大型水輪發電機無功不足的原因分析與處理

毛肖+郭思哲+王慶平+和麗芳

摘要： 本文以云南省華坪縣與四川省攀枝花市的交界處觀音巖電廠為例針對發電機額定勵磁電流不能帶額定無功功率的問題進行了相關研究。并對現場情況和機組無功不足可能產生的原因進行分析，通過仿真、計算、對比、驗證，得出了“相同勵磁電流的情況下，機端電壓升高與定子漏抗增大都將導致機組的無功出力大幅下降”的結論，并為此類電廠的今后的運行和發展提出重要的建議。

Abstract： In this paper， a case analysis of Guanyinyan power plant at the junction of Huaping County in Yunnan Province and Panzhihua City in Sichuan Province whose rated field current of the generator can not produce rated reactive power. In addition， the paper analyzes the scene condition and causes of reactive power shortage， through simulation， calculation， comparison and verification， to obtain the conclusion that "Under the same excitation current，increase of terminal voltage and the stator leakage reactance will cause unit reactive power output fell sharply." Finally， some suggestions are put forward by this paper for the future operation and development of this kind of power plant.

關鍵詞： 無功出力；勵磁電流；定子漏抗

Key words： reactive power；field current；stator leakage reactance

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0094-03

0 引言

觀音巖水電站為金沙江水電基地中游河段“一庫八級”水電開發方案的最后一個梯級水電站，位于云南省華坪縣與四川省攀枝花市的交界處，裝機容量300（5×60）萬千瓦。單獨運行時保證出力47.8萬千瓦，年發電量122.40億千瓦時，年利用小時4080小時；在上游龍盤水庫投入運行后，保證出力139.28萬千瓦，年發電量136.22億千瓦時，裝機年利用小時4540小時。工程概算總投資為306.96億元。2015年底觀音巖電廠出現#1發電機額定勵磁電流不能帶額定無功功率的問題，這不僅使得機組的設備水平降低，而且因電站欠發無功，將使得觀音巖電廠每年的電費收入減少。因此，研究發電機無功出力不足的問題，在技術經濟上都有著現實意義。

1 對#1機組無功出力不足的原因分析

1.1 現場情況分析

觀音巖電廠#1機組自投產以來，一直存在無功出力不足問題。根據現場提供的數據：“中調下發I母電壓設定值為543.8kV；此時#1 發電機出口線電壓Uab為20.8kV；#1 發電機出口電流Ia為17306.5A；#1發電機有功功率為599.8MW；#1發電機無功功率為183.4Mvar，#1 發電機勵磁電壓為407.3V；#1 發電機勵磁電流為3064A”。

整理以上數據，機組額定勵磁電流3064A（2.006pu，根據廠家說明書，基準電流取值1527A）；機端電壓20.8kV（1.04pu）；有功滿載599MW（0.9983pu）；無功功率183.4MVar（0.6311pu，額定無功基準）。

1.2 無功出力不足可能的原因分析

綜合分析上述的相關數據，初步判斷可能的原因如下：

第一、表計的準確性問題（該問題請電廠自行排查）；第二、機組磁飽和所導致（現場機端電壓明顯高于額定機端電壓，考慮為磁路飽和所導致）；第三、機組參數問題（現場安裝后的機組漏抗與設計值存在差異，從而導致定子漏抗與設計值存在差異）。本文對第二、第三兩條可能的原因加以詳細分析。

1.3 相同勵磁電流情況下機端（系統）電壓對機組無功出力的影響分析

1.3.1 基于Digsilent的仿真計算

考慮現場實際勵磁電流已經達到額定，且機端電壓明顯高于機端額定電壓的實際情況，在此對相同勵磁電流情況下，不同機端（系統）電壓與機組無功之間的對應關系加以仿真驗算。

根據觀音巖電廠的實際主接線及其機組的實際參數，搭建基于Digsilent仿真模型如圖1所示。

以上仿真模型通過調整系統運行電壓，將機組電壓Ut、機組有功P、機組無功Q等全部調整為額定工況，計算得到此時的勵磁電流為2.0pu（Ifdbase=1527A），即：機組額定勵磁電流、機組額定電壓的情況下，機組有功、無功功率同樣為額定。

對應機組參數中，機組飽和系數Sg1.0=0.152，Sg1.2=0.575（與現場實測值基本相同）；固定參數的情況下，調整系統運行電壓，得到如表1結果。

從表1可知：在不同機端電壓的情況下，為了達到額定機組額定出力（有功與無功），所需要的勵磁電流隨著機端電壓的升高而升高。例如：當現場機端電壓為1.0462pu的情況下，為了使機組達到額定的有功與無功出力，所需要的勵磁電流將達到2.114pu（基準勵磁電流Ifdbase=1527A），該數值明顯大于機端電壓情況下同樣工況所需的勵磁電流。

由表2可以看到，在機組勵磁系統額定勵磁電流輸出的情況下，機組由于機端電壓的上升，磁路的飽和，導致機組輸出的無功功率呈現下降趨勢。例如：根據現場的實際數據，當機組機端電壓為現場電壓20.8kV（1.04pu）的情況下，同樣機組的額定勵磁電流，機組此時能夠發出的最大無功為233.4MVar，比額定無功功率下降56.16MVar。

