負(fù)調(diào)差系數(shù)下并網(wǎng)瞬間無功功率突增原因分析及優(yōu)化

劉云瀑

（國(guó)家電投五凌電力發(fā)電集控中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 機(jī)組概況

白市電廠位于貴州省黔東南州天柱縣境內(nèi)，是沅水流域規(guī)劃梯級(jí)的第四級(jí)，上距掛治電站56.3 km，下距托口水電站56.2 km。電站裝有3臺(tái)單機(jī)容量為140 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)420 MW，年利用小時(shí)數(shù)2 943 h，多年平均發(fā)電量12.36億kW·h。白市電廠3臺(tái)機(jī)組是由主變高壓側(cè)并列后送出，其勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的NES-5100型勵(lì)磁裝置，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)為-7%。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差

2.1 定義

勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差又稱為電壓調(diào)差率，是指發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)端電壓的自然下降，定義為同步發(fā)電機(jī)當(dāng)功率因數(shù)為零、無功從零變化到額定無功時(shí)機(jī)端電壓的變化率，不考慮自然調(diào)差率時(shí)，電壓調(diào)差率的計(jì)算公式如下：

式中：D表示電壓調(diào)差率；Ut表示功率因素等于零、無功電流等于額定值時(shí)的機(jī)端電壓；Ut0表示空載時(shí)機(jī)端電壓，Um表示發(fā)電機(jī)額定電壓。

2.2 正調(diào)差與負(fù)調(diào)差

正調(diào)差是指，在發(fā)電機(jī)無功增加時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)機(jī)端電壓“降低”時(shí)，增大無功。其作用是調(diào)節(jié)機(jī)組間的無功分配。一些小容量機(jī)組是直接通過機(jī)端并列的，存在無功功率分配不穩(wěn)定的問題，經(jīng)常存在“搶無功”的現(xiàn)象，使系統(tǒng)無功失衡，此時(shí)就需要正調(diào)差來合理分配機(jī)組間無功功率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

負(fù)調(diào)差是指，在發(fā)電機(jī)無功增大時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)后會(huì)將無功再增大，以補(bǔ)償變壓器的電壓降。負(fù)調(diào)差可提高靜態(tài)穩(wěn)定極限，提高機(jī)組無功支撐能力，加強(qiáng)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)電壓或無功變化的敏感度，更好地發(fā)揮其對(duì)系統(tǒng)的無功支撐能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3 調(diào)差率整定原則

由DL/T843-2010標(biāo)準(zhǔn)知道，電網(wǎng)調(diào)度按照發(fā)電機(jī)對(duì)所在高壓母線電壓維持水平的要求規(guī)定電壓調(diào)差率D，在調(diào)度未作出規(guī)定前，電壓調(diào)差率宜按以下方法整定：

（1）并列點(diǎn)的電壓調(diào)差率宜按照5%～10%整定，在無功分配穩(wěn)定的情況下取小值，同母線下的電壓調(diào)差率應(yīng)相同。

（2）主變高壓側(cè)并列的發(fā)電機(jī)變壓器組應(yīng)采用補(bǔ)償變壓器電抗壓降的措施，其調(diào)差率滿足以下條件：當(dāng)發(fā)電機(jī)無功電流由零增加到額定無功電流時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓變化不大于5%額定電壓。

3 問題引出

白市電廠通過多次觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、3號(hào)機(jī)組并網(wǎng)后存在無功功率明顯增大的現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)波形錄取后，發(fā)現(xiàn)3臺(tái)機(jī)組在并網(wǎng)瞬間無功功率會(huì)發(fā)生突變，尤其是在并網(wǎng)后不斷上升，其中3號(hào)機(jī)組無功峰值最大，1號(hào)機(jī)組次之，2號(hào)機(jī)組無功峰值最小，且無功功率突增均分為兩個(gè)階段。

從圖1～圖3可以看出，機(jī)組并網(wǎng)瞬間無功功率上升分兩個(gè)階段，第一階段到達(dá)一個(gè)高點(diǎn)，經(jīng)短時(shí)停頓后再到最高點(diǎn)，之后根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序，下位機(jī)下令減磁，調(diào)低無功至5 Mvar。

