蘇布雷水電站無功功率調節試驗

呂 寧， 高 方 圓， 蔡 松 威

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.通用電氣水電設備(中國)有限公司，吉林 長春 130500；3.中國電器科學研究院有限公司 廣州擎天實業有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概 述

科特迪瓦全國的電網總裝機容量為2 087 MW,其中全國水輪發電機組的總裝機容量為810 MW，占比約39%，汽輪發電機組的總裝機容量為1 277 MW，占比約61%。蘇布雷水電站總裝機容量為275 MW，在科特迪瓦電網中的占比約為13%，占據重要的地位。

蘇布雷水電站位于科特迪瓦蘇布雷市境內的撒桑德拉河上，該水電站庫容量為0.83億m3,共裝有4臺發電機組，其中3臺為單機容量90 MW的混流式水輪發電機組，1臺為容量5 MW的燈泡貫流式水輪發電機組。

蘇布雷水電站混流式水輪發電機組的發電機型號為SF90-56/10180、額定轉速為107.1 r/min、額定頻率為50 Hz、額定容量為105.882 MVA、功率因數cosφ=0.85、發電機額定電壓為10.5 kV，額定電流為5 822 A，額定勵磁電壓為233 V，額定勵磁電流為1 572 A。

針對大部分非洲國家的電力建設還不夠完善，電網系統經常出現電壓、頻率波動大等不穩定現象，筆者對科特迪瓦水電站調試過程中勵磁系統遲相運行無功功率無法調節的問題進行了總結，因地制宜地合理優化了勵磁系統的各項參數，對維持電力系統的穩定性起到了重要作用。

2 勵磁系統無功功率調節

2.1 額定功率因數下遲相運行

蘇布雷水電站水輪發電機組帶額定負荷90 MW，在額定功率因數0.85狀態下運行，無功功率需要達到55.77 MVar。

機組運行時出現的問題：水輪發電機組處于并網態，各系統自動運行，調度要求蘇布雷水電站1#機組滿負荷運行且需在額定功率因數0.85狀態下運行。當有功功率升至90 MW、無功功率升至45 Mvar時勵磁系統無功功率無法繼續增加，此時的勵磁電流為1 440 A、勵磁電壓為203 V、系統電壓為10.9 kV。

針對該現象進行了以下內容的檢查：首先，檢查了勵磁變高低壓側電流，核實了勵磁變壓器的容量，得知勵磁變容量滿足要求；其次，要求業主人員協調電網調度降低系統電壓，隨著電網電壓慢慢降低至10.6 kV，無功功率從45 Mvar增加至48 Mvar，勵磁電流無明顯變化，因此，現場最終判斷該現象是由于勵磁系統參數設置不合理所導致的。我們協調廠家技術人員進行了現場檢查，廠家人員到場后進行了以下兩種方式的運行檢查。

(1)手動方式FCR下調節。

當蘇布雷水電站1#機組勵磁系統運行方式切換至手動方式FCR下運行，1#機組可以達到電網要求，帶滿90 MW負荷，功率因數為0.85，無功功率可以升至額定55.77 MVar，此時機端電壓為10 941 V、勵磁電流為1 509 A。筆者針對圖1所示的手動方式FCR數學模型進行了分析：

注：Igd：手動方式電流給定值為1%～120%；IL：勵磁電流測量；Ta：勵磁電流濾波時間常數，≤40 ms；Kair：FCR內部放大倍數；TB1/TB2：FCR超前/滯后環節時間常數；Uk：手動方式輸出，范圍為-10 000～+10 000(標幺值-1～+1)圖1 手動方式FCR數學模型圖

通過手動方式FCR調節數學模型可以看出，勵磁系統在手動方式FCR下運行時，機組無功功率的調節僅與勵磁電流有關而不受機端電壓影響，機組的無功功率在不超過額定勵磁電流限制下可以升至額定無功功率。

(2)自動方式AVR下調節。

當蘇布雷水電站1#水輪發電機組勵磁系統運行方式切換至自動方式AVR下運行時，1#機組無法達到調度要求；帶滿90 MW負荷時，無功功率只能達到48 Mvar，此時的機端電壓為10 786 V、勵磁電流為1 431 A。筆者針對圖2所示的自動方式AVR數學模型進行了分析。

注：Ugd：自動方式電壓給定值為1%～20%；Ug：機端電壓測量(%)；Ta：機端電壓測量時間常數，≤20 ms；Kavr：AVR內部放大倍數；TA1/TB2：AVR第1級超前/滯后環節時間常數； TA3/TB4：AVR第2級超前/滯后環節時間常數；Uk：自動方式輸出，范圍：-10 000～+10 000(標幺值-1～+1)圖2 自動方式AVR數學模型圖

