大型抽水蓄能電站抽水工況下無功電壓調節研究和試驗

張建偉，張 洋，董飛燕

（1 山西西龍池抽水蓄能電站有限責任公司，山西省忻州市 035503；2 國家電網公司，北京市 100761）

大型抽水蓄能電站抽水工況下無功電壓調節研究和試驗

張建偉1，張 洋2，董飛燕1

（1 山西西龍池抽水蓄能電站有限責任公司，山西省忻州市 035503；2 國家電網公司，北京市 100761）

抽水蓄能電站在電網中發揮著調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務，隨著北方地區風電裝機容量的不斷增加，在正常發電模式下進行調頻、調相已不能完全滿足電網的需求。本文對某進口抽水蓄能機組（發電工況300MW、電動工況319.6MW抽蓄機組）發電電動機無功能力進行了分析，闡述了蓄能機組在抽水工況下無功調節的試驗方法和結果，論證了發電電動機抽水工況下的無功電壓調節范圍，為同類型機組的抽水工況下無功電壓調節能力提供了試驗參考依據。

抽水蓄能；發電電動機；抽水工況；電壓調節

0 引言

某抽水蓄能電站共四臺抽水蓄能機組，發電工況下額定功率300MW，電動工況下額定功率319.6MW，通過單回500kV輸電線路接入500kV變電站。

隨著北方地區風電裝機容量的不斷增加，為服務堅強電網，充分發揮蓄能電站調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務，在正常發電模式下進行調頻、調相已不能完全滿足電網的需求，電站在抽水工況下多臺機組運行已成為常態。由于電站處于電網末端，多臺機組抽水時（未進行無功調節試驗前）會造成500kV母線電壓降低，不能滿足電網電壓要求，且500kV母線電壓降低后廠用電壓隨之降低，長期運行則對相關輔助電氣系統造成絕緣受損、壽命降低等不良影響。因此，亟須開展發電電動機抽水工況下無功電壓調節的研究和試驗。

因大型抽水蓄能電站在抽水工況下進行無功調節缺少詳細的數據支撐，同時電站發電電動機為進口設備，電站針對此項問題開展了大量的專題研究和調研，會同行業內有關專家制定了詳細的試驗方案并于2015年4月14日選擇電站2號機進行抽水工況下無功電壓調節試驗，目的在于通過現場試驗以確定抽水蓄能機組在抽水工況下的無功電壓調節能力，為電力調度部門在今后的調度工作提供試驗依據，同時也為類似機組的相關試驗提供參考。

1 電站電氣接線及機組參數

某抽水蓄能電站裝機共四臺300MW機組，主接線采用四角形接線形式，發電電動機經500kV主變壓器升壓后接至500kV變電站。

某電站的制造廠為日本HITACHI、MITSUBISHI、TOSHIBA聯營體，發電工況下額定功率為300MW（功率因數0.9），抽水工況下額定功率為319.6MW(功率因數0.975，單臺機抽水運行時有功功率約為320MW；三臺機抽水運行時，每臺機有功功率約為315MW；四臺機抽水運行時，每臺機有功功率約為310MW），額定定子電壓18kV，發電工況下額定定子電流10691A，抽水工況下額定定子電流10662A，發電電動機冷卻方式為空冷。

勵磁系統的制造廠為日本TOSHIB公司，型號為AM486DX5的勵磁調節器，勵磁方式為自并勵，額定勵磁電壓為267.8V，額定勵磁電流為2060A。

500kV變壓器的制造廠為天威保變，型號為SSP-360000/500型變壓器，額定容量為360MVA，其變比為515/18 kV。

2 發電電動機無功能力分析

2.1 發電電動機發電工況下無功試驗

抽水蓄能機組發電進相無功試驗機組投產初期已完成，試驗在發電工況下選取有功出力為機組額定功率的40%、60%、80%、100%下的四個工況點，調節勵磁電流，逐步降低勵磁，使無功出力下降，直至達到試驗限制條件為止，試驗限制條件為：發電機定子電流最大不超過額定值，定子電壓最低為0.925p.u.，定子鐵芯溫度小于120℃，功角值不超過70°。通過試驗，確定了機組發電工況無功的主要限制因素，試驗結果詳見表1。

表1 2號機組發電工況無功調節數據Tab.1 No.2 generating reactive power adjustment data

2.2 發電電動機調相工況下無功試驗

抽水蓄能機組調相運行時，從系統吸收少量的有功功率以維持機組正常運行，同時可調節勵磁電流和勵磁電壓，以改變機組發電調相工況下定子電壓和電流的相位關系而使機組處于遲相或進相狀態，到達從系統吸收無功功率或者向系統提供無功功率的調相目的，從而調節系統的電壓。試驗結果詳見表2。