圖1 1號(hào)機(jī)組（最大值= 38.31 MVar t= 13.17 s）

圖2 2號(hào)機(jī)組（最大值= 10.96 MVar t= 14.51 s）

圖3 3號(hào)機(jī)組（最大值= 48.63 MVar t= 12.85 s）

通過調(diào)取以往歷史數(shù)據(jù)可知，該現(xiàn)象并非偶發(fā)情況，而3臺(tái)機(jī)組在配置完全一樣的情況下，并網(wǎng)瞬間無功功率突增現(xiàn)象卻存在明顯差異，見表1、2：

表1 調(diào)差率為0時(shí)機(jī)組并網(wǎng)瞬間無功功率峰值

表2 調(diào)差率為-0.07%時(shí)機(jī)組并網(wǎng)瞬間無功功率峰值

4 原因分析

對(duì)比表1、表2可以看出，調(diào)差率由0調(diào)整至-0.07%后，無功比之前明顯增大，表現(xiàn)為第二階段無功峰值明顯增大，考慮到此時(shí)剛剛投入了調(diào)差功能，判斷機(jī)組無功增大可能與調(diào)差率調(diào)整有關(guān)。

通過對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行特性分析得知，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行1 s時(shí)（即第二階段開始時(shí)），勵(lì)磁系統(tǒng)才通過程序判定確認(rèn)負(fù)載。而在并網(wǎng)0～1 s期間（即第一階段），勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)未輸出，此時(shí)機(jī)端電壓與給定電壓相等；在并網(wǎng)1 s時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)開始輸出，調(diào)差系數(shù)輸出值所產(chǎn)生的機(jī)端電壓=電壓給定-（機(jī)組當(dāng)前無功功率/視在功率）×調(diào)差系數(shù)。

機(jī)端電壓從調(diào)差系數(shù)未輸出到調(diào)差系數(shù)輸出時(shí)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前無功發(fā)生變化。如圖4，線1表示電壓調(diào)差后的輸出值，線2表示實(shí)時(shí)的機(jī)端電壓。當(dāng)調(diào)差系數(shù)未輸出時(shí)，兩線基本重合。調(diào)差系數(shù)輸出后，機(jī)端電壓（線2）始終在跟蹤電壓調(diào)差輸出值（線1）。根據(jù)上述公式可知負(fù)調(diào)差情況下，“機(jī)組當(dāng)前無功功率”越大，“機(jī)端電壓”也將越大，此過程中發(fā)出的大量無功，就是觀察到的并網(wǎng)1 s后的現(xiàn)象。

圖4 機(jī)端電壓隨調(diào)差系數(shù)輸出值變化曲線

2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)后，由于當(dāng)前無功并不大，機(jī)端電壓相對(duì)較低，調(diào)差系數(shù)輸出后，電壓變化比較小，無需發(fā)出大量無功，故在第二階段的調(diào)差輸出并不明顯，也就是說3臺(tái)機(jī)組共同一母線，在母線電壓基本相同的情況下，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組并網(wǎng)電壓明顯高于2號(hào)機(jī)組，2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)電壓低，無功也小，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組并網(wǎng)電壓高，無功也大。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）機(jī)組調(diào)差系數(shù)為0時(shí)，并網(wǎng)1 s內(nèi)無功就會(huì)達(dá)到峰值，也就是我們觀察到的第一階段高點(diǎn)。調(diào)差系數(shù)修改前后，機(jī)組并網(wǎng)時(shí)的無功沖擊并沒有發(fā)生顯著變化，但機(jī)組間并網(wǎng)無功沖擊存在較大差異，而且勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)輸出進(jìn)一步加大了該差異；

（2）機(jī)組并網(wǎng)電壓越低，無功也越小，對(duì)第二階段的電壓調(diào)差輸出貢獻(xiàn)越小，可以采取降低并網(wǎng)電壓的方式限制機(jī)組并網(wǎng)第二階段無功功率，減少無功沖擊。

5 優(yōu)化方案及效果

因機(jī)組調(diào)差系數(shù)已由試驗(yàn)單位試驗(yàn)并出具報(bào)告確定，并已報(bào)送調(diào)度部門，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)短期內(nèi)不具備修改條件，故考慮采取降低機(jī)組并網(wǎng)電壓的措施。

