發(fā)電機(jī)進(jìn)相和欠勵(lì)限制研究與應(yīng)用

周美英，劉喜泉，孫宏軍，孫 濤

(1.國(guó)電電力山東新能源開發(fā)有限公司，山東 煙臺(tái) 264003；2.溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 6573001；3.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)容量飛速增大，在系統(tǒng)負(fù)荷處于低谷時(shí)，尤其是在節(jié)假日、午夜時(shí)間，系統(tǒng)線路產(chǎn)生無功功率過剩，使得電力系統(tǒng)的母線電壓偏高，以至接近或超過系統(tǒng)運(yùn)行電壓的上限值，嚴(yán)重地影響著送變電設(shè)備和用電設(shè)備的安全運(yùn)行。

一般情況下，可采用并聯(lián)電抗器或同步調(diào)相機(jī)來吸收剩余的無功功率，但增加了設(shè)備投資，且在運(yùn)行使用上有一定的局限性。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮，利用發(fā)電機(jī)，尤其是大型發(fā)電機(jī)組通過進(jìn)相運(yùn)行，吸收系統(tǒng)過剩的無功功率，是一項(xiàng)切實(shí)有效的方法[1-4]。所謂發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是指發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出有功功率的同時(shí)，通過調(diào)整勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)入欠勵(lì)運(yùn)行，從系統(tǒng)吸收無功功率的運(yùn)行狀態(tài)[5]。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行不需要額外增加設(shè)備投資，只要改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行工況，使發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，即可達(dá)到平衡系統(tǒng)無功功率和調(diào)整系統(tǒng)電壓的目的，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。客觀準(zhǔn)確掌握發(fā)電機(jī)組的進(jìn)相能力是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。然而發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行，會(huì)使其靜態(tài)穩(wěn)定性能降低，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失去穩(wěn)定而不能同步運(yùn)行，因此必須通過進(jìn)相試驗(yàn)確定發(fā)電機(jī)的進(jìn)相能力及相關(guān)控制措施確保發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的安全性。

1 發(fā)電機(jī)組進(jìn)相影響因素分析

依據(jù)《同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則DL/T 1523》中規(guī)定，發(fā)電機(jī)組的進(jìn)相能力主要是由發(fā)電機(jī)定子端部溫升、定子電流、定子電壓、發(fā)電機(jī)功角、廠用電電壓、系統(tǒng)母線電壓限制等共同確定的，在不同有功功率下發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相深度[6]。為了確保發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的安全性，通過設(shè)定發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中欠勵(lì)限制定值，確定在不同有功功率下發(fā)電機(jī)吸收無功功率的最大值。下面對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行分析。

1.1 發(fā)電機(jī)定子端部溫升

發(fā)電機(jī)定子端部溫升主要是指定子鐵芯、繞組及齒壓板、壓指的溫升，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。端部溫升主要由定子鐵芯損耗、繞組銅損、端部漏磁通等因素決定，發(fā)電機(jī)在進(jìn)相時(shí)，勵(lì)磁電流會(huì)減小，勵(lì)磁繞組端部漏磁場(chǎng)會(huì)減弱，勵(lì)磁繞組的漏磁場(chǎng)磁路磁阻會(huì)減小，使定子端部漏磁場(chǎng)會(huì)增大，鐵損加大，致使定子端部會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱。這與發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造工藝密切相關(guān)，達(dá)到該限制條件的進(jìn)相能力基本就是發(fā)電機(jī)本身進(jìn)相能力，無法提升進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)定子鐵芯和繞組、齒壓板、壓指等溫升應(yīng)不超過機(jī)組運(yùn)行規(guī)程或GB755、GB/T7064、GB/T7894中的規(guī)定。發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度大小多數(shù)情況不受該條件限制。

圖1 發(fā)電機(jī)定子端部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 發(fā)電機(jī)功角

發(fā)電機(jī)功角穩(wěn)定是發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的三要素之一。發(fā)電機(jī)功角δ即在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)E0與端電壓Ug之間的夾角[7]，如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)電勢(shì)及功角向量圖