表2 2號、4號機組調相工況下無功調節數據Tab.2 No.2 and no.4 unit generating condenser reactive power adjustment data

2.3 發電電動機調相工況下無功能力分析

抽水蓄能機組抽水運行時，作為同步電動機從電網吸收有功，同時吸收無功。抽水蓄能機組抽水工況下設計值額定功率為319.6MW，功率因數0.975。機組抽水運行吸收的有功功率不可調整，其最大功率以水泵水輪機導葉最優開度控制，保證效率最高。因此設備廠家設置了機組抽水工況運行的無功功率范圍是6～–6Mvar。機組抽水運行時，電流由電網流向機組，在線路上會產生功率損耗和電壓降落，以電站高壓出線端為參考，電壓降落見式（1）。

式中：P、Q——電站端三相有功、無功；

U——電站母線電壓。

當機組抽水負載運行時，吸收有功越多電壓降低也越大，當3臺機組抽水運行時500kV母線電壓降低明顯。同時，機組抽水主變壓器負載運行消耗了一部分電網無功，大量無功功率通過線路遠距離輸送也會造成電壓損耗。因此，為提高抽水工況下500kV母線電壓，需進行抽水工況下無功調節，通過額定功率和功率因數數值，可理論計算出無功調節最大約為72Mvar。

通過分析發電電動機發電工況、調相工況各項試驗的數據，可得出抽水蓄能機組抽水工況下發出無功能力的主要限制因素有：發電電動機定子鐵芯端部溫升、發電電動機定子繞組溫升、發電電動機定子電壓及機組廠用段電壓升高等，由于試驗機組不帶廠用電，因此廠用電壓的升高不作為機組發出無功能力的限制因素。在試驗過程中，應密切關注機組的相關運行參數變化情況，如發電電動機定子鐵芯端部及線圈溫度變化、機端電壓、機端電流、勵磁電壓和勵磁電流等變化情況。

3 發電電動機抽水工況無功能力試驗

3.1 運行試驗條件

3.1.1 抽水蓄能機組運行狀態

（1）機抽水蓄能機組在抽水工況下正常運行，考慮機組在抽水工況下的運行初期有緩慢溫升現象，試驗在機組溫度平穩后開始試驗。

（2）主變壓器高低壓側母線電壓、廠用電母線電壓應該正常范圍內。

（3）發電電動機電氣量、非電氣量等狀態量的指示應完整、準確。如定子端部鐵芯和金屬結構件的溫度測點應準確完整。

（4）發電電動機冷卻系統運行正常。

（5）自動發電控制（AGC）等其他調節發電電動機有功功率的功能組件退出運行。

（6）自動電壓控制（AVC）退出，勵磁調節器以外的其他影響電動機無功功率調節的功能組件及限制環節應退出或取消，無功功率應能平滑、穩定調節。

（7）其他陪試機組在試驗過程中，應維持其原有工況不變。

3.1.2 勵磁調節器（AVR）

（1）勵磁調節器性能應符合有關規范、規定的技術要求。

（2）勵磁調節器過勵限制環節模型框圖、邏輯說明、參數計算及調整方法等相關技術資料齊全。

（3）勵磁調節器過勵限制功能應完好。

（4）勵磁調節器相關調節、限制、保護功能正常投入。

3.1.3 發電電動機、變壓器保護

（1）發電電動機、變壓器保護運行正常。

（2）試驗期間失磁保護投入方式根據具體情況確定，確保試驗期間機組安全。

3.1.4 電網運行條件

（1）由調度安排試驗所需的運行工況（三臺抽水）。

（2）涉網安全穩定措施按調度批復方案執行。

3.2 試驗具體步驟

選取試驗發電電動機在有功出力為310MW工況下進行試驗:

（1）機組運行在抽水工況下，且機組鐵芯等各部件溫度平穩后試驗開始。

（2）試驗機有功出力維持不變，廠用電維持正常運行方式，自動勵磁調節器投入。

（3）調節勵磁電流，逐步增大勵磁，使機組無功出力增加，在Q=0附近開始記錄初始運行參數；以后每當無功出力增加5kvar左右記錄一次運行參數，每點穩定5～10min（視溫度變化情況而定）。