通過錄取機(jī)組并網(wǎng)時(shí)待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓發(fā)現(xiàn)，待并側(cè)電壓二次值高于系統(tǒng)側(cè)電壓3 V以上，隨后，同期裝置通過降低待并側(cè)電壓將偏差調(diào)整至3 V以內(nèi)，若此時(shí)滿足頻差≤0.2 Hz、相位差≤20°的同期條件，則發(fā)同期并網(wǎng)令。但并網(wǎng)瞬間待并側(cè)電壓二次值仍高于系統(tǒng)側(cè)電壓二次值近3 V，偏差較大，從而導(dǎo)致機(jī)組并網(wǎng)瞬間無功較大。

此時(shí)可以從兩種方式進(jìn)行優(yōu)化：

方式1：進(jìn)行試驗(yàn)，重新測(cè)定機(jī)組同期參數(shù)。如重新調(diào)整并網(wǎng)二次壓差，該方式可以從根本上減少并網(wǎng)無功沖擊，但由于耗時(shí)長(zhǎng)會(huì)影響機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，無法迅速改善機(jī)組并網(wǎng)工況。

方式2：適當(dāng)調(diào)低機(jī)組的空載電壓，使勵(lì)磁系統(tǒng)空載建壓值從100%減小至97%，確保機(jī)組機(jī)端電壓在同期裝置啟動(dòng)前就滿足壓差條件，且更接近母線電壓，該方式實(shí)施工作量不大，可以迅速改善機(jī)組并網(wǎng)工況。

考慮到已臨近主汛期，時(shí)間較為緊張，決定采取方式2進(jìn)行優(yōu)化。即降低機(jī)組的空載電壓，將1號(hào)、3號(hào)機(jī)組軟起勵(lì)終值由100%減小至97%。調(diào)整定值后，機(jī)組開機(jī)至空載時(shí)機(jī)端電壓僅上升至額定電壓的97%，與調(diào)整前相比，待并側(cè)電壓降低（同期過程中，同期裝置仍可根據(jù)待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓偏差情況對(duì)機(jī)端電壓進(jìn)行上下調(diào)整），其與系統(tǒng)側(cè)電壓二次值偏差可小于3 V，若此時(shí)滿足同期條件，機(jī)組同期并網(wǎng)后所帶無功會(huì)比較小，即第一階段無功較小，對(duì)第二階段的電壓調(diào)差輸出貢獻(xiàn)也會(huì)減小，而且軟起勵(lì)終值的調(diào)整僅影響勵(lì)磁系統(tǒng)初始建壓值，機(jī)組并網(wǎng)后仍可根據(jù)電壓偏差情況進(jìn)行正常調(diào)整。

在優(yōu)化后，機(jī)組并網(wǎng)瞬間無功功率突增現(xiàn)象得到了明顯的改善，具體見表3。

表3 優(yōu)化后機(jī)組并網(wǎng)無功功率峰值

6 結(jié)語(yǔ)

電壓是電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，勵(lì)磁系統(tǒng)能否確保機(jī)端電壓穩(wěn)定對(duì)于發(fā)電機(jī)來說至關(guān)重要。勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)對(duì)于發(fā)電機(jī)無功功率特性以及系統(tǒng)電壓影響很大，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理配置調(diào)差系數(shù)。

本文發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)負(fù)調(diào)差系數(shù)的同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)瞬間無功功率突增分為兩個(gè)階段，第二個(gè)階段無功突增現(xiàn)象較為明顯。機(jī)組并網(wǎng)時(shí)待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓差值較大，是導(dǎo)致機(jī)組并網(wǎng)第二階段無功功率明顯突增的直接原因。在規(guī)定范圍內(nèi)機(jī)端電壓越低，無功功率越小，對(duì)第二階段的電壓調(diào)差輸出影響也越小。故在不方便進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整同期參數(shù)的情況下，可以通過減小待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓差值達(dá)到限制機(jī)組并網(wǎng)第二階段無功功率，減少無功功率沖擊，從而優(yōu)化并網(wǎng)工況的目的。