大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力的研究

任 杰

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠(yuǎn)511853）

1 引言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)為單元接線，采用了東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司生產(chǎn)的320MW水輪發(fā)電機(jī)組，勵(lì)磁方式是機(jī)端自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是ABB公司生產(chǎn)的UNITROL-6800型數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。開機(jī)時(shí)勵(lì)磁為他勵(lì)可控硅勵(lì)磁，由廠用電給勵(lì)磁供電，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用自并勵(lì)勵(lì)磁。

因輸電網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)無功增多，如220kV、330kV和500kV級的架空線路，每公里對地的容性無功分別為130kvar、400kvar和1000～1300kvar。為彌補(bǔ)系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)的無功不足，在電網(wǎng)中還裝設(shè)了一定數(shù)量的電容器，這些電容器有時(shí)難以適應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)電壓的需要而及時(shí)投切。因此，在節(jié)假日或午夜等系統(tǒng)負(fù)荷處于低谷時(shí)，其過剩無功必然導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高，甚至超過運(yùn)行電壓允許的規(guī)定值，不僅影響供電的電壓質(zhì)量，還會(huì)使電網(wǎng)損耗增加，經(jīng)濟(jì)效益下降。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能吸收網(wǎng)絡(luò)過剩的無功功率，降低系統(tǒng)電壓。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是結(jié)合電力生產(chǎn)需要而采用的切實(shí)可行的運(yùn)行技術(shù)，它可使發(fā)電機(jī)由改變運(yùn)行工況而達(dá)到降壓的目的。僅是利用系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備增加的一種調(diào)壓手段，便可擴(kuò)大系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)范圍，改善電網(wǎng)電壓的運(yùn)行狀況。該方法操作簡便，在發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行限額范圍內(nèi)運(yùn)行可靠，其平滑無級調(diào)節(jié)電壓的特點(diǎn)，更顯示了它調(diào)節(jié)電壓的靈活性，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量最有效而又經(jīng)濟(jì)的必要措施之一。

按照調(diào)度部門的要求，中國電力科學(xué)研究院在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站和ABB公司的配合下于2016年7月完成該機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)工作。

本文以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組為例，介紹大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)的研究。

2 試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

生產(chǎn)廠家：東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司

型號(hào)：SFD320/331-14/6570

額定視在功率：356MVA

額定有功功率：320MW

額定定子電壓：15.75kV

額定定子電流：13050A

額定功率因數(shù)：0.9（滯后）

額定勵(lì)磁電流：1770A

額定勵(lì)磁電壓：280V

額定空載勵(lì)磁電流：127A

額定空載勵(lì)磁電壓：1015V

額定轉(zhuǎn)速：428.6r/min

2.2 主變參數(shù)

生產(chǎn)廠家：衡陽變壓器有限公司

型號(hào)：SSP-380000/500

容量：380MVA

阻抗電壓：14.34%

高壓側(cè)電壓：525kV

低壓側(cè)電壓：15.75kV

分接頭位置：三分接

2.3 主要限制條件

在機(jī)組進(jìn)相能力測試過程中，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)達(dá)到以下指標(biāo)時(shí)，應(yīng)立即停止減磁。

（1）機(jī)組定子電壓不得低于額定電壓15.75kV的95%。

（2）機(jī)組定子電流不大于額定電流（13050A）。

（3）機(jī)組定子鐵心和端部構(gòu)件溫度不超過105℃。

（4）機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度保持在35～45℃，出風(fēng)溫度不超過80℃。

（5）機(jī)組定子的內(nèi)冷水進(jìn)水溫度41～48℃、出水溫度不大于85℃。

（6）機(jī)組10kV廠用電壓不低于9.5kV。

（7）機(jī)組400V廠用電壓不低于361V。

（8）理論計(jì)算極限功角如表1所示。

表1 理論計(jì)算極限功角

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)電廠運(yùn)行工況，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行。

進(jìn)相試驗(yàn)在機(jī)組處于發(fā)電工況、調(diào)相工況和泵工況3種工況方式下進(jìn)行，且機(jī)組沒有帶廠用電源（高廠變運(yùn)行）運(yùn)行。

(1)機(jī)組處于發(fā)電工況，帶160MW有功，機(jī)組未帶廠用電源（高廠變運(yùn)行），發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度為-108Mvar，限制條件為機(jī)端電壓，機(jī)端電壓接近95%限制。

(2)機(jī)組處于發(fā)電工況，帶240MW有功，機(jī)組未帶廠用電源（高廠變運(yùn)行），發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度為-108Mvar，限制條件為機(jī)端電壓，機(jī)端電壓接近95%限制。

(3)機(jī)組處于發(fā)電工況，帶302MW有功，機(jī)組未帶廠用電源（高廠變運(yùn)行），發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度為-91.07Mvar，限制條件為機(jī)端電壓，機(jī)端電壓接近95%限制。

(4)機(jī)組處于發(fā)電調(diào)相工況，有功功率接近0，機(jī)組未帶廠用電源（高廠變運(yùn)行），發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度為-121.45Mvar，限制條件為機(jī)端電壓，機(jī)端電壓接近95%限制。

(5)機(jī)組處于抽水調(diào)相工況，有功功率接近0，機(jī)組未帶廠用電源（高廠變運(yùn)行），發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度為-115.98Mvar，限制條件為機(jī)端電壓，機(jī)端電壓接近95%限制。