物理解釋為機組的勵磁電流包含兩部分，即用于補償機組無功去磁效應的勵磁電流與建立發電機內電勢的部分。隨著機端電壓的升高，由于磁路的飽和，相同勵磁電流中用于建立升高后的機端電壓部分所需的勵磁電流部分增大，必然導致用于抵消遲相無功去磁效應的勵磁電流部分降低，進而導致機組的無功出力隨著機端電壓的上升而降低的現象出現。

1.3.2 基于機組EQ-Xq模型的計算

以下的標么值計算，以發電機額定容量為基準，機端和系統側基準電壓分別為20和550kV，主變電抗已經折算為發電機額定容量基準。

從上述計算結果看，在相近的轉子電流下（機組等值內電勢EQ在1.44標么值附近），機組能夠輸出額定無功功率，則系統側電壓須降低到518kV左右。

機組與系統之間的無功流動，取決于機組（內電勢）與系統之間的電壓差，這里的計算也驗證了這一點，這樣，即使機組勵磁系統出力已經達到額定，但由于系統電壓偏高，實際上機組也不能輸出額定無功。

1.4 機組漏抗（安裝工藝導致的現場實際氣隙與設計值存在差異）對機組無功出力的影響

為了說明問題，僅僅就發電機定子漏抗部分進行仿真驗算。具體數據可以聯系相關單位對機組現場的實際情況進行實測，進而加以綜合判斷。

為了驗證機組氣隙差異對機組無功出力的影響，本節采用圖1中所建立的仿真模型，開展相關的仿真驗算（仿真驗算中，機組參數除機組定子漏抗改變外，其余參數完全按照設計值加以驗算）。

從表6可以看到：當機組現場定子漏抗與設計值呈現差異的情況下（由于該機組本身氣隙較小，設計值為26.5mm，如果現場稍微出現點偏差，將對機組氣隙產生較大影響），當氣隙增大，定子漏抗增大的情況下，相同勵磁電流所能夠發出的無功呈現下降趨勢。

2 綜合仿真驗證

以上分析就定子電壓升高、氣隙與設計值偏差導致機組定子漏抗增大兩個方面，通過仿真計算，得到了：相同勵磁電流的情況下，機端電壓升高與定子漏抗增大都將導致機組的無功出力大幅下降。

本文綜合兩個影響因素，通過仿真分析，判斷觀音巖電廠#1機組的現場實際情況。仿真參數設定：機端電壓與現場實際運行值相同（20.8kV，1.04pu），定子漏抗0.2286pu（設計值0.1686pu），其余參數與機組設計參數完全相同。

通過仿真計算，機組額定勵磁電流2pu的情況下（3054A），上述工況機組最大無功出力只能達到189.1MVar，與現場基本一致。

3 結論

本文根據觀音巖電廠#1機組的無功出力不足問題的現場實際情況，綜合分析，得到如下結論：

第一、系統電壓高進而導致機端電壓偏離額定電壓是導致機組額定勵磁電流情況下機組無功出力不能達到額定的重要影響因素，且仿真結果及理論分析顯示：由于機組磁路飽和的原因，機端電壓越高，相同勵磁電流的情況下機組的無功出力將越小，為了解決該問題，建議電廠在條件允許的情況下增大變壓器變比，從而在相同系統電壓的情況下降低機端電壓，使機組無功出力增大。

第二、仿真及理論分析顯示：機組氣隙的增大將導致定、轉子漏抗的增大，將進一步導致相同勵磁電流情況下機組無功出力的降低，考慮現場的實際情況，該現象最可能出現，為此建議電廠聯系相關單位開展機組電氣參數的實測，研究機組實際參數與設計參數之間的差異，盡早開展機組無功出力不足的原因，使機組在實際運行過程中能夠達到預期設計指標，保障電廠自身的利益與機組的安全穩定運行。

第三、建議電廠在條件具備的情況下重現工況，對現場實際情況加以確認（監控、勵磁柜），排除測量表計及功率計算方法缺陷可能導致的無功數據不準的情況。

第四、為了使機組達到額定運行工況（額定機端電壓、有功、無功、勵磁電流），建議電廠在條件成熟的情況下，可以考慮在勵磁調節柜內將當前機組的調差加以調整，根據試驗結果重新整定機組調差系數。

第五、機組勵磁電壓的大小與機組轉子繞組電流、直阻、轉子繞組溫度緊密相關，且機組廠家在產品設計說明書中明確機組額定勵磁電壓必須滿足勵磁電流為額定，轉子繞組溫度為115度兩個條件，因此現場出現的額定勵磁電流與額定勵磁電壓不對應可能由于轉子繞組溫升效應所導致，建議電廠聯系機組廠家加以確認。

參考文獻：

[1]周統中.歐陽海電站處理無功出力不足的措施[J].水力發電，1984（11）：48-49.

[2]張孝勇.河口電站1號發電機組出力不足的原因分析與處理[J].水電站機電技術，1999（4）：9-11.

[3]王初銘.大型水輪發電機無功出力不足的原因分析與解決措施[J].大電機技術，1997（3）：1-6.

[4]王錫凡.電氣工程基礎[M].二版.西安：西安交通大學出版社，2009.

[5]劉寶貴.發電廠變電所電氣部分[M].二版.北京：中國電力出版社，2012.

[6]水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊[M].

[7]電力工業部電力規劃設計總院編.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.