dǎo)致用于抵消遲相無功去磁效應(yīng)的勵磁電流部分降低，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組的無功出力隨著機(jī)端電壓的上升而降低的現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.3.2 基于機(jī)組EQ-Xq模型的計算

以下的標(biāo)么值計算，以發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)，機(jī)端和系統(tǒng)側(cè)基準(zhǔn)電壓分別為20和550kV，主變電抗已經(jīng)折算為發(fā)電機(jī)額定容量基準(zhǔn)。

從上述計算結(jié)果看，在相近的轉(zhuǎn)子電流下（機(jī)組等值內(nèi)電勢EQ在1.44標(biāo)么值附近），機(jī)組能夠輸出額定無功功率，則系統(tǒng)側(cè)電壓須降低到518kV左右。

機(jī)組與系統(tǒng)之間的無功流動，取決于機(jī)組（內(nèi)電勢）與系統(tǒng)之間的電壓差，這里的計算也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，這樣，即使機(jī)組勵磁系統(tǒng)出力已經(jīng)達(dá)到額定，但由于系統(tǒng)電壓偏高，實(shí)際上機(jī)組也不能輸出額定無功。

1.4 機(jī)組漏抗（安裝工藝導(dǎo)致的現(xiàn)場實(shí)際氣隙與設(shè)計值存在差異）對機(jī)組無功出力的影響

為了說明問題，僅僅就發(fā)電機(jī)定子漏抗部分進(jìn)行仿真驗(yàn)算。具體數(shù)據(jù)可以聯(lián)系相關(guān)單位對機(jī)組現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)測，進(jìn)而加以綜合判斷。

為了驗(yàn)證機(jī)組氣隙差異對機(jī)組無功出力的影響，本節(jié)采用圖1中所建立的仿真模型，開展相關(guān)的仿真驗(yàn)算（仿真驗(yàn)算中，機(jī)組參數(shù)除機(jī)組定子漏抗改變外，其余參數(shù)完全按照設(shè)計值加以驗(yàn)算）。

從表6可以看到：當(dāng)機(jī)組現(xiàn)場定子漏抗與設(shè)計值呈現(xiàn)差異的情況下（由于該機(jī)組本身氣隙較小，設(shè)計值為26.5mm，如果現(xiàn)場稍微出現(xiàn)點(diǎn)偏差，將對機(jī)組氣隙產(chǎn)生較大影響），當(dāng)氣隙增大，定子漏抗增大的情況下，相同勵磁電流所能夠發(fā)出的無功呈現(xiàn)下降趨勢。

2 綜合仿真驗(yàn)證

以上分析就定子電壓升高、氣隙與設(shè)計值偏差導(dǎo)致機(jī)組定子漏抗增大兩個方面，通過仿真計算，得到了：相同勵磁電流的情況下，機(jī)端電壓升高與定子漏抗增大都將導(dǎo)致機(jī)組的無功出力大幅下降。

本文綜合兩個影響因素，通過仿真分析，判斷觀音巖電廠#1機(jī)組的現(xiàn)場實(shí)際情況。仿真參數(shù)設(shè)定：機(jī)端電壓與現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行值相同（20.8kV，1.04pu），定子漏抗0.2286pu（設(shè)計值0.1686pu），其余參數(shù)與機(jī)組設(shè)計參數(shù)完全相同。

通過仿真計算，機(jī)組額定勵磁電流2pu的情況下（3054A），上述工況機(jī)組最大無功出力只能達(dá)到189.1MVar，與現(xiàn)場基本一致。

3 結(jié)論

本文根據(jù)觀音巖電廠#1機(jī)組的無功出力不足問題的現(xiàn)場實(shí)際情況，綜合分析，得到如下結(jié)論：

第一、系統(tǒng)電壓高進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)端電壓偏離額定電壓是導(dǎo)致機(jī)組額定勵磁電流情況下機(jī)組無功出力不能達(dá)到額定的重要影響因素，且仿真結(jié)果及理論分析顯示：由于機(jī)組磁路飽和的原因，機(jī)端電壓越高，相同勵磁電流的情況下機(jī)組的無功出力將越小，為了解決該問題，建議電廠在條件允許的情況下增大變壓器變比，從而在相同系統(tǒng)電壓的情況下降低機(jī)端電壓，使機(jī)組無功出力增大。

第二、仿真及理論分析顯示：機(jī)組氣隙的增大將導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子漏抗的增大，將進(jìn)一步導(dǎo)致相同勵磁電流情況下機(jī)組無功出力的降低，考慮現(xiàn)場的實(shí)際情況，該現(xiàn)象最可能出現(xiàn)，為此建議電廠聯(lián)系相關(guān)單位開展機(jī)組電氣參數(shù)的實(shí)測，研究機(jī)組實(shí)際參數(shù)與設(shè)計參數(shù)之間的差異，盡早開展機(jī)組無功出力不足的原因，使機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計指標(biāo)，保障電廠自身的利益與機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

第三、建議電廠在條件具備的情況下重現(xiàn)工況，對現(xiàn)場實(shí)際情況加以確認(rèn)（監(jiān)控、勵磁柜），排除測量表計及功率計算方法缺陷可能導(dǎo)致的無功數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情況。

第四、為了使機(jī)組達(dá)到額定運(yùn)行工況（額定機(jī)端電壓、有功、無功、勵磁電流），建議電廠在條件成熟的情況下，可以考慮在勵磁調(diào)節(jié)柜內(nèi)將當(dāng)前機(jī)組的調(diào)差加以調(diào)整，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果重新整定機(jī)組調(diào)差系數(shù)。

第五、機(jī)組勵磁電壓的大小與機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組電流、直阻、轉(zhuǎn)子繞組溫度緊密相關(guān)，且機(jī)組廠家在產(chǎn)品設(shè)計說明書中明確機(jī)組額定勵磁電壓必須滿足勵磁電流為額定，轉(zhuǎn)子繞組溫度為115度兩個條件，因此現(xiàn)場出現(xiàn)的額定勵磁電流與額定勵磁電壓不對應(yīng)可能由于轉(zhuǎn)子繞組溫升效應(yīng)所導(dǎo)致，建議電廠聯(lián)系機(jī)組廠家加以確認(rèn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周統(tǒng)中.歐陽海電站處理無功出力不足的措施[J].水力發(fā)電，1984（11）：48-49.

[2]張孝勇.河口電站1號發(fā)電機(jī)組出力不足的原因分析與處理[J].水電站機(jī)電技術(shù)，1999（4）：9-11.

[3]王初銘.大型水輪發(fā)電機(jī)無功出力不足的原因分析與解決措施[J].大電機(jī)技術(shù)，1997（3）：1-6.

[4]王錫凡.電氣工程基礎(chǔ)[M].二版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[5]劉寶貴.發(fā)電廠變電所電氣部分[M].二版.北京：中國電力出版社，2012.

[6]水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊[M].

[7]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院編.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.