大型水輪發電機組出口同期并網方式研究

摘要：文章通過對某電站水輪發電機組同期并網和調速器空載調節方式的介紹，闡明了同期系統在大容量、高水頭機組同期并網中出現同期超時的問題。通過機頻和網頻曲線分析，排除了同期系統和調速系統存在缺陷的問題，發現同期系統調節脈沖與調速系統空載調節存在干擾是導致同期超時的主要原因。針對同期系統和調速系統的干擾問題，采用了優化同期系統、調速系統參數和開機流程的方法加以調整，效果顯著。

關鍵詞：水輪發電機組;同期系統;調速系統;調節干擾;并網超時 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM312 文章編號：1009-2374（2015）02-0140-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0167

本文通過分析大容量、高水頭變幅水輪發電機同期并網中存在超時的問題及其解決方法，從理論上分析排除同期系統與調速系統相互干擾的可能性及其優缺點。本文所采用的解決同期并網超時的辦法，對提高大容量、高水頭機組并網條件具有指導意義。

1 水輪發電機組出口并網原理

同期系統在水輪發電機組和電力系統主網并列運行中起著重要的作用，為電力系統、水輪發電機及其變壓器等設備的安全穩定運行，維持設備良好運行狀況提供了可靠保障。

機組在較理想的狀態下并網，可以有效地降低過電流對發電機、出口斷路器和主變壓器的沖擊，降低對水輪發電機組大軸、發電機絕緣和斷路器端頭的損害，維持電力系統電壓、頻率的穩定。理想狀況下機組并網的條件有：待并發電機的頻率與系統頻率相同;待并發電機端電壓與系統電壓相同;待并發電機的相位與系統相位一致;待并發電機的相序與系統相序一致。然而，因調速系統、勵磁系統、同期系統調節能力和水輪發電機組的運行特性的限制，要達到完全理想狀態是不可能的，所以只能根據調速系統、勵磁系統調節能力，設定同期系統同期并網定值范圍，以實現機組的并網。其基本原理是通過同期裝置比對機組側和系統側的頻率、電壓差值，調節調速系統、勵磁系統的頻率和電壓，當機組側和電網側頻率、電壓差滿足要求后，啟動相位捕捉功能，當三個條件都滿足并網整定要求時，發出合閘命令，從而實現水輪發電機組與電力系統的并網運行。

根據水輪發電機設計和電網運行方式的要求，小灣電站機組同期裝置頻差、壓差和相位差定值如表1

所示：

表1 同期裝置頻差、壓差和相位定值

整定項 頻差（Hz） 電壓差（V） 相位差（°）

整定值 ±0.15 ±2 ±5

2 電站機組出口并網方式介紹

電站單機容量700MW，額定轉速150r/min，最高運行水頭251m，最低運行水頭164m，屬于大容量、大水頭變幅電站。為了保證同期并網的安全性，機組設置了專用同期裝置完成機組同期并網操作。

同期裝置采集發電機出口PT和主變低壓側PT電壓，通過壓差、頻差匹配，并列條件檢測和并列指令生成模塊進行信號采集和合閘指令的生成。同時為了確保機組并網的正確性，同期系統做了如下安全閉鎖功能：（1）在同期調節過程中，頻率、電壓差超出預定值，立即閉鎖相位捕捉和同期合閘令開出功能;（2）同期過程中，同期裝置故障退出運行功能;（3）同期裝置運行時限功能，在規定時間達不到并網定值要求，則退出同期系統。

圖1 同期裝置基本原理

3 當前同期方式存在問題分析

由于機組在投產初期水頭較低，調速器空載調節特性和同期參數并未進行全水頭實際運行檢驗，所以隨著電站庫區水位的升高，在高水頭下同期超時的頻次就逐漸增多。

3.1 同期系統啟動流程

在機組開機至并網的過程中，必須滿足機組轉速信號≥95%Ne、機端電壓≥85%U0和機組在空載態的條件，監控系統發投入PT信號和啟動同期令，同期系統開始工作。此時同期系統根據運算出的系統側與待并側的頻差和壓差，向調速器和勵磁系統分別發增速/減速和增磁/減磁脈沖，使機組的運行狀態滿足發電機組同期并網要求。

3.2 調速系統空載調節原理

調速系統在開機至空載的過程中，先采用導葉開度控制模式，其根據當前運行水頭，計算出相應導葉空載開度，使水輪發電機組迅速開機接近額定轉速，在達到空載開度后，調速器采用頻率調節模式，使機組頻率穩定在50±0.05Hz內，以保持機組的穩定。

3.3 機組并網超時原因分析

經過曲線分析頻差在規定時限內達不到同期并網要求，是造成同期超時的直接原因。因為調速器的空載調節特性、水輪機的穩定性與水頭變幅有很大關系，隨著水頭的變化，調速器空載開度也會隨之變化，

