蘇布雷水電站無(wú)功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)

呂 寧， 高 方 圓， 蔡 松 威

(1.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.通用電氣水電設(shè)備(中國(guó))有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130500；3.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司 廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概 述

科特迪瓦全國(guó)的電網(wǎng)總裝機(jī)容量為2 087 MW,其中全國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量為810 MW，占比約39%，汽輪發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量為1 277 MW，占比約61%。蘇布雷水電站總裝機(jī)容量為275 MW，在科特迪瓦電網(wǎng)中的占比約為13%，占據(jù)重要的地位。

蘇布雷水電站位于科特迪瓦蘇布雷市境內(nèi)的撒桑德拉河上，該水電站庫(kù)容量為0.83億m3,共裝有4臺(tái)發(fā)電機(jī)組，其中3臺(tái)為單機(jī)容量90 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，1臺(tái)為容量5 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

蘇布雷水電站混流式水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF90-56/10180、額定轉(zhuǎn)速為107.1 r/min、額定頻率為50 Hz、額定容量為105.882 MVA、功率因數(shù)cosφ=0.85、發(fā)電機(jī)額定電壓為10.5 kV，額定電流為5 822 A，額定勵(lì)磁電壓為233 V，額定勵(lì)磁電流為1 572 A。

針對(duì)大部分非洲國(guó)家的電力建設(shè)還不夠完善，電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)電壓、頻率波動(dòng)大等不穩(wěn)定現(xiàn)象，筆者對(duì)科特迪瓦水電站調(diào)試過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)遲相運(yùn)行無(wú)功功率無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，因地制宜地合理優(yōu)化了勵(lì)磁系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了重要作用。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)

2.1 額定功率因數(shù)下遲相運(yùn)行

蘇布雷水電站水輪發(fā)電機(jī)組帶額定負(fù)荷90 MW，在額定功率因數(shù)0.85狀態(tài)下運(yùn)行，無(wú)功功率需要達(dá)到55.77 MVar。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題：水輪發(fā)電機(jī)組處于并網(wǎng)態(tài)，各系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，調(diào)度要求蘇布雷水電站1#機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行且需在額定功率因數(shù)0.85狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)有功功率升至90 MW、無(wú)功功率升至45 Mvar時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)功功率無(wú)法繼續(xù)增加，此時(shí)的勵(lì)磁電流為1 440 A、勵(lì)磁電壓為203 V、系統(tǒng)電壓為10.9 kV。

針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了以下內(nèi)容的檢查：首先，檢查了勵(lì)磁變高低壓側(cè)電流，核實(shí)了勵(lì)磁變壓器的容量，得知?jiǎng)?lì)磁變?nèi)萘繚M(mǎn)足要求；其次，要求業(yè)主人員協(xié)調(diào)電網(wǎng)調(diào)度降低系統(tǒng)電壓，隨著電網(wǎng)電壓慢慢降低至10.6 kV，無(wú)功功率從45 Mvar增加至48 Mvar，勵(lì)磁電流無(wú)明顯變化，因此，現(xiàn)場(chǎng)最終判斷該現(xiàn)象是由于勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合理所導(dǎo)致的。我們協(xié)調(diào)廠家技術(shù)人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查，廠家人員到場(chǎng)后進(jìn)行了以下兩種方式的運(yùn)行檢查。

(1)手動(dòng)方式FCR下調(diào)節(jié)。

當(dāng)蘇布雷水電站1#機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行方式切換至手動(dòng)方式FCR下運(yùn)行，1#機(jī)組可以達(dá)到電網(wǎng)要求，帶滿(mǎn)90 MW負(fù)荷，功率因數(shù)為0.85，無(wú)功功率可以升至額定55.77 MVar，此時(shí)機(jī)端電壓為10 941 V、勵(lì)磁電流為1 509 A。筆者針對(duì)圖1所示的手動(dòng)方式FCR數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析：