通過自動方式AVR數學模型可以看出：勵磁系統在自動方式AVR下運行時，機組無功功率的調節與機端電壓有關。為了使勵磁系統可以更可靠、穩定地運行，當機端電壓超過額定電壓時，勵磁電流會被限制在額定勵磁電流以下。當勵磁系統處于自動方式下運行時，因科特迪瓦全國電力設施陳舊老化，電網運行不穩定，電網電壓波動較大，機組并網后，帶滿90 MW負荷，功率因數為0.85，調節無功功率，無功功率無法達到55.77 Mvar,需將自動方式中的勵磁電流限制放大，可使機組的無功功率達到55.77 Mvar。

通過檢查調試分析得知:由于該國電網電壓和頻率變化較大的原因是因勵磁系統的參數沒有因地制宜進行調整所致，故科特迪瓦蘇布雷水電站水輪發電機組在機組并網后帶滿90 MW負荷，功率因數為0.85,調節無功功率，無功功率無法達到55.77 Mvar。

經過參數優化，科特迪瓦蘇布雷水電站水輪發電機組可以滿足業主要求，使無功功率達到額定要求。

2.2 無功功率容量試驗

發電機進相運行是電網電能質量調節的一種重要手段。在國內，我們會進行無功功率進相試驗，該試驗是為了驗證機組在正常運行狀態下無功功率的進相深度；但在國外，我們需要進行的是無功功率容量試驗，該試驗既要驗證機組在正常運行狀態下發出的最大無功功率，也要驗證機組在正常運行狀態下無功功率的進相深度。筆者介紹了對蘇布雷水電站水輪發電機組無功功率容量試驗進行的匯總情況。

試驗前，根據主機廠家提供的功率圓圖(圖3)初步計算得到的進相及遲相深度見表1。機組進相運行時取0.9 pu曲線，遲相運行時取1.1 pu曲線。

圖3 蘇布雷水電站水輪發電機組功率圓圖

項 目有功功率 /MW060758090計算值正向無功功率 /MVar63.5+61.4+58.2+57.2+55.7反向無功功率 /MVar-68.8-54.5-48.7-45.5-43.5

試驗過程中的主要限制條件：

(1)機端電壓Ue:0.9Ue≤Ue≤1.1Ue；

(2)廠用電系統電壓0.95Ue≤Ue≤1.05Ue；確保不會對用電設備造成損害；

(3)定子線棒及鐵芯的溫度滿足廠家提供的限制值；

(4)勵磁電流If不超過額定勵磁電流。

通過對試驗數據進行分析可以看出：蘇布雷水電站無功功率進相調節過程中主要的限制因素是機端電壓，同時也證明了當地電網系統的不穩定。因此，就這一點而言也是對勵磁系統調試人員的一種考驗，需要根據當地電網的實際情況合理地優化勵磁系統參數，在確保發電機各系統穩定運行的前提下最大限度地進行調節，盡可能地為維持當地電網的穩定發揮作用。

從蘇布雷水電站無功功率調節試驗可以看出：同步發電機尤其是大型同步發電機的勵磁控制系統對電力系統的安全穩定運行具有重要的影響。勵磁控制系統具有以下幾項作用：①調整各個并聯機組之間的無功功率分配；②維持電力系統某點電壓的恒定；③ 提高電力系統的靜態穩定、暫態穩定和動態穩定。但其最基本和最主要的任務是維持發電機(或其他控制點，例如電廠高壓側母線)的電壓在給定值水平上并提高電力系統運行的穩定性。

3 結 語

電力系統是由發電(發電廠)、輸電(電網)和用電(配電、供電和用戶)三部分組成的，電力系統的穩定性是由發電的穩定性、輸電的穩定性和用電的穩定性共同實現的，三者缺一不可。電力系統的穩定性不但與電網的結構、運行方式的合理安排有關，而且和發電機控制系統的規律和參數有著重要的關系。只有當電力系統的穩定性提高了，機組的運行相對就會多一份保障，才能使用戶更加滿意。隨著一帶一路倡議的進程，越來越多的電力企業走向國際化，了解當地電網系統的真實狀況，從設計理念上合理優化出口設備的參數和性能，并使電氣設備的安全系數相應地提高，電氣設備的承壓及載流能力應能滿足較大波動的安全運行，參數調節的范圍亦應較國內更寬，使之在適應當地電力系統的同時更加合理地調整和改善當地電網系統存在的問題，同時亦會增強企業的效益、提升企業的聲譽，為一帶一路的發展發揮更大的作用。