電網電壓和頻率波動對大型發電機的運行影響分析

楊 勇,周光厚,吳弘玲,何 偉,鄒應冬

(東方電氣集團東方電機有限公司,德陽 618000)

0 引言

在某些國家和地區,電網建設相對落后,線路老化嚴重,輸電損耗大;輸電通道不足,與周邊電網的互聯互通程度也不高,用電高峰期的“電荒”現象凸顯。因此,這些地區電網的穩定性相對較差,電網電壓和頻率的波動范圍較大。為了適應電網的特殊運行需求,電力公司通常要求發電機在超出IEC和GB標準中規定的電壓和頻率安全運行范圍外長期或短時運行。然而,電網電壓和頻率的波動,將直接影響到發電機組的長期安全穩定運行,主要體現在幾個方面:

(1) 電網電壓和頻率的波動可能會引起發電機的定、轉子繞組溫度過高,損傷繞組絕緣,進而影響機組的使用壽命;

(2) 電網電壓的升高會使機組勵磁電流增大,發電機定子鐵心磁密和損耗也會相應增加,長期過磁通運行也會大幅增加鐵心燒損的風險;

(3) 電網頻率的波動幅度過大可能會造成機組失步振蕩;

(4) 機組長期超速運行和轉速頻繁變化將會對相關部件的動力特性及疲勞壽命有一定影響。

經常超出標準規定的安全范圍運行,無疑對大型發電機組的設計和運行維護提出了新的挑戰和考驗。本文將結合某電力公司提出的技術要求,以某水輪發電機為研究對象,對電網電壓和頻率波動對其運行溫度、運行穩定性、部件的動力特性及疲勞壽命影響進行研究和分析。

1 發電機VF運行區域及相關標準要求

1．1 標準中規定的發電機電壓和頻率運行限值

IEC 60034-1和IEC 60034-3標準中規定的發電機電壓和頻率運行限值如圖1所示。發電機應能夠在A區域內(電壓偏差±5%,頻率偏差±2%)連續穩定運行。標準規定的發電機溫度和溫升限值僅適用于額定運行點(額定容量、額定電壓、額定頻率)。但當發電機運行在A區域邊界或B區域時,其溫升或溫度可能會比A區域更高,應在運行持續時間、運行頻次等方面加以限制,或者采取矯正措施(例如降低發電機組輸出)以避免發電機組溫度過高而影響繞組絕緣壽命。

圖1 IEC標準中規定的發電機電壓和頻率的運行限值

1．2 某水輪發電機的電壓和頻率運行區域

圖2陰影區域是電力公司針對某水輪發電機提出的電壓和頻率的連續運行區域。

圖2 某水輪發電機電壓和頻率的運行限值

從圖2可以看出,該水輪發電機的電壓和頻率運行范圍已超出了IEC標準規定的長期安全穩定運行的范圍。

2 針對擴大發電機電壓和頻率運行范圍可采取的優化設計措施

如果按照相關標準規定的長期安全穩定運行區域進行上述水輪發電機組的設計,在超出標準規定范圍運行時,定轉子溫升會升高,在最惡劣的運行工況(電網電壓維持額定,電網頻率偏差-6%)時,轉子繞組的溫升將上升約20 K,已接近標準規定的溫升限值,將直接影響機組長期安全穩定運行和使用壽命。

為了滿足電力公司增大電壓和頻率運行范圍的要求以及保證水輪發電機的安全穩定運行,在機組設計時,可以采取相應的優化設計措施。

在機組運行溫升及磁密水平控制方面的主要優化設計措施有:

(1) 增加磁極線圈匝數來降低轉子電密,從而降低轉子溫升;

(2) 優化定子線棒參數(如增加股線數或股線規格)來降低定子繞組溫升;

(3) 確保機組在超出標準規定的安全運行區域時,定轉子磁密處于合理的范圍,避免達到材料的磁飽和區域,降低過磁通風險。

在提升機組運行穩定性方面的主要優化設計措施有:

(1) 適當增大短路比(即減小直軸同步電抗),可提高水輪發電機的靜態穩定性,發電機在欠勵狀態(充電運行和進相運行)下的穩定性也會提高;

(2) 適當減小直軸瞬變電抗,能提高水輪發電機的動態穩定性;

(3) 適當增大機組飛輪力矩,也能一定程度提高水輪發電機的動態穩定性。

在部件的動力特性和疲勞壽命方面,計算時綜合考慮了電網電壓和頻率波動的范圍及頻次的影響,發電機轉子設計時考慮足夠的剛強度和足夠的安全系數,緊固件連接牢靠,在超出標準范圍超速運行時不發生有害變形,并確保部件疲勞壽命達到相關技術要求[1]。

