察汗烏蘇水電站機組無功功率波動分析及處理

王文昕

（國電新疆開都河流域水電開發有限公司，新疆 庫爾勒841000）

新疆電網因地理位置特殊性，大多為長距離架空輸電線路，電容效應導致全網電壓較高。察汗烏蘇水電站裝機容量3×110MW，位于新疆和靜縣境內，處于南北疆電網交界處，且在電網末端，機組長期處于進相運行。察汗烏蘇水電站機組正常運行時，常發生無功功率規律性波動。本文分析了產生上述現象的原因，提出了解決措施，為電站安全穩定運行提供技術保障。

1 事件原因分析

現場發現當機組有功功率50MW且有功變化量為1～3MW時，無功功率波動1～3Mvar，無功功率波動正常。調整機組有功功率50～110MW過程中，無功功率波動8～11Mvar，勵磁電壓、勵磁電流、勵磁變壓器聲音波動明顯，且呈規律性變化。以察汗烏蘇2號機組為分析對象，從兩個主要方面分析無功功率波動的原因。

1.1 PSS反調與功角特性

（1）PSS反調

根據PSS數學模型可知，當機組電功率或角速度發生較大變化時，勵磁系統產生正阻尼轉矩，使發電機產生阻尼低頻振蕩的附加力矩，提高電力系統動態穩定性。

某日 10：05～10：10，調整有功功率 70～110MW 過程中，無功功率由-13.8Mvar波動至-5.6Mvar，變化量為8.2Mvar。機組額定無功功率為68.1Mvar，無功功率變化量為12%的額定無功功率，滿足（DL/T1231-2013）電力系統穩定器整定試驗導則要求。

（2）凸極發電機功角特性

分析凸極式發電機的功角特性方程為

由公式（1）、（2）可得出

察汗烏蘇水電站交軸同步電抗xq的值為0.707，視在功率SN為125.7MVA，發電機額定電壓為13.8kV，察汗烏蘇機組并網運行電壓為13.4kV左右。將無功功率波動的機組P、Q代入式（3），機組運行功角約25.17°，遠小于靜穩極限值。

綜上所述有功功率調整時，導致無功功率波動屬于正常現象。

1.2 欠勵限制與恒機端電壓模式互相影響

某日 13：00：34，機組有功功率 50MW，機組無功功率-30.5Mvar，勵磁系統欠勵限制動作，無功功率波動1～3Mvar。調整機組有功功率50～110MW過程中，13：02：48有功功率87MW，機組無功功率開始呈周期性波動，13：06：00波動結束，無功功率波動8～11Mvar。機組運行時P-Q曲線如圖1所示。

圖1 機組P-Q曲線

機組正常運行時，P-Q運行曲線應在欠勵限制曲線內，欠勵限制曲線應在進相試驗曲線內。

由圖1可知，機組有功功率上升至87MW后，機組P-Q運行曲線沿欠勵限制曲線呈規律性波動，且在欠勵限制曲線與進相試驗曲線之間運行。

機組有功功率上升前，欠勵限制信號保持。有功功率上升后，其對應欠勵限制定值中無功功率應上升，但無功增加將導致機端電壓上升，由于勵磁系統運行在恒機端電壓模式下，機端電壓上升經反饋調節后會導致無功減小，以保持機端電壓恒定，如此反復即出現無功波動。

2 無功功率波動的后果

機組在無功功率波動狀態下運行時，若系統發生振蕩將加劇波動幅度，可能造成以下嚴重后果：

（1）水輪發電機組失步與系統解列。

（2）廠用電壓波動造成廠用電設備損壞。

（3）定子電流過高造成定子溫度超限。

（4）轉子振動和過熱。

（5）勵磁變電流大幅波動造成勵磁變鐵心損壞。

3 解決方案

針對上述現象出現的原因，考慮可行性，應從機組欠勵限制和AVC調節策略2方面考慮。

3.1 欠勵限制方面

（1）適當增加機組進相裕度，合理開放欠勵限制曲線。

（2）值班人員手動調節機組無功功率時，應盡量使機組不要靠近欠勵限制曲線運行。

3.2 AVC策略方面

目前水電站使用的AVC系統是計算機監控系統中的應用。AVC定值中只有一種限值“機組無功限值進相”，只能固定限制單個無功功率值。機組大負荷與小負荷運行時的進相能力是不同的，考慮同時兼顧電網輔助服務與機組安全穩定運行，提出一種新的AVC進相調節策略，策略應使機組P-Q運行曲線在欠勵限制曲線內，且無功功率閉環控制。具體如圖2所示。

圖2 AVC進相調節策略圖

自動電壓控制（AVC）投入時，應考慮AVC分配無功功率的合理性，確保給機組分配的無功功率設定與欠勵限制曲線保持適當的裕度。經過AVC運行策略優化后，當機組小負荷運行時，進相能力強，增加無功補償收入，而機組大負荷運行時，進相能力弱，既保證機組安全穩定運行，又保證無功補償收入。

4 結語

AGC與AVC廣泛應用的今天，造成機組電壓和無功功率波動的原因越來越復雜。本文綜合考慮電站自身的設備性能特點、機組運行方式、系統運行狀況等因素，認真分析了機組正常運行時PSS、AVC、AVR及欠勵限制運行時無功功率運行情況，找到引起波動的原因，創新性的提出AVC進相調節策略，從而提高電網輔助服務收入和電站安全穩定運行水平。