發電機并網瞬間無功沖擊分析與處理

褚召偉　王雷　王超　周永平

摘 要：針對某水電廠并網出現的無功沖擊情況，分析了其產生的原因，并提出了相應的改善方法。

關鍵詞：機組并網；無功沖擊；電網；水電廠

中圖分類號：TV738 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.112

某水電廠位于黃河上游，共裝有5臺大型水輪發電機組，電氣接線采用發電機-變壓器單元組接線。其中，1號機、2號機采用外橋接線接入220 kV系統。該水電廠為西北電網主要的調頻調峰廠，需要頻繁開停機操作。

1 并網沖擊原因分析

發電機組在開機并網過程中，要求斷路器兩側電源的電壓幅值差、頻率差、相位差都為0，但實現起來比較困難，只要在合適的范圍內，保證斷路器合閘時沖擊電流較小，發電機能順利拉入同步即可。某水電廠機組并網采用自準方式并列，使用SJ-12C/S8雙微機自動準同期并列裝置實現，對頻率差、相位差和合閘導前時間等參數的控制都較為準確。機組同期并網系統中，機組同期回路系統側電壓取自線路側電壓互感器，待并側電壓取自主變壓器低壓側電壓互感器。

一次調度下令2號機組開機并網，在并網瞬間產生較大的沖擊聲。一般情況下，機組并網時所出現的沖擊現象基本上是因機組的非同期并列引起的，檢查發現，同期裝置本身動作正常。調用上位機監控系統數據發現，合閘瞬間發電機定子上有大約1 000 A的沖擊電流，發電機并網瞬間的有功功率幾乎為0，因此，全部表現為無功沖擊。

2 無功沖擊過程的計算

2.1 電氣設備的主要參數

2號發電機組額定有功P=255 MW，額定電流In=10 386 A，功率因數cosφ=0.9，額定電壓Ue=15.75 kV，2號主變壓器額定容量Se=300 MVA，電壓為242±2×2.5%/15.75 kV，Uk=13.99%.

2.2 無功沖擊的計算

2號機開機前，1號機已與系統并網，計算可得2號機與系統聯系阻抗為0.129 8，查詢上位機監控系統2號機組斷路器合閘瞬間發電機定子三相電流有效值分別分別為998 A、987 A、938 A，取平均值得974 A，換算為高壓側電流Ie=63.4 A，高壓側基準電流I=235.58 A，高壓側電流標幺值為0.266.

假設機組并列時fg=fxt（fg為發電機頻率，fxt為系統頻率），Ug≠Uxt（Ug為發電機電壓，Uxt為系統電壓），δ= 0（δ為待并兩側電勢相角差）。斷路器合閘時，斷路器壓差標幺值ΔU=0.035，壓差有名值ΔU=8.5 kV。

當時發電機空載時主變高壓側電壓為231.9 kV時，系統電壓為237.1 kV，壓差為5.2 kV，小于實際產生無功沖擊的壓差，其余壓差主要由頻率差和相角差造成，并網瞬間有功功率幾乎為0，由此計算機組并網瞬間的無功沖擊Q=26.6 MVar。

3 計算結果分析及改進方案

3.1 沖擊的危害

沖擊電流的電動力對發電機定子繞組、變壓器繞組均產生沖擊，沖擊功率為無功性質。通過查詢監控系統上歷史數據發現，發電機并網瞬間的無功值最大曾達到-40 MVar，定子繞組端部機械強度最弱，這種沖擊日積月累會對發電機造成致命傷害，應采取措施減小沖擊電流對其造成的危害。

3.2 改進方案

產生無功沖擊的主要原因是電壓偏差。220 kV系統實際運行電壓多數控制在230～240 kV。2號機組采用型號為SAVR2000的自動勵磁調節器，勵磁調節器在接到開機令后，自動將電壓給定值設置為30%，升壓后達到30%的額定值時，調節器再以一個可以調整的速度逐步增加電壓給定值，使發電機電壓上升到預置值，預置值可通過軟件修改。2號機組的預置值為15.15 kV，換算到主變高壓側電壓為232 kV。系統運行過程中的電壓越高，沖擊電流越大。因此，降低電壓差為主要目標，由于系統電壓無法改變，只能改變并網時的機端電壓，而其由自動勵磁調節器調節。

3.2.1 手動調整并網前機組機端電壓

當發電機至空載態后，可以手動調整勵磁調節器的增減磁按鈕來調節機組機端電壓，也可以手動調整同期裝置的增減壓把手來調節機組機端電壓。機端電壓穩定之后，上位機下發并網令，啟動同期裝置進行準同期并網，這在一定程度上減弱了機組并網過程中的無功沖擊。

3.2.2 改變勵磁調節器給定值

自動勵磁調節器用于實現自動方式調節機端電壓、維持機端電壓平衡，目前，機組采用的反饋量為發電機端電壓。發電機機端電壓在空載狀態下為給定值，不會發生變化。當發電機達到空載態后，將反饋量設置為電網電壓，如圖1所示。機組至空載態后自動跟蹤電網電壓，將調節機組電壓與電網電壓一致，這樣會大大降低機組同期的無功沖擊。

4 結束語

無功沖擊日積月累就會嚴重影響發電機的壽命，一次設備價格昂貴且不易于更換。本文通過探討得到了兩種改進方案，降低了發電機并網時的電壓差值，減小了發電機并網時的無功沖擊：①采用手動調整發電機電壓的方式，一定程度上減小了并網時的無功沖擊，但需要將機組的開機過程分步操作，并手動調整機端電壓，給自動開機帶來了不便，增加了操作任務量；②通過改變勵磁調節器給定值方式，使機端電壓自動跟蹤并調整到電網電壓，這能更好地減弱發電機并網時的無功沖擊，且不需要增加額外的工作量。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