其采用的是將機頻與50Hz標準頻率比較的頻差信號轉換為導葉開度，使機頻穩定在50±0.05Hz范圍內。而同期系統只有一組調節參數，其是將機頻與網頻的比較頻差信號轉化為脈沖信號開出至調速器，調速器再將脈沖量轉化為導葉開度，使機頻與網頻差在±0.15Hz內，調節脈寬僅與機頻和網頻差相關，其不能自適應水頭變化。從上分析可得兩者的調節原理不同，而同時對機組進行調節，因此當水頭變幅較大時易導致頻率波動而發生大頻率干擾。

4 同期超時解決方法及試驗

為了進一步明確調速系統和同期系統之間的調節干擾是導致同期超時的直接原因，我們采用逐項排除法。

4.1 調速器空載試驗

調速器在空載狀態下進行頻率調節性能測試。當出現并網超時的故障時，在同期裝置不啟動的前提下，通過多次開機至空載試驗，觀察機頻和網頻曲線，在同期系統運行的預定時間內，機組通過調速系統的獨立調節，機頻滿足并網要求。結合調速器的空載調節特性試驗，從而判斷調速系統的調節滿足要求。

4.2 同期裝置校驗及假同期試驗

同期裝置校驗。對同期裝置的調壓、調頻特性和導前角度設定進行測試，并進行假同期并網試驗。

表2 增壓、降壓、增頻、減頻動作節點試驗

試驗項目 增壓（V） 減壓（V） 增速（Hz） 減速（Hz）

實測值 98.2 101.9 49.9 50.1

表3 導前角動作節點試驗數據

頻差（Hz） -0.08 -0.06 -0.05 -0.04 -0.02

實測角度（°） 3.9 2.4 3.0 2.7 2.4

表4 假同期試驗數據

合閘時（ms） 相位差（°） 壓差（V） 頻差（Hz） 合閘脈寬（ms）

108.13 0.3 0.7 0.075 990.00

106.88 0.11 0 0.070 980.00

經過裝置校驗和假同期試驗數據分析，同期系統的參數及性能均滿足系統并網要求。

4.3 同期、調速參數及開機流程優化

為進一步減少調速器空載調劑和同期并網過程中兩個系統的相互干擾，分別對兩個系統調節參數和開機流程進行了優化。將調速器開機過程中的導葉開限由1.3倍改為1.2倍，由此防止開機過程因導葉空載開度過大而產生的較大超調量;將調速器頻率給定步長由1000%改為750%，以減小因調節步長過大引起的超調干擾;將同期裝置的轉差率開限由0.2%改為0.3%，頻率調節特性參數由0.2%/S改為0.3%/S，以減小同期裝置頻繁調節對調速器的干擾。修改開機流程，當機組開機至空載態后，延時啟動同期裝置，使機組盡快進入穩定狀態，減小調速系統與同期系統之間的拉鋸干擾。通過參數和流程優化，在后期的同期并網運用中，起得了良好效果。

5 機組同期并網發展展望

從電站的實踐中發現，對于大容量、高水頭的水輪發電機組，傳統的同期并網方式存在諸多缺陷，盡管采用了延時啟動同期的方式，但還是不能從根本上解決調速系統和同期系統之間的互擾問題，且在一定程度上延長了機組的開機并網時間。因此對于大容量、高水頭的水輪發電機組，可從以下兩個方向探索研究同期并網的可行性。

方式一，將水頭信號引入同期系統，通過理論計算和試驗，根據調速器的空載調節特性，確定在不同水頭下同期系統的調頻特性參數，同時在同期系統對機組進行調節的過程中，在保證機組安全的條件下，閉鎖調速器的自調功能，以實現機組的同期并網。該方法可以有效地排除調速系統和同期系統之間的干擾，提高同期系統與調速系統調節特性的匹配性;缺點是對同期參數的優化需要在不同水頭下進行試驗，同期裝置的自適應性較差。

方法二，隨著技術的發展，目前大型水輪發電機組調速器的調節性能已達到較高水平，因此可將水輪發電機組的頻率調節由調速器單獨完成，同期系統僅僅完成電壓調節和相位捕捉功能。該方法排除了調速系統與同期系統的調節干擾，而且還可以有效地利用調速系統對水頭變化的適應性，以提高機組空載穩定性，提高同期并網效率;不足之處是在調速系統還需要具備一定的相位判斷和調節能力，以保證同期的可靠性。

6 結語

本文通過曲線分析，結合調速系統空載試驗、同期裝置校驗和假同期試驗效果，對開停機流程、同期參數和調速器參數進行了優化，在實際運用中取得了良好效果。雖然本文采用的方法，犧牲了一定的開機并網時間，未徹底解決調速器和同期裝置之間的干擾問題，但在當前同期裝置和調速系統技術水平條件下，對如何提高大容量、高水頭水輪發電機組同期并網效率，也具有較好的實踐指導意義。

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作者簡介：邢志江（1983-），男，云南人，華能瀾滄江水電有限公司小灣水電廠工程師，研究方向：水電廠發電機自動控制;李欣亮（1982-），男，山西人，華能瀾滄江水電有限公司小灣水電廠工程師，研究方向：水電廠發電機組檢修維護。

（責任編輯：蔣建華）