龍溪水電站發電機組進相運行可行性試驗

陳照暉

【摘 要】本文闡述了天臺龍溪水力發電站為滿足臺州電網提高供電質量的要求，在報廢重建后的機組是否具備進相運行能力，以及進相深度多少等方面進行的探索。根據《水輪發電機組啟動試驗規程》和龍溪電站機組的實際情況，通過計算結合進相運行限制條件，先行確定最大進相深度，然后按50%、80%、100%額定有功功率下進相無功從小到大的順序分階段進行試驗。試驗結果證實了機組各項試驗數據滿足要求，運行可靠穩定，進相深度可達2×2.5MVar。

【關鍵詞】發電機組；進相運行；進相深度；可行性試驗

中圖分類號： TM31 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0074-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.032

發電機組進相運行是改善電網無功潮流分布、提高電網供電質量、調控電網電壓等最經濟、最便捷的技術措施，能夠靈活、快速有效地實現電網的無功補償，從而提高供電質量，提高經濟效益。

1 發電機組進相運行的工作原理

發電機正常運行時，向系統提供有功的同時還提供無功，定子電流滯后于端電壓一個角度，此種狀態即遲相運行。當逐漸減少勵磁電流，使發電機從向系統提供無功而變為從系統吸收無功，定子電流從滯后而變為超前發電機端電壓一個角度，此種狀態即為進相運行[1]。具體原理分析如下：

圖1為龍溪電站水輪發電機組聯網示意圖，發電機G發出6.3kV電壓經變壓器升壓到110kV，通過龍平1834線連接于臺州電網S。忽略發電機電樞電阻，其等值電路圖如圖2，E為發電機感應電勢，I為發電機輸出電流，U為發電機機端電壓，Xg為發電機同步電抗。

發電機電動勢和機端電壓的關系式為式（1）[2]：

=-JXg（1）

根據式（1）可作出發電機在各種運行狀態下的矢量圖，如圖3。

當水輪機導葉開度不變時，則發電機輸出有功功率不變，即

P=3UIcosφ=常數（2）

和Pg=3（EI/Xd）sinδ=常數（3）

式（2）、式（3）中：P為發電機輸出有功功率，Pg為發電機電勢功率，cosφ為發電機輸出功率因數，δ為發電機功角。由于發電機并列在電網中運行，所以，U、Xg基本不變，故

Icosφ=常數（4）

Esinδ=常數（5）

從式（4）、式（5）可以得知在上的投影和在垂線上的投影都是常數。從圖3的矢量圖可以看到，當調節勵磁電流，使電勢、定子電流都發生變化，和頂端的軌跡都在一條直線上。圖中A-A是頂端的軌跡線，B-B是頂端的軌跡線。發電機運行狀態有以下三種：

圖3 發電機運行狀態矢量圖

第一種狀態，正常勵磁時1，發電機的電動勢為1，此時功率因數cosφ=1，定子電流=1全為有功電流。發電機電抗上的壓降為j1Xg，功角為δ1，此運行方式下，發電機只發有功功率。

第二種狀態，在正常勵磁基礎上，增加發電機勵磁電流，發電機的電動勢為2，2>1，定子電流增加，2>1，功率因數cosφ滯后，功角減少到δ2，發電機電抗上的壓降為j2Xg。此時，發電機除發出有功功率外還將送出感性無功功率，此運行方式為“過勵”，即遲相運行。

第三種狀態，在正常勵磁基礎上，減少發電機勵磁電流，發電機的電動勢為3，3<1，定子電流也增加，3<1，功率因數cosφ超前，功角增大到δ3，發電機電抗上的壓降為。此時，發電機除發出有功功率外，還吸收感性無功功率，此運行方式為“欠勵”，即進相運行。

