李賀昌，沈 軍

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063210）

1 引言

隨著電網(wǎng)大型發(fā)電機(jī)組的不斷投運(yùn)，高壓、超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路配套增加，電力系統(tǒng)無(wú)功功率過(guò)剩、整個(gè)和局部電網(wǎng)電壓偏高問(wèn)題日益突出，電網(wǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)和電壓控制的難度不斷增大。如何在進(jìn)行有功功率的調(diào)度和系統(tǒng)頻率調(diào)整的同時(shí)，安全、靈活、有效地進(jìn)行無(wú)功功率的調(diào)整和電網(wǎng)電壓的控制，是當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行的棘手問(wèn)題。以往的手段是不斷增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)無(wú)功設(shè)備的投資，來(lái)滿足電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下調(diào)節(jié)的需求。而大型汽輪發(fā)電機(jī)組采用進(jìn)相運(yùn)行來(lái)達(dá)到吸收剩余無(wú)功、進(jìn)行電壓控制的技術(shù)，無(wú)須增加投資，因而越來(lái)越得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，并得到了電力試驗(yàn)研究部門的重視。但是，發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行工況，它與系統(tǒng)的運(yùn)行方式、電壓水平、穩(wěn)定性、發(fā)電機(jī)端部溫升、勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行方式、廠用電電壓等問(wèn)題緊密聯(lián)系,故要在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，綜合考慮涉及的各種限制因素，為調(diào)度部門和生產(chǎn)單位提供機(jī)組安全可行的運(yùn)行區(qū)域，達(dá)到調(diào)節(jié)無(wú)功、控制電壓的目的。

2 進(jìn)相試驗(yàn)原理簡(jiǎn)介、試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

進(jìn)相運(yùn)行是發(fā)電機(jī)的一種特殊運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)高時(shí)，機(jī)組可以吸收大網(wǎng)無(wú)功電流而進(jìn)相運(yùn)行。進(jìn)相運(yùn)行的原理是：調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，當(dāng)過(guò)激時(shí)發(fā)電機(jī)可以發(fā)出感性無(wú)功功率，而欠激磁時(shí)，發(fā)電機(jī)要吸收感性無(wú)功功率。而發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，其靜穩(wěn)定極限下降，動(dòng)穩(wěn)定性削弱，發(fā)電機(jī)定子鐵芯端部及結(jié)構(gòu)件溫度上升，機(jī)端電壓和廠用電壓降低。發(fā)電機(jī)輸出的有功功率P和功角δ的關(guān)系為：

式中：P——電磁功率；

δ——功角；

Eq——發(fā)電機(jī)電勢(shì)；

U——發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；

Xd——發(fā)電機(jī)電抗。

其曲線如圖1所示，這里發(fā)電機(jī)的定子電勢(shì)Eq，與勵(lì)磁電流 Ie有關(guān)，Ie大，則 Eq大，Ie小則 Eq小。假定發(fā)電機(jī)原來(lái)在遲相情況下運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的功角特性為圖1中的曲線1。此時(shí)勵(lì)磁電流Ie1所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)為 Eq1，則曲線的幅值為在輸出有功功率為P1時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)為α1，所以對(duì)應(yīng)的功角為δ1。降低勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)在低勵(lì)磁Ie2的進(jìn)相狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)，與Ie2對(duì)應(yīng)的電勢(shì)為Eq2，對(duì)應(yīng)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(yùn)行點(diǎn)變?yōu)棣?，所對(duì)應(yīng)的功角為δ2，顯然，δ2＞δ1，進(jìn)相時(shí) δ角更接近 90°易失去穩(wěn)定。所以應(yīng)盡量使功角遠(yuǎn)離90°，因此需要根據(jù)試驗(yàn)確定機(jī)組進(jìn)相穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

3 300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行方案

1#300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)期間系統(tǒng)總負(fù)荷為（300 MW+j70 kvar），發(fā)電機(jī)組經(jīng)101開(kāi)關(guān)并入熱電110 kV變電站110 kV母線，再經(jīng)過(guò)兩條聯(lián)絡(luò)線并入鐵鋼220 kV變電站110 kV系統(tǒng)，公司共有3臺(tái)240 MVA變壓器運(yùn)行，兩座220 kV變電站220 kV系統(tǒng)并列運(yùn)行，110 kV系統(tǒng)分列運(yùn)行，具體運(yùn)行方式如圖2所示。

