察汗烏蘇水電站機(jī)組無(wú)功功率波動(dòng)分析及處理

王文昕

（國(guó)電新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒841000）

新疆電網(wǎng)因地理位置特殊性，大多為長(zhǎng)距離架空輸電線路，電容效應(yīng)導(dǎo)致全網(wǎng)電壓較高。察汗烏蘇水電站裝機(jī)容量3×110MW，位于新疆和靜縣境內(nèi)，處于南北疆電網(wǎng)交界處，且在電網(wǎng)末端，機(jī)組長(zhǎng)期處于進(jìn)相運(yùn)行。察汗烏蘇水電站機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，常發(fā)生無(wú)功功率規(guī)律性波動(dòng)。本文分析了產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，提出了解決措施，為電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 事件原因分析

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)組有功功率50MW且有功變化量為1～3MW時(shí)，無(wú)功功率波動(dòng)1～3Mvar，無(wú)功功率波動(dòng)正常。調(diào)整機(jī)組有功功率50～110MW過(guò)程中，無(wú)功功率波動(dòng)8～11Mvar，勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁變壓器聲音波動(dòng)明顯，且呈規(guī)律性變化。以察汗烏蘇2號(hào)機(jī)組為分析對(duì)象，從兩個(gè)主要方面分析無(wú)功功率波動(dòng)的原因。

1.1 PSS反調(diào)與功角特性

（1）PSS反調(diào)

根據(jù)PSS數(shù)學(xué)模型可知，當(dāng)機(jī)組電功率或角速度發(fā)生較大變化時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩，提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

某日 10：05～10：10，調(diào)整有功功率 70～110MW 過(guò)程中，無(wú)功功率由-13.8Mvar波動(dòng)至-5.6Mvar，變化量為8.2Mvar。機(jī)組額定無(wú)功功率為68.1Mvar，無(wú)功功率變化量為12%的額定無(wú)功功率，滿足（DL/T1231-2013）電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定試驗(yàn)導(dǎo)則要求。

（2）凸極發(fā)電機(jī)功角特性

分析凸極式發(fā)電機(jī)的功角特性方程為

由公式（1）、（2）可得出

察汗烏蘇水電站交軸同步電抗xq的值為0.707，視在功率SN為125.7MVA，發(fā)電機(jī)額定電壓為13.8kV，察汗烏蘇機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行電壓為13.4kV左右。將無(wú)功功率波動(dòng)的機(jī)組P、Q代入式（3），機(jī)組運(yùn)行功角約25.17°，遠(yuǎn)小于靜穩(wěn)極限值。

綜上所述有功功率調(diào)整時(shí)，導(dǎo)致無(wú)功功率波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象。

1.2 欠勵(lì)限制與恒機(jī)端電壓模式互相影響

某日 13：00：34，機(jī)組有功功率 50MW，機(jī)組無(wú)功功率-30.5Mvar，勵(lì)磁系統(tǒng)欠勵(lì)限制動(dòng)作，無(wú)功功率波動(dòng)1～3Mvar。調(diào)整機(jī)組有功功率50～110MW過(guò)程中，13：02：48有功功率87MW，機(jī)組無(wú)功功率開始呈周期性波動(dòng)，13：06：00波動(dòng)結(jié)束，無(wú)功功率波動(dòng)8～11Mvar。機(jī)組運(yùn)行時(shí)P-Q曲線如圖1所示。

圖1 機(jī)組P-Q曲線

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，P-Q運(yùn)行曲線應(yīng)在欠勵(lì)限制曲線內(nèi)，欠勵(lì)限制曲線應(yīng)在進(jìn)相試驗(yàn)曲線內(nèi)。

由圖1可知，機(jī)組有功功率上升至87MW后，機(jī)組P-Q運(yùn)行曲線沿欠勵(lì)限制曲線呈規(guī)律性波動(dòng)，且在欠勵(lì)限制曲線與進(jìn)相試驗(yàn)曲線之間運(yùn)行。

機(jī)組有功功率上升前，欠勵(lì)限制信號(hào)保持。有功功率上升后，其對(duì)應(yīng)欠勵(lì)限制定值中無(wú)功功率應(yīng)上升，但無(wú)功增加將導(dǎo)致機(jī)端電壓上升，由于勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行在恒機(jī)端電壓模式下，機(jī)端電壓上升經(jīng)反饋調(diào)節(jié)后會(huì)導(dǎo)致無(wú)功減小，以保持機(jī)端電壓恒定，如此反復(fù)即出現(xiàn)無(wú)功波動(dòng)。

2 無(wú)功功率波動(dòng)的后果

機(jī)組在無(wú)功功率波動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，若系統(tǒng)發(fā)生振蕩將加劇波動(dòng)幅度，可能造成以下嚴(yán)重后果：

（1）水輪發(fā)電機(jī)組失步與系統(tǒng)解列。

（2）廠用電壓波動(dòng)造成廠用電設(shè)備損壞。

（3）定子電流過(guò)高造成定子溫度超限。

（4）轉(zhuǎn)子振動(dòng)和過(guò)熱。

（5）勵(lì)磁變電流大幅波動(dòng)造成勵(lì)磁變鐵心損壞。

3 解決方案

針對(duì)上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，考慮可行性，應(yīng)從機(jī)組欠勵(lì)限制和AVC調(diào)節(jié)策略2方面考慮。

3.1 欠勵(lì)限制方面

（1）適當(dāng)增加機(jī)組進(jìn)相裕度，合理開放欠勵(lì)限制曲線。

（2）值班人員手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組無(wú)功功率時(shí)，應(yīng)盡量使機(jī)組不要靠近欠勵(lì)限制曲線運(yùn)行。

3.2 AVC策略方面

目前水電站使用的AVC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。AVC定值中只有一種限值“機(jī)組無(wú)功限值進(jìn)相”，只能固定限制單個(gè)無(wú)功功率值。機(jī)組大負(fù)荷與小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的進(jìn)相能力是不同的，考慮同時(shí)兼顧電網(wǎng)輔助服務(wù)與機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出一種新的AVC進(jìn)相調(diào)節(jié)策略，策略應(yīng)使機(jī)組P-Q運(yùn)行曲線在欠勵(lì)限制曲線內(nèi)，且無(wú)功功率閉環(huán)控制。具體如圖2所示。

圖2 AVC進(jìn)相調(diào)節(jié)策略圖

自動(dòng)電壓控制（AVC）投入時(shí)，應(yīng)考慮AVC分配無(wú)功功率的合理性，確保給機(jī)組分配的無(wú)功功率設(shè)定與欠勵(lì)限制曲線保持適當(dāng)?shù)脑６?。?jīng)過(guò)AVC運(yùn)行策略優(yōu)化后，當(dāng)機(jī)組小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)相能力強(qiáng)，增加無(wú)功補(bǔ)償收入，而機(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)相能力弱，既保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，又保證無(wú)功補(bǔ)償收入。

4 結(jié)語(yǔ)

AGC與AVC廣泛應(yīng)用的今天，造成機(jī)組電壓和無(wú)功功率波動(dòng)的原因越來(lái)越復(fù)雜。本文綜合考慮電站自身的設(shè)備性能特點(diǎn)、機(jī)組運(yùn)行方式、系統(tǒng)運(yùn)行狀況等因素，認(rèn)真分析了機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)PSS、AVC、AVR及欠勵(lì)限制運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率運(yùn)行情況，找到引起波動(dòng)的原因，創(chuàng)新性的提出AVC進(jìn)相調(diào)節(jié)策略，從而提高電網(wǎng)輔助服務(wù)收入和電站安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。