勵磁電流不斷減少，功角δ不斷增大達到90°，這是一種極限狀態，發電機組一般不允許在極限狀態下運行[4]。

2 龍溪電站發電機組進相運行試驗的背景

天臺縣龍溪水電站是臺州地區目前裝機容量（2×9MW）最大的水電站，1990年投產以來，承擔著臺州電網的調峰任務。根據當時的社會形勢，發電機設計時，在結構上沒有考慮進相運行。2016年開始，龍溪電站發電機組進行報廢重建，龍溪電站機組報廢重建完成以后，組織了設計單位、生產廠家和電站等技術人員，對機組是否具備進相運行能力進行了可行性分析，得出結論是：少量進相運行是可行的，具體進相深度需要通過確定。

3 發電機組進相運行試驗限定值的確定

制約發電機進相運行的主要因素有：系統穩定的限制；發電機定子端部件溫度的限制；定子電流的限制；廠用電電壓的限制。為了保證龍溪電站進相運行試驗的安全、穩定、順利，進相運行試驗前，電站技術人員會同設計和各有關廠家對進相運行試驗的限定值進行了計算確定。

（1）進相深度的確定：

發電機輸出的有功功率為：

P=3UIcosφ（6）

發電機進相吸收的無功功率為：

Q=3UIEsinφ（7）

根據式（6）、式（7），畫出P-Q-φ的關系圖，如圖4。

根據進相運行原理和圖4分析，可以得出：在保持有功功率不變時，減少勵磁電流，發電機的功角增大，功率因數角φ增大（從φa增大到φb），功率因數減少，發電機吸收的無功功率Q增大（從Qa增大到Qb），即進相深度加大。

受系統穩定的限制，發電機必須在靜態穩定曲線限制范圍內運行。為確保發電機運行中不失步，按照發電機制造廠家提供的技術資料，功角δ應小于45°，結合臺州供電局的要求，確定本次試驗最大進相深度限制在發電機額定負荷時進相功率因數cosφ在0.95以內。在額定負荷時最大吸收無功功率計算式如下[2]，式（8）。

龍溪電站單臺機組額定功率為P=9MW，功率因數cosφ按0.95計算，代入式（8），得出Q=2.96Mvar。考慮龍溪電站發電機是利用老機組改造，為了安全穩定，最后確定：按照在額定負荷時的最大進相深度為2.5Mvar進行試驗。

（2）發電機進相時，機端電壓會降低。根據調度曲線要求，試驗時保證6.3kV機端母線電壓不低于額定值的90%，即不低于5.67kV。

（3）由于進相運行，發電機端部漏磁通增大，將引起端部鐵心及鐵構件發熱 。根據發電機定子絕緣等級允許溫度的要求，試驗時應確保定子端部結構件的溫度不超過120℃，防止溫升過高而危及機組的安全運行。

（4）進相運行勵磁電流應在低勵限制線以內，一般低勵限制為額定勵磁的20%（或稍高）。

4 發電機組進相運行試驗

為保證進相試驗順利進行，達到試驗目的，同時保證試驗時的機組和電網安全， 根據《水輪發電機組啟動試驗規程》（DL/T 507-2014）中的規定，水輪發電機組無功進相試驗按50%、80%、100%額定功率分階段進行試驗。

4.1 進相試驗步驟

（1）試驗前，由勵磁廠家對勵磁系統的欠勵限制值設置在一定的數值（滿足進相無功值要求），退出機組失磁保護，勵磁系統以恒機端電壓運行方式運行。

（2）進相運行試驗按表1的P-Q值從小到大的順序，調節發電機帶不同的有功功率，分別在每一個負荷點，維持有功功率不變，調整勵磁電流使無功功率達到表1的無功值。

（3）由運行人員在每一有功負荷的第一試驗點（功率因數為1.0）和進相運行最深一點時記錄有功功率、無功功率、定子電壓、定子電流、功率因數、轉子電流及定子線圈和鐵芯的溫度。