雖然,通過優化電磁和結構參數,可以在一定程度上擴大水輪發電機電壓和頻率的運行范圍,且將定轉子溫升控制在合理范圍內,但是會增加發電機的有效材料和生產制造成本。

通過對某水輪發電機采取相應的綜合優化措施后,其基本參數如表1所示。

表1 某水輪發電機基本參數

3 電壓和頻率的波動對發電機定轉子繞組溫升的影響

本節以上述水輪發電機為研究對象,對圖2運行區域邊界上各點進行溫度或溫升計算分析。詳細的計算工況如圖3所示。各計算工況水輪發電機額定出力(額定容量225 MVA,額定功率因數0.80)維持不變。

根據該水輪發電機通風冷卻系統的分析計算結果,在額定負載運行工況(工況點1)下,發電機定子繞組溫升為40 K,轉子繞組平均溫升為62.1 K,如圖4所示。

圖4 額定負載工況下發電機繞組溫度場計算結果

定轉子繞組的銅耗與其電流平方成正比,在散熱條件不變的情況下,定轉子繞組的溫升可近似按照與電流的平方成正比進行推算。

根據計算結果,當電網電壓維持額定,且頻率偏差-6%時(工況點12),發電機勵磁電流最大,此工況下轉子繞組平均溫升較額定負載上升約20%,但仍滿足標準要求且有一定裕度;當電網電壓偏差-5%時,發電機定子電流最大,定子繞組溫升較額定負載上升約10%,溫升裕度較大。

通過不同運行工況點的計算結果對比,可得出在電網頻率恒定,電壓波動時對發電機定轉子繞組溫升的影響規律,如圖5(a)所示;在電網電壓恒定,頻率波動時對發電機定轉子繞組溫升的影響規律,如圖5(b)所示。

圖5 電網電壓和頻率波動對繞組溫升的影響

通過上述分析可以看出,電網電壓和頻率波動對發電機溫升的限制主要在轉子方面。發電機組應盡量避免在電網電壓較高且頻率負偏差時長期運行,防止轉子繞組溫度過高,損傷絕緣,進而減小機組的使用壽命。

當發電機定轉子溫度較高時應采取相應措施進行限制性運行,例如減小機組無功輸出,從而減小勵磁電流,但發電機組在無功減小時,功角會逐漸增大,尤其在發電機組在進相運行時,穩定性會變差。

4 頻率波動對發電機組運行穩定性的影響

本節建立了上述水輪發電機與電網耦合仿真計算模型,如圖6所示。在維持發電機組額定出力(額定有功功率、額定功率因數)的情況下,通過控制電網頻率參數變化,完成了在電網頻率變化時發電機組瞬態運行過程的仿真。

圖6 某水輪發電機網機耦合仿真模型

電網頻率單次1 Hz波動時,發電機有功、無功、勵磁電流、轉速、功角的變化曲線如圖7所示。

圖7 電網頻率小幅變化對發電機運行的影響

仿真結果表明:在電網頻率波動時,發電機組能夠維持額定出力,轉速隨電網頻率變化而變化,最終穩定在與電網頻率相對應的同步轉速。由于發電機端電壓不變,電網頻率增大時,勵磁電流減小;電網頻率減小時,勵磁電流增大。頻率波動對發電機功角影響較小。但發電機有功功率、無功功率、勵磁電流、轉速的振蕩幅度與頻率波動幅度正相關;當頻率波動幅度較大時,將會導致機組失步振蕩。

5 結論

(1) 電網電壓和頻率波動對大型發電機的運行溫度、運行穩定性、部件動力特性及疲勞壽命會產生較大的影響。結合電力公司針對某水輪發電機組提出的特殊運行需求,本文提出了相應的優化設計措施,但往往會使機組的設計和生產制造成本增加。

(2) 本文通過有限元分析計算和暫態過渡過程仿真分析的方法,對電網電壓和頻率波動對某水輪發電機的運行溫度和穩定性進行了計算和分析。結果表明,該發電機在采取相應優化設計措施后,定轉子繞組溫升明顯降低且有一定的裕度,運行穩定性較好。

(3) 鑒于以上分析,建議大型發電機組在IEC和GB標準中規定的電壓和頻率安全運行范圍內運行。若機組經常超出標準規定區域運行,電站運行維護人員應相應增加機組的檢修頻次和力度,并加強對機組運行狀態的監控。此外發電機組在電網電壓和頻率偏差較大的情況下運行時,應采取相應限制措施,例如適當減小機組無功輸出,從而減小勵磁電流。