圖2中：XS為發(fā)電機(jī)同步電抗(電樞反應(yīng)電抗和定子端部漏電抗之和)；Ig為發(fā)電機(jī)定子電流；Rg為發(fā)電機(jī)定子繞組電阻。

由于隱極發(fā)電機(jī)輸出有功功率計(jì)算公式如下：

由于靜穩(wěn)需要，因此其極限功角δ最大為90°，為確保隱極發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全，依據(jù)DL/T1164的規(guī)定，隱極發(fā)電機(jī)的功角δ宜不大于70°，而凸極發(fā)電機(jī)的輸出功率輸出功率計(jì)算公式如下式所示：

式中：Xd為直軸同步電抗；Xq為交軸同步電抗。

由于凸機(jī)發(fā)電機(jī)Xd與Xq不相等，其最大極限功角小于90°，且其極限功角隨著有功功率的減小而降低，在不同有功功率、不同定子電壓下，極限功角[6]δ如圖3所示。

圖3 凸機(jī)發(fā)電機(jī)在不同系統(tǒng)電壓下的極限功角圖

因此試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)及主變壓器參數(shù)計(jì)算極限功角，在進(jìn)相試驗(yàn)過程中，功角應(yīng)比極限功角留有10°～20°的安全裕度。

1.3 定子電壓、電流、廠用電電壓及母線電壓

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，定子電壓應(yīng)不低于其90%額定值，定子電流應(yīng)不超過其額定值，廠用電電壓一般應(yīng)不低于負(fù)載額定電壓的95%。母線電壓應(yīng)在電力系統(tǒng)運(yùn)行安全范圍，具體以調(diào)度給定范圍為準(zhǔn)，一般帶有廠用電的機(jī)組比不帶廠用電的機(jī)組，其進(jìn)相深度會(huì)淺。

2 發(fā)電機(jī)組進(jìn)相穩(wěn)定運(yùn)行與欠勵(lì)限制

為確保發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的穩(wěn)定控制，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一般采用欠勵(lì)限制來實(shí)現(xiàn)。欠勵(lì)限制作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)輔助控制環(huán)節(jié)之一，在保證有足夠進(jìn)相深度前提下，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此欠勵(lì)限制相關(guān)參數(shù)的整定非常重要。所謂欠勵(lì)限制是指發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)吸收的無功功率低于限制值時(shí)，通過自動(dòng)增加勵(lì)磁電流，將發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度調(diào)整至發(fā)電機(jī)PQ限制曲線穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)的限制器，也稱為低勵(lì)限制。其中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制功能示意圖[8]如圖4所示，其中發(fā)電機(jī)P-Q圖中中間空白位置為穩(wěn)定運(yùn)行范圍。

圖4 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制示意圖

欠勵(lì)限制應(yīng)滿足定子端部熱穩(wěn)定限制、靜態(tài)穩(wěn)定限制、失磁保護(hù)整定、機(jī)端電壓與廠用電電壓等因素限制。確定欠勵(lì)限制的參數(shù)要根據(jù)以上因素決定的最小值再留有一定的安全裕度。

勵(lì)磁系統(tǒng)欠勵(lì)限制的輸出將與勵(lì)磁控制主環(huán)配合，勵(lì)磁系統(tǒng)主環(huán)控制是發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓閉環(huán)控制方式，欠勵(lì)限制控制需要與勵(lì)磁主環(huán)控制通過竟比門比較來確定是否欠勵(lì)限制起作用，其控制模型如圖5所示[9]。圖5中：Ug為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；Uref為電壓參考值；T1為勵(lì)磁調(diào)節(jié)的超前時(shí)間常數(shù)；T2為勵(lì)磁調(diào)節(jié)的滯后時(shí)間常數(shù)；KAVR為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的比例增益；UUEL為低勵(lì)限制的輸出；UAmax為勵(lì)磁輸出上限；UAmin為勵(lì)磁輸出下限；HV為高值比較門；△U為欠勵(lì)限制輸出調(diào)節(jié)電壓值。

