对水轮发电机组进相运行的研究

对水轮发电机组进相运行的研究

徐基航

国能大渡河瀑布沟水力发电总厂 四川雅安 625304   

摘要：系统的负荷较少时，过剩的无功功率会导致系统电压升高，甚至会超出规定值，影响电压质量，此时可以将发电机进相运行，吸收过剩的无功功率，降低电网电压。本文以某电厂为例，对水轮发电机组进相运行进行了探讨。

关键词：发电机；进相运行

1进相运行的含义和功角关系

发电机的进相运行是指发电机向系统发出有功功率，但从系统吸收无功功率的运行状态。发电机和无穷大电网相连时，端电压U_G恒定。设发电机的电势为E₀，负荷电流为I，功率因数角为φ。若调节励磁电流I_f，在U_G及P不变的条件下，随着E₀的变化，功率因数角φ也发生变化。当增加励磁电流时，E₀变大，此时负荷电流I，滞后于端电压U_G，功率因数角φ滞后，此时发电机向系统提供有功功率和无功功率，即迟相运行。反之，当减少励磁电流，使E₀减少，功率因数变成超前，此时发电机向电网输出有功功率且吸收无功功率，即进相运行。

2水轮发电机组进相运行的原因

以某电厂为例，该电厂装机5×250MW，其中一号厂(以下简称老厂)机组编号1号至3号机，二号厂(以下简称新厂)机组编号4号至5号发电机组。2018年该地区电网500kV线路长度为5132km，其充电功率为5560Mvar，充电无功补偿度为93％，较全补偿约有38lMvar的差额。在负荷低谷时段，部分500kV系统向220kV系统下送较多无功功率，且为了平衡500kV电网过剩的无功功率，不仅需要将500kV变电站的低压电抗器全部投入，还要求500kV电网部分发电机组零无功运行甚至进相运行。220kV电网的无功裕度在丰大方式下除了部分地区不足，其余地区均有盈余，在丰小、枯小方式下，全部地区裕度不足，在低谷时段需要投入500kV低压电抗器、减少220kV机组无功出力甚至进相来平衡过剩无功功率。该电网地区电压，在丰大方式下可以控制在220kV及以上，满足相关规定，在丰小、枯小方式下，低谷时段需要500kV机组进相、500kV变电站高低抗投入、地区机组少发无功、变电站及时投切无功补偿装置，上限才可以控制在235kV左右。由于电网系统无功过剩现象突出，当系统有功负荷较轻时，会导致北部电网电压较高，为避免电网无功过剩，系统电压过高现象，并入北部电网的运行机组大多处于进相运行况，从系统吸收部分无功，满足系统电压质量要求。

3进相运行的约束条件及相关要求

3.1发电机静态稳定性的限制

设发电机的直流电抗等于交流电抗，即x_d=x_q发电机单机对无限大容量的功率为：

进相运行时在输出功率P恒定的前提下，随着励磁电流I_f的减小，发电机电动势E₀随之减小，功率角φ增大，使静态稳定性降低。

3.2定子端部铁芯和金属结构件温升的限制

当发电机运行时，在端部产生的定子绕组的端部漏磁与转子绕组的端部漏磁通过磁阻形成闭路，该旋转漏磁磁场在切割静止的定子端部及各金属结构件时，会在其中感应出涡流，产生磁滞损耗和涡流损耗使之发热。迟相运行时，定子电流是减磁性电枢反应，这种发热一般是在允许范围内的。而进相运行时，定子电流是助增性电枢反应，发电机定子端部合成漏磁增强，随着进相功率的增大，合成漏磁逐渐增强，定子端部铁芯等磁阻较小的部件，因通过的磁通增强，当某部件冷却不足时，就会出现局部温升过高的现象，甚至温升越限。

3.3厂用电电压和系统电压的限制

发电机机端电压U_G可由下式表示：

变压器的电阻R_T远小于电抗X_T，可忽略不计。由上式可知，当系统电压U恒定、有功功率P不变时，发电机机端电压U_G的大小主要取决于无功功率Q_G。发电机迟相运行时，Q_G大于0，而发电机进相运行时，Q_G小于0，Q_G将大幅度减小，导致由发电机机端引出的厂用电电压也大幅下降。当发电机电压不低于额定电压的95％、厂用电电压不低于额定电压的90％时，可保证大容量厂用电动机的连续运行。发电机进相运行时，从系统中吸收无功功率，将导致系统的电压下降，如果系统的容量较小或无功储备不足，还可能导致发电机机端升压变压器高压侧母线电压及其他临近点的电压低于允许值，从而破坏系统与发电机的稳定运行，甚至引起系统电压崩溃而使系统瓦解。

4发电厂4号、5号发电机进相运行

4.14号、5号发电机进相试验

4号机试验结果为：有功为0MW，进相无功最高为52Mvar；有功为214MW，进相无功最高为48Mvar；有功为250MW，进相无功最高为42Mvar。限制原因均为厂用电低至365V，威胁到厂用电动机的安全运行。

5号机试验结果为：有功为0MW，进相无功最高为40Mvar；有功为200MW，进相无功最高为40Mvar；有功为250MW，进相无功最高为30Mvar。限制原因也均为厂用电低至365V，威胁到厂用电动机的安全运行。

4.24号、5号发电机进相运行情况

4.2.14号、5号发电机进相运行监测记录

4号、5号发电机进相运行时重要部件温度的监视记录如表1、2所示。可以看出：4号机期间处于进相运行工况，5号机进相运行；4号最大进相深度为-38Mvar时，定子端部最高温度80摄氏度，5号最大进相深度为-30Mvar时，定子端部温度最高73摄氏度，厂用电电压最低降至360V，参数均在正常范围内。4号、5号机经实际进相工况运行后，在满足厂用电系统电压不低于360V条件下，没有发现发电机因进相运行而出现的其它异常情况，证明发电机组在上述范围内进相运行是安全的。

4.2.24号、5号发电机进相运行安全控制要点

(1)当4号、5号机全停时，母线电压越限，值班人员立即汇报调度处理。

(2)当4号、5号机开机进相运行，母线电压按接近高限调整，尽可能减少机组进相深度。同时注意监视定子端部温度、厂用电母线电压在允许范围。

(3)当4号、5号机进相运行接近最大深度，母线仍越限，值班人员立即汇报调度处理，同时监视定子端部温度、厂用电母线电压在允许范围。

(4)机组定子端部不超过110摄氏度。

(5)厂用电电压不低于365V，低于365V应立即降低机组进相深度，汇报调度。

5结束语

发电机进相运行，既不额外消耗能量又不需要增设辅助设备，是调整系统无功功率和降压节能最经济、最方便的方法。但发电机在进相运行方式下，更需要加强对系统电压、机端电压以及厂用电电压的监视，关注定子端部温度情况，方能保证机组稳定可靠运行。

参考文献

[1]黄彤军，佘伟威.老挝南椰2水电站水轮发电机进相能力计算[J].西北水电，2017(5):67-69，73.

[2]祝双桔.潼南航电枢纽工程水轮发电机进相运行试验及分析[J].四川水力发电，2018(A01):40-41，59.