（4）在每一有功負荷下做完進相試驗后，先增加勵磁電流，將發電機拉入遲相運行狀態，然后才能調節有功負荷，進行下一個工況的試驗。

4.2 進相試驗時的異常處理

（1）在試驗過程中，密切注意發電機定子鐵芯、定子線圈、定子鐵芯端部溫度變化情況，當溫度升高較快、達到限制點時，立即將發電機拉回至遲相運行狀態。

（2）進相運行時，發電機端電壓將降低，導致廠用母線電壓下降，在試驗時要密切監視廠用電壓的變化情況，當400V廠用電電壓降低到360V時，停止試驗并增加勵磁。

（3）機組在進相試驗過程中，一旦發生失磁，應迅速恢復勵磁，如果失敗應立刻跳閘停機。

（4）試驗中，如果發生機組電氣量、溫度、振動等數據超過允許范圍，立即停止試驗。

（5）試驗過程出現失磁、低勵或其他保護動作，由勵磁或保護廠家技術人員調整低勵限制整定曲線及保護定值。試驗結束后根據調度要求，發電機恢復正常運行方式。

5 進相運行試驗結果分析

龍溪電站的兩臺發電機組在枯水期、電網允許的時間段內進行了進相運行試驗，試驗時的環境溫度為22℃。試驗過程記錄了各種試驗數據，表2所列為發電機在輸出額定有功功率時最大進相無功功率的試驗數據。

在給定額定有功功率9MW，進相無功功率2.5Mvar的工況是機組進相運行的最差工況，根據試驗記錄數據與限制條件進行比較可見：

1號發電機進相運行11個小時 ：110kV母線電壓為112.82kV，發電機機端母線電壓為5.92 kV，不低于限制條件的5.67kV；發電機定子電流為746.2 A，小于發電機的額定電流1082A；定子線圈和定子鐵芯六個測溫點最高溫度分別為55.8℃、49.1℃，空冷器熱風溫度最高為40.8℃，在允許的限制范圍內。

2號發電機進相運行了7個小時，110kV母線電壓為113.80 kV，機端母線電壓為5.88 kV，不低于限制條件的5.67kV；發電機定子電流792.1 A，小于發電機的額定電流1082A；定子線圈和定子鐵芯六個測溫點最高溫度分別為49.2℃、44.6℃，空冷器熱風溫度最高為37.7℃，在允許的限制范圍內。

發電機在進相運行過程，運行安全穩定，各導瓦溫、油溫、機組振動擺渡都在允許范圍內，廠用電最低電壓367V，在試驗過程中沒有發生異常情況。

試驗結束后，勵磁廠家按照額定輸出有功功率進相無功功率為2.5Mvar的工況時，監視的數據，對低勵限制進行了整定。試驗人員和運行人員對機組設備進行了全面檢查，一切正常。

6 結語

通過本次進相運行可行性試驗，證實了龍溪電站水輪發電機組完全滿足進相運行要求，進相深度可達2×2.5MVar。運行值班人員全程參與了試驗過程，全面了解了進相運行的限制條件，掌握了進相運行的方法和技術，摸清了機組進相運行性能。由于龍溪電站發電機組是在老機組的基礎上改造而來，在結構上和新設計具備進相運行能力的機組有所差別，在今后運行中，應盡量在遲相工況下運行，如果在電網負荷低谷時，需要進相運行，必須在調度的指令和許可下進行，進相深度最高不得超過2×2.5MVar。龍溪電站機組進相運行的試驗也說明了機組報廢重建，增效擴容后，只要嚴格認真做好各項安全、組織及技術措施，盡管是舊機組改造也是可以進相運行的。

【參考文獻】

[1]劉翔宇，何玉靈，周文考，等.考慮電網穩定限制的機組進相能力分析[J].華北電力大學學報（自然科學版），2017：44（1）.

[2]劉新正，蘇少平，高琳譯.（美）烏曼.電機學（第七版）.北京.電子工業出版社.2014.

[3]陳波，周寧，蘇永春，等.進相試驗約束條件下隱極同步發電機進相深度限值分析[J].電機與控制應用，2016，02（43）：30-35.

[4]李志強，何鳳軍，晁暉，等.進相試驗中凸極同步發電機靜態穩定限制的數值分析[J].電機與控制學報，2011，12（15）：90-95.