（6）機(jī)組處于泵工況，有功功率-314MW，機(jī)組未帶廠用電源（高廠變運(yùn)行），發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度為-91.02Mvar，限制條件為機(jī)端電壓，機(jī)端電壓接近95%限制。

以下為機(jī)組在各工況下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)電氣量及各部分溫度的變化情況。

3.1 發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)

發(fā)電機(jī)在各種工況下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)電氣量變化情況見表2。

發(fā)電機(jī)定子電壓、定子電流變化規(guī)律正確。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的變化規(guī)律與發(fā)電機(jī)無功功率相符。

發(fā)電機(jī)功角是本次試驗(yàn)中重點(diǎn)觀察的一個(gè)量，它隨發(fā)電機(jī)有功功率增加及發(fā)電機(jī)進(jìn)相無功功率的增加而增大。如上所有工況下的功角皆小于試驗(yàn)允許極限功角，所以在上述試驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)相運(yùn)行不會(huì)對發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

3.2 廠用電壓

發(fā)電機(jī)在各種工況下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，10kV廠用電源電壓變化情況見表3。

由于廠用電由2號(hào)機(jī)組高壓側(cè)母線供電，因此廠用電電壓變化很小。

試驗(yàn)過程中10kV廠用電源電壓最低10.1kV，未達(dá)到試驗(yàn)允許的電壓最低值9.5kV。

3.3 母線電壓

發(fā)電機(jī)在各種工況下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，500kV母線電壓變化情況見表4。

表2 發(fā)電機(jī)電氣量變化情況

表3 10kV廠用電源電壓變化情況

表4 500kV母線電壓變化情況

500kV母線電壓隨無功功率進(jìn)相的加深而呈下降的趨勢。

3.4 發(fā)電機(jī)冷、熱風(fēng)溫度

發(fā)電機(jī)在各種工況下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)冷、熱風(fēng)溫度變化情況見表5。

從表5中可以看出，發(fā)電機(jī)熱風(fēng)溫度隨發(fā)電機(jī)有功功率的增加，呈緩慢上升趨勢，受進(jìn)相深度的影響較小，且最終溫度也小于規(guī)程中允許的發(fā)電機(jī)出風(fēng)溫度80℃，不影響機(jī)組的正常進(jìn)相運(yùn)行。

表5 發(fā)電機(jī)冷、熱風(fēng)溫度變化情況

3.5 發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度

發(fā)電機(jī)在各種工況下進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度變化情況見表6。

表6 發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度變化情況

發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度隨發(fā)電機(jī)有功功率的增加，呈緩慢上升趨勢。發(fā)電機(jī)進(jìn)相無功功率的增加，對鐵心溫度影響較小。最高溫度80.8℃，小于規(guī)程中允許的定子鐵心溫度105℃。

3.6 調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制功能校核

3.6.1 靜態(tài)特性

進(jìn)相試驗(yàn)完成后，將低勵(lì)限制定值整定好。緩慢地減少機(jī)組勵(lì)磁電流，當(dāng)機(jī)組進(jìn)相無功功率接近低勵(lì)限制定值時(shí)，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低勵(lì)限制環(huán)節(jié)可靠動(dòng)作，調(diào)節(jié)器顯示屏上有欠勵(lì)限制信號(hào)顯示，繼續(xù)減磁，機(jī)組勵(lì)磁電流不再減少，進(jìn)相無功功率不再增加，證明該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制環(huán)節(jié)靜態(tài)特性正確。

3.6.2 動(dòng)態(tài)特性

發(fā)電機(jī)在低勵(lì)限制線以上進(jìn)相運(yùn)行，進(jìn)行機(jī)端電壓2%下階躍，記錄發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率以及勵(lì)磁電壓等電氣量。

低勵(lì)限制功能校核錄波曲線如圖1所示。

圖1 低勵(lì)限制曲線校核錄波曲線

試驗(yàn)表明，無功功率進(jìn)相到低勵(lì)限制線時(shí)，低勵(lì)限制動(dòng)作，使得機(jī)組保持在低勵(lì)限制值（試驗(yàn)時(shí)暫時(shí)設(shè)置為-50Mvar）以上運(yùn)行，表明該機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性正確。

4 低勵(lì)限制曲線整定

ABB的UNITROL-6800勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，低勵(lì)限制定值只能設(shè)置成一套參數(shù)，試驗(yàn)時(shí)將發(fā)電工況的定值整定好，泵工況的整定值與發(fā)電工況的對稱。調(diào)節(jié)器中最終整定值如表7所示。

表7 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制環(huán)節(jié)整定值

折算后相當(dāng)于表8和圖2。

表8 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制環(huán)節(jié)整定值（折算后）

圖2 實(shí)際低勵(lì)限制曲線（折算后）

5 結(jié)論和建議

（1）通過進(jìn)相試驗(yàn)可以看出，清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)具有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)相運(yùn)行的能力，在電網(wǎng)需要時(shí)，該機(jī)組可以進(jìn)相運(yùn)行。

（2）通過對本次進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，在此次試驗(yàn)條件下，4號(hào)發(fā)電機(jī)在表7設(shè)定的進(jìn)相深度范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)鐵心溫度、進(jìn)出風(fēng)溫度及功角等均有足夠的裕度。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制環(huán)節(jié)工作正常。

（4）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器當(dāng)前整定的低勵(lì)限制值如表7所示。實(shí)際低勵(lì)限制曲線定值應(yīng)以調(diào)度根據(jù)進(jìn)相試驗(yàn)結(jié)果核準(zhǔn)的定值為準(zhǔn)。

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