300 MW發電機組并網進相運行實踐分析

李賀昌，沈 軍

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063210）

1 引言

隨著電網大型發電機組的不斷投運，高壓、超高壓遠距離輸電線路配套增加，電力系統無功功率過剩、整個和局部電網電壓偏高問題日益突出，電網的無功調節和電壓控制的難度不斷增大。如何在進行有功功率的調度和系統頻率調整的同時，安全、靈活、有效地進行無功功率的調整和電網電壓的控制，是當前電網運行的棘手問題。以往的手段是不斷增加系統調節無功設備的投資，來滿足電網在不同運行方式下調節的需求。而大型汽輪發電機組采用進相運行來達到吸收剩余無功、進行電壓控制的技術，無須增加投資，因而越來越得到業內人士的認可，并得到了電力試驗研究部門的重視。但是，發電機的進相運行是一個復雜的運行工況，它與系統的運行方式、電壓水平、穩定性、發電機端部溫升、勵磁系統運行方式、廠用電電壓等問題緊密聯系,故要在現場試驗工作的基礎上，綜合考慮涉及的各種限制因素，為調度部門和生產單位提供機組安全可行的運行區域，達到調節無功、控制電壓的目的。

2 進相試驗原理簡介、試驗目的

進相運行是發電機的一種特殊運行狀態，當電網電壓過高時，機組可以吸收大網無功電流而進相運行。進相運行的原理是：調整發電機的勵磁電流，當過激時發電機可以發出感性無功功率，而欠激磁時，發電機要吸收感性無功功率。而發電機進相運行時，其靜穩定極限下降，動穩定性削弱，發電機定子鐵芯端部及結構件溫度上升，機端電壓和廠用電壓降低。發電機輸出的有功功率P和功角δ的關系為：

式中：P——電磁功率；

δ——功角；

Eq——發電機電勢；

U——發電機機端電壓；

Xd——發電機電抗。

其曲線如圖1所示，這里發電機的定子電勢Eq，與勵磁電流 Ie有關，Ie大，則 Eq大，Ie小則 Eq小。假定發電機原來在遲相情況下運行，對應的功角特性為圖1中的曲線1。此時勵磁電流Ie1所對應的電勢為 Eq1，則曲線的幅值為在輸出有功功率為P1時，運行點為α1，所以對應的功角為δ1。降低勵磁電流，使發電機在低勵磁Ie2的進相狀態下運行，此時，與Ie2對應的電勢為Eq2，對應的特性曲線為曲線2，其幅值為δ。在輸出有功功率不變的情況下，運行點變為α2，所對應的功角為δ2，顯然，δ2＞δ1，進相時 δ角更接近 90°易失去穩定。所以應盡量使功角遠離90°，因此需要根據試驗確定機組進相穩定運行的能力。

3 300 MW發電機組進相運行方案

1#300 MW發電機組進行進相試驗期間系統總負荷為（300 MW+j70 kvar），發電機組經101開關并入熱電110 kV變電站110 kV母線，再經過兩條聯絡線并入鐵鋼220 kV變電站110 kV系統，公司共有3臺240 MVA變壓器運行，兩座220 kV變電站220 kV系統并列運行，110 kV系統分列運行，具體運行方式如圖2所示。

圖1 發電機功角特性曲線

表1 各電壓等級允許范圍

圖2 電力系統運行方式簡圖

300 MW發電機組進相試驗目標為進相運行功率因數0.95（發電機組吸收無功100 Mvar），由于正常運行時發電機組滯相運行功率因數為0.95，因此在發電機組進相試驗過程中，公司電網系統無功潮流變化量非常大，可達200 Mvar，這個過程必定會導致系統電壓的嚴重降低。由于鋼鐵廠內負荷眾多且各工序正常生產，有許多設備對電壓有較高要求，同時配置過壓保護和欠壓保護，因此要在保證各工序正常生產的前提下進行進相試驗，必須要嚴密監視電壓的變化情況，為應對試驗過程中出現的電壓降落，必須制定有效的控制措施：（1）保證220 kV變電站12組電容器（每組8000 kvar）隨時具備投運條件以補償系統出現的無功不足現象；（2）保證各110 kV變電站主變分接開關具備調整條件，保證各區域用戶的用電質量，防止電氣設備低壓動作跳閘；（3）在試驗過程中嚴密監視各110 kV變電站110 kV、10 kV母線電壓，一旦電壓超出表1允許的電壓范圍，立即進行相關調整措施，如果無法恢復電壓至允許范圍內則停止進相試驗。（4）加強高爐鼓風機（功率60 MW）、制氧機組（功率為36.5 MW、29.6 MW）等大型同步電動機運行情況的監視，一旦出現異常立即停止試驗，保證高爐正常生產。