圖5 勵(lì)磁系統(tǒng)的欠勵(lì)限制調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)勵(lì)磁控制主環(huán)信號(hào)與欠勵(lì)限制通過高值比較門競(jìng)爭(zhēng)控制使能，當(dāng)機(jī)組在進(jìn)相時(shí)，欠勵(lì)限制高于勵(lì)磁控制主環(huán)時(shí)，由欠勵(lì)限制控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出，即欠勵(lì)限制動(dòng)作，欠勵(lì)限制通過增磁，提高發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，減小進(jìn)相深度，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

圖6 欠勵(lì)限制定值整定示意圖

3 進(jìn)相試驗(yàn)與欠勵(lì)限制整定應(yīng)用實(shí)例

以某電站700 MW機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)為例，說明發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度相關(guān)因素及欠勵(lì)限制整定應(yīng)用情況。依據(jù)《DL/T 1523-2016 同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則》要求，進(jìn)相前需要將電站母線電壓運(yùn)行在安全范圍內(nèi)的較高區(qū)域、陪同試驗(yàn)機(jī)組(若有)工況調(diào)整至遲相狀態(tài)，主要進(jìn)相限制條件如下：

1)發(fā)電機(jī)定子電壓不得低于額定電壓20 kV的90%(18 kV)；

2)發(fā)電機(jī)定子電流不大于額定電流；

3)由于不同有功功率時(shí)，水輪機(jī)的極限功角也不同，因此，試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)及主變參數(shù)計(jì)算出試驗(yàn)條件下的極限功角，在試驗(yàn)過程中應(yīng)確保功角相對(duì)于極限功角有一定(15°～20°)的安全裕度；

4)發(fā)電機(jī)定子繞組溫度不超過115℃，鐵芯和端部構(gòu)件溫度不超過110℃；

5)電站500 kV母線電壓不低于調(diào)度允許的最低值520 kV，最高值為532 kV；

6)電站10 kV廠用電壓不低于95%(9.5 kV)；

7)電站380 V廠用電壓不低于95%(361 V)；

8)根據(jù)《DL755 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定，通過靜態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，得到進(jìn)相試驗(yàn)工況下水輪發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定極限功角δmax如表1所示。

表1 某700 MW水輪發(fā)電機(jī)極限功角δmax

進(jìn)相試驗(yàn)機(jī)組正常運(yùn)行，設(shè)備狀況良好。試驗(yàn)機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)和自動(dòng)電壓控制(AVC)退出運(yùn)行，低勵(lì)限制、失磁保護(hù)、失步保護(hù)等功能正常投入運(yùn)行。

由于額定有功功率為700 MW的發(fā)電機(jī)50%額定有功功率350 MW工況處于振動(dòng)負(fù)荷區(qū)，進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)避開振動(dòng)負(fù)荷區(qū)，因此進(jìn)相試驗(yàn)在發(fā)電機(jī)有功功率為0、525(75%)、700 MW(100%)三種工況下進(jìn)行。

進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)進(jìn)相深度限制條件，基本受廠用電電壓條件及功角限制，并確定欠勵(lì)限制定值如表3所示。

表2 某700 MW水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

依據(jù)在失磁保護(hù)功能未退出條件下的進(jìn)相試驗(yàn)情況，欠勵(lì)限制定值與機(jī)組進(jìn)相能力間留有一定安全裕度，該機(jī)組欠勵(lì)限整定值如表3所示，同時(shí)該欠勵(lì)定值也定先于該機(jī)組失磁保護(hù)動(dòng)作，且有一定安全裕度，滿足網(wǎng)源協(xié)調(diào)相關(guān)要求。

表3 某700 MW水輪發(fā)電機(jī)欠勵(lì)限制定值表

4 結(jié) 語

通過對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)相能力相關(guān)影響因素及欠勵(lì)限制與進(jìn)相運(yùn)行的關(guān)系分析，并對(duì)欠勵(lì)限制的控制原理及參數(shù)整定進(jìn)行了論述，最后用機(jī)組進(jìn)相現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)例說明了進(jìn)相能力的確定方法和欠勵(lì)限制參數(shù)整定方法，為電站機(jī)組進(jìn)相能力確定及欠勵(lì)限制參數(shù)整定提供有效指導(dǎo)。