（4）繼續以緩慢速度增大勵磁電流，讀取各點數據，直至達到試驗限制條件為止。

（5）在試驗中應注意以下條件：

1）試驗定子電壓不得高于1.02Pu（18.36kV）。

2）定子線槽/繞組溫度＜120℃，定子鐵芯溫度＜120℃，定子端部鐵芯及各金屬結構件溫度＜120℃。

3）冷風溫度應保持在運行規程允許范圍內。

4）機組的振動值在運行要求的范圍內，并不出現明顯的變化。

5）整個試驗過程應在制造廠家的P-Q數據曲線內進行。

6）整個試驗過程達到抽水工況下的額定功率因數。

（6）進行試驗中發生機組失去同步后的緊急應對措施：試驗中，如果發生電動機失步等異常現象，則由試驗總指揮下令將機組解列。

（7）在試驗中應密切注意發電電動機各溫度測點的溫度變化情況，當溫度升高較快時需特別注意。定子鐵芯溫度限制值按運行規程及相關規定執行。

（8）試驗中利用機組監控系統（SCADA）的信號監測機組及電網的各相關電氣參數。試驗過程中需記錄如下數據：

定子電壓Uab、Ubc、Uac（kV）；

定子電流Iab、Ibc、Iac（kA）；

有功功率P（MW）；

無功功率Q（Mvar）；

功率因數cosφ；

勵磁電壓Uf（V）；

勵磁電流If（A）；

端部鐵芯及金屬構件溫度；

冷風溫度。

試驗中：測取定子電流、定子電壓、發電電動機有功功率、無功功率、轉子電流、轉子電壓、主變高壓側電壓、發電電動機定子鐵芯及線圈各溫度測點的變化情況。試驗人員及值守人員應嚴格監視機組盤表的變化情況，以防超出機組的穩定極限和設定的試驗限制值。

4 試驗結果分析

抽水蓄能機組在抽水工況下，功率為–310MW下的試驗過程中，2號機在試驗機組無功為0附近的工況點開始記錄各測試量。隨著機組勵磁調節器逐步升高勵磁，發電電動機無功功率從0.3Mvar開始逐步升高并由零無功狀態進入發出無功運行狀態；當機組發出無功至發電電動機無功功率70Mvar時，功率因數達到抽水工況下的額定值，停止試驗。

在發電機有功出力–310MW下無功試驗過程中，電站500kV電壓從515.4kV升高到518.3kV，升高了2.9kV；發電電動機定子電壓由17.19kV升到18.08kV，發電電動機定子電壓由額定電壓的95.5%升至其額定電壓的100.4%；發電電動機定子電流隨機組發出無功量增加而減小，發電電動機定子電流在由10475A降到10189A；發電電動機勵磁電壓由150.2V升到185.0V，升高了35.3V；同時相應的發電電動機勵磁電流由1487A升到1796A，升高了309A。

此工況試驗期間，發電電動機定子鐵芯各監測點溫度始終在機組正常運行的允許范圍內，且各點溫度值遠離鐵芯溫度限制值，對機組的進相運行沒有影響。試驗期間定子鐵芯各監測點溫度變化不大。試驗過程中定子鐵芯各測點溫度最大不高于50℃，定子線圈各測點溫度最大不高于75℃，均在正常允許范圍內。試驗部分結果詳見表3。

表3 2號機組抽水工況下無功調節數據Tab.3 No.2 pumping reactive power adjustment data

5 試驗結論

電站2號發電電動機在有功功率P= –310MW工況下的發出無功量為70Mvar。試驗發電機在電動工況下的發出無功量受發電機額定功率因數0.975的條件限制，無功出力每升高1萬kvar，相應的其500kV母線電壓升高約為0.4kV左右。同時也證明，大型抽水蓄能電站在設計滿足的范圍內可在抽水工況下進行無功調節。

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張建偉（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：水電站技術管理等。E-mail：88511745@qq.com

張 洋（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：電網、水電站安全技術管理等。E-mail：97237372@qq.com

董飛燕（1983—），女，本科，工程師，主要研究方向：水電站安全管理等。E-mail：286089653@qq.com

Pumped Storage Unit Under the Working Condition of Pumping Reactive Voltage Regulating Research and Experiment

ZHANG Jianwei1,ZHANG Yang2,DONG Feiyan1
(1 Shanxi xilongchi pumped storage power station Co.,Ltd.Xinzhou Shanxi,035503,China; 2 State Grid Corporation of China,Beijing 100761,China)

The functionality played by a pumped-storage power station in a power grid includes peak load regulation,peak load shaving,frequency regulation,condensing,and emergency standby.However,as the installed capacity of wind farm increases in northern China,frequency regulation and condensing in normal generation mode no longer fully satisfy the power grid needs.This paper provides an analysis of the reactive power capability of an imported pump storage unit(a unit with a generator operation mode of 300MW and a motor operation mode of 319.6MW).The reactive power regulation test process and results of the storage unit in pumping operation are described and the reactive power voltage regulation range is verified for generator-motor pumping mode.The work provides a valuable reference to reactive power voltage regulation capability of similar units in pumping operation.

pumped storage; generator motor; working condition of pumping; voltage regulation

TV734

A 學科代碼：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.009