注：Igd：手動(dòng)方式電流給定值為1%～120%；IL：勵(lì)磁電流測(cè)量；Ta：勵(lì)磁電流濾波時(shí)間常數(shù)，≤40 ms；Kair：FCR內(nèi)部放大倍數(shù)；TB1/TB2：FCR超前/滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；Uk：手動(dòng)方式輸出，范圍為-10 000～+10 000(標(biāo)幺值-1～+1)圖1 手動(dòng)方式FCR數(shù)學(xué)模型圖

通過(guò)手動(dòng)方式FCR調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型可以看出，勵(lì)磁系統(tǒng)在手動(dòng)方式FCR下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組無(wú)功功率的調(diào)節(jié)僅與勵(lì)磁電流有關(guān)而不受機(jī)端電壓影響，機(jī)組的無(wú)功功率在不超過(guò)額定勵(lì)磁電流限制下可以升至額定無(wú)功功率。

(2)自動(dòng)方式AVR下調(diào)節(jié)。

當(dāng)蘇布雷水電站1#水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行方式切換至自動(dòng)方式AVR下運(yùn)行時(shí)，1#機(jī)組無(wú)法達(dá)到調(diào)度要求；帶滿(mǎn)90 MW負(fù)荷時(shí)，無(wú)功功率只能達(dá)到48 Mvar，此時(shí)的機(jī)端電壓為10 786 V、勵(lì)磁電流為1 431 A。筆者針對(duì)圖2所示的自動(dòng)方式AVR數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析。

注：Ugd：自動(dòng)方式電壓給定值為1%～20%；Ug：機(jī)端電壓測(cè)量(%)；Ta：機(jī)端電壓測(cè)量時(shí)間常數(shù)，≤20 ms；Kavr：AVR內(nèi)部放大倍數(shù)；TA1/TB2：AVR第1級(jí)超前/滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)； TA3/TB4：AVR第2級(jí)超前/滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；Uk：自動(dòng)方式輸出，范圍：-10 000～+10 000(標(biāo)幺值-1～+1)圖2 自動(dòng)方式AVR數(shù)學(xué)模型圖

通過(guò)自動(dòng)方式AVR數(shù)學(xué)模型可以看出：勵(lì)磁系統(tǒng)在自動(dòng)方式AVR下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組無(wú)功功率的調(diào)節(jié)與機(jī)端電壓有關(guān)。為了使勵(lì)磁系統(tǒng)可以更可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，當(dāng)機(jī)端電壓超過(guò)額定電壓時(shí)，勵(lì)磁電流會(huì)被限制在額定勵(lì)磁電流以下。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)處于自動(dòng)方式下運(yùn)行時(shí)，因科特迪瓦全國(guó)電力設(shè)施陳舊老化，電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，機(jī)組并網(wǎng)后，帶滿(mǎn)90 MW負(fù)荷，功率因數(shù)為0.85，調(diào)節(jié)無(wú)功功率，無(wú)功功率無(wú)法達(dá)到55.77 Mvar,需將自動(dòng)方式中的勵(lì)磁電流限制放大，可使機(jī)組的無(wú)功功率達(dá)到55.77 Mvar。

通過(guò)檢查調(diào)試分析得知:由于該國(guó)電網(wǎng)電壓和頻率變化較大的原因是因勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)沒(méi)有因地制宜進(jìn)行調(diào)整所致，故科特迪瓦蘇布雷水電站水輪發(fā)電機(jī)組在機(jī)組并網(wǎng)后帶滿(mǎn)90 MW負(fù)荷，功率因數(shù)為0.85,調(diào)節(jié)無(wú)功功率，無(wú)功功率無(wú)法達(dá)到55.77 Mvar。

經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化，科特迪瓦蘇布雷水電站水輪發(fā)電機(jī)組可以滿(mǎn)足業(yè)主要求，使無(wú)功功率達(dá)到額定要求。