300 MW機組進相試驗過程中自備電廠遵循的限定范圍如下所示，一旦超出限定范圍則應立即停止試驗，防止發電設備損壞：

（1）20 kV 機端電壓：（0.9～1.10）Un，即 18～22 kV；

（2）6 kV 母線電壓：（0.95～1.05）Un，即 5.7～6.3 kV之間；

（3）380 V母線電壓:360～400 V之間；

（4）發電機定子電流最大值：1.0In，即10190 A；

（5）發電機功角δ最大值：70°。

4 300 MW發電機組進相運行試驗過程分析

發電機分別在 150 MW，200 MW，250 MW，300 MW的發電負荷下進行進相試驗，并分別以限制條件為邊界，試驗具體過程及維持電壓等所采取的手段具體為：

（1）發電機組（功率為 250 MW+j43 Mvar），此時2250熱軋10 kV母線電壓降至9.7 kV，3#站10 kV母線電壓降至9.78 kV；鐵鋼站投入4組并聯電容器（每組8000 kvar），熱軋主變分接頭由6檔調至8檔，3#站主變分接頭由6檔調至7檔，電壓回升至9.8 kV。

（2）發電機組（功率為 250 MW+j80 Mvar），鐵鋼再投入兩組電容器，各站電壓均在允許范圍內。

（3）繼續加大無功進相深度，此時自備電站6 kV母線電壓過低至5.7 kV，將廠用電倒至起備變。

（4）發電機組（功率為 300 MW+j100 Mvar，功率因數0.95），鐵鋼站再投兩組電容器，鐵鋼站10 kV系統電壓達11 kV，1#機組機端電壓過低約為18 kV，最終結束進相試驗。

此次進相試驗過程中，由于對電壓進行嚴格控制，高爐鼓風機、制氧機等大型同步機組均正常穩定運行，無電氣設備低壓動作情況，主要站所電壓變化如表2所示。

表2 1#300 MW機組并網前后電壓變化表

京唐公司1#300 MW發電機組試驗結果表明：每調整150 Mvar的無功負荷可使電網較遠地區變電站110 kV母線電壓降低2 kV左右，進相運行機組所在電網母線電壓變化5 kV左右，但電壓仍在允許范圍內。京唐公司300 MW發電機組進行進相試驗中關鍵是電壓波動明顯，尤其是與機組并網點較近的電網電壓變化較大，要注意110 kV母線電壓在107 kV以上，以及確保機端電壓在18 kV以上，而對于發電機組功角及定子轉子溫度均在限制范圍內，進相運行試驗對于遠處電網的電壓水平影響較小，對于制氧高爐鼓風等系統大型同步電機基本沒有影響。

通過300 MW發電機組進相運行所采取的措施及試驗數據分析得出，發電機組進相試驗的關鍵是如何控制系統電壓及機端電壓在允許范圍內。由于在發電機組進相運行試驗中，系統電壓普遍下降，因此需要適當調整變壓器的變比才能增加進相運行的深度，要確保各節點都具備電容補償設施，防止由于集中補償而造成部分節點電壓偏高、部分節點電壓偏低的情況。同時要提前做好準備，在可能的條件下將廠用電切換至備用變帶，防止因電壓降落較大，影響電站廠用設備正常運行，進而影響進相運行的深度。

5 結論

通過此次300 MW發電機組進相運行試驗可以得出，發電機組進相運行對高爐鼓風機等大型同步機組無明顯影響，主要是影響近區域電網的電壓水平，因此如何控制好近區域電網電壓水平決定進相運行的深度。通過實際進相運行經驗，對鋼鐵廠內自備大型發電機組進相運行時應注意的問題和應提前采取的措施進行以下總結：

（1）適當地降低發變組升壓變壓器的變比，可以保證發電機機端電壓在允許范圍內，適當增加進相運行的深度。

（2）將廠用電提前切換至起備變帶，防止因電壓降落較大影響廠用用電設備的正常運行。

（3）提前調整各用戶變壓器的變比，以適當提高各節點電壓水平。

（4）確保各節點都具備電容補償設施，防止集中補償而造成電壓不均衡的情況。

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