2.2 無(wú)功功率容量試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的一種重要手段。在國(guó)內(nèi)，我們會(huì)進(jìn)行無(wú)功功率進(jìn)相試驗(yàn)，該試驗(yàn)是為了驗(yàn)證機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)功功率的進(jìn)相深度；但在國(guó)外，我們需要進(jìn)行的是無(wú)功功率容量試驗(yàn)，該試驗(yàn)既要驗(yàn)證機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)出的最大無(wú)功功率，也要驗(yàn)證機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)功功率的進(jìn)相深度。筆者介紹了對(duì)蘇布雷水電站水輪發(fā)電機(jī)組無(wú)功功率容量試驗(yàn)進(jìn)行的匯總情況。

試驗(yàn)前，根據(jù)主機(jī)廠家提供的功率圓圖(圖3)初步計(jì)算得到的進(jìn)相及遲相深度見(jiàn)表1。機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行時(shí)取0.9 pu曲線，遲相運(yùn)行時(shí)取1.1 pu曲線。

圖3 蘇布雷水電站水輪發(fā)電機(jī)組功率圓圖

項(xiàng) 目有功功率 /MW060758090計(jì)算值正向無(wú)功功率 /MVar63.5+61.4+58.2+57.2+55.7反向無(wú)功功率 /MVar-68.8-54.5-48.7-45.5-43.5

試驗(yàn)過(guò)程中的主要限制條件：

(1)機(jī)端電壓Ue:0.9Ue≤Ue≤1.1Ue；

(2)廠用電系統(tǒng)電壓0.95Ue≤Ue≤1.05Ue；確保不會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成損害；

(3)定子線棒及鐵芯的溫度滿(mǎn)足廠家提供的限制值；

(4)勵(lì)磁電流If不超過(guò)額定勵(lì)磁電流。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出：蘇布雷水電站無(wú)功功率進(jìn)相調(diào)節(jié)過(guò)程中主要的限制因素是機(jī)端電壓，同時(shí)也證明了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，就這一點(diǎn)而言也是對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)試人員的一種考驗(yàn)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際情況合理地優(yōu)化勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)，在確保發(fā)電機(jī)各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下最大限度地進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡可能地為維持當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)揮作用。

從蘇布雷水電站無(wú)功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)可以看出：同步發(fā)電機(jī)尤其是大型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響。勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有以下幾項(xiàng)作用：①調(diào)整各個(gè)并聯(lián)機(jī)組之間的無(wú)功功率分配；②維持電力系統(tǒng)某點(diǎn)電壓的恒定；③ 提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。但其最基本和最主要的任務(wù)是維持發(fā)電機(jī)(或其他控制點(diǎn)，例如電廠高壓側(cè)母線)的電壓在給定值水平上并提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語(yǔ)

電力系統(tǒng)是由發(fā)電(發(fā)電廠)、輸電(電網(wǎng))和用電(配電、供電和用戶(hù))三部分組成的，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由發(fā)電的穩(wěn)定性、輸電的穩(wěn)定性和用電的穩(wěn)定性共同實(shí)現(xiàn)的，三者缺一不可。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性不但與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式的合理安排有關(guān)，而且和發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的規(guī)律和參數(shù)有著重要的關(guān)系。只有當(dāng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了，機(jī)組的運(yùn)行相對(duì)就會(huì)多一份保障，才能使用戶(hù)更加滿(mǎn)意。隨著一帶一路倡議的進(jìn)程，越來(lái)越多的電力企業(yè)走向國(guó)際化，了解當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的真實(shí)狀況，從設(shè)計(jì)理念上合理優(yōu)化出口設(shè)備的參數(shù)和性能，并使電氣設(shè)備的安全系數(shù)相應(yīng)地提高，電氣設(shè)備的承壓及載流能力應(yīng)能滿(mǎn)足較大波動(dòng)的安全運(yùn)行，參數(shù)調(diào)節(jié)的范圍亦應(yīng)較國(guó)內(nèi)更寬，使之在適應(yīng)當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)的同時(shí)更加合理地調(diào)整和改善當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，同時(shí)亦會(huì)增強(qiáng)企業(yè)的效益、提升企業(yè)的聲譽(yù)，為一帶一路的發(fā)展發(fā)揮更大的作用。