圖1 發(fā)電機(jī)功角特性曲線

表1 各電壓等級(jí)允許范圍

圖2 電力系統(tǒng)運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖

300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為進(jìn)相運(yùn)行功率因數(shù)0.95（發(fā)電機(jī)組吸收無(wú)功100 Mvar），由于正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)組滯相運(yùn)行功率因數(shù)為0.95，因此在發(fā)電機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)過(guò)程中，公司電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功潮流變化量非常大，可達(dá)200 Mvar，這個(gè)過(guò)程必定會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的嚴(yán)重降低。由于鋼鐵廠內(nèi)負(fù)荷眾多且各工序正常生產(chǎn)，有許多設(shè)備對(duì)電壓有較高要求，同時(shí)配置過(guò)壓保護(hù)和欠壓保護(hù)，因此要在保證各工序正常生產(chǎn)的前提下進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)，必須要嚴(yán)密監(jiān)視電壓的變化情況，為應(yīng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)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(shí)具備投運(yùn)條件以補(bǔ)償系統(tǒng)出現(xiàn)的無(wú)功不足現(xiàn)象；（2）保證各110 kV變電站主變分接開(kāi)關(guān)具備調(diào)整條件，保證各區(qū)域用戶的用電質(zhì)量，防止電氣設(shè)備低壓動(dòng)作跳閘；（3）在試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)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(jìn)行相關(guān)調(diào)整措施，如果無(wú)法恢復(fù)電壓至允許范圍內(nèi)則停止進(jìn)相試驗(yàn)。（4）加強(qiáng)高爐鼓風(fēng)機(jī)（功率60 MW）、制氧機(jī)組（功率為36.5 MW、29.6 MW）等大型同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況的監(jiān)視，一旦出現(xiàn)異常立即停止試驗(yàn)，保證高爐正常生產(chǎn)。

300 MW機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)過(guò)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(yīng)立即停止試驗(yàn)，防止發(fā)電設(shè)備損壞：

（1）20 kV 機(jī)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(fā)電機(jī)定子電流最大值：1.0In，即10190 A；

（5）發(fā)電機(jī)功角δ最大值：70°。

4 300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程分析

發(fā)電機(jī)分別在 150 MW，200 MW，250 MW，300 MW的發(fā)電負(fù)荷下進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)，并分別以限制條件為邊界，試驗(yàn)具體過(guò)程及維持電壓等所采取的手段具體為：

（1）發(fā)電機(jī)組（功率為 250 MW+j43 Mvar），此時(shí)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(lián)電容器（每組8000 kvar），熱軋主變分接頭由6檔調(diào)至8檔，3#站主變分接頭由6檔調(diào)至7檔，電壓回升至9.8 kV。

（2）發(fā)電機(jī)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(nèi)。

（3）繼續(xù)加大無(wú)功進(jìn)相深度，此時(shí)自備電站6 kV母線電壓過(guò)低至5.7 kV，將廠用電倒至起備變。

（4）發(fā)電機(jī)組（功率為 300 MW+j100 Mvar，功率因數(shù)0.95），鐵鋼站再投兩組電容器，鐵鋼站10 kV系統(tǒng)電壓達(dá)11 kV，1#機(jī)組機(jī)端電壓過(guò)低約為18 kV，最終結(jié)束進(jìn)相試驗(yàn)。

此次進(jìn)相試驗(yàn)過(guò)程中，由于對(duì)電壓進(jìn)行嚴(yán)格控制，高爐鼓風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)等大型同步機(jī)組均正常穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)電氣設(shè)備低壓動(dòng)作情況，主要站所電壓變化如表2所示。

表2 1#300 MW機(jī)組并網(wǎng)前后電壓變化表

京唐公司1#300 MW發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果表明：每調(diào)整150 Mvar的無(wú)功負(fù)荷可使電網(wǎng)較遠(yuǎn)地區(qū)變電站110 kV母線電壓降低2 kV左右，進(jìn)相運(yùn)行機(jī)組所在電網(wǎng)母線電壓變化5 kV左右，但電壓仍在允許范圍內(nèi)。京唐公司300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)中關(guān)鍵是電壓波動(dòng)明顯，尤其是與機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)較近的電網(wǎng)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(jī)端電壓在18 kV以上，而對(duì)于發(fā)電機(jī)組功角及定子轉(zhuǎn)子溫度均在限制范圍內(nèi)，進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)對(duì)于遠(yuǎn)處電網(wǎng)的電壓水平影響較小，對(duì)于制氧高爐鼓風(fēng)等系統(tǒng)大型同步電機(jī)基本沒(méi)有影響。

通過(guò)300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行所采取的措施及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，發(fā)電機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)的關(guān)鍵是如何控制系統(tǒng)電壓及機(jī)端電壓在允許范圍內(nèi)。由于在發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)中，系統(tǒng)電壓普遍下降，因此需要適當(dāng)調(diào)整變壓器的變比才能增加進(jìn)相運(yùn)行的深度，要確保各節(jié)點(diǎn)都具備電容補(bǔ)償設(shè)施，防止由于集中補(bǔ)償而造成部分節(jié)點(diǎn)電壓偏高、部分節(jié)點(diǎn)電壓偏低的情況。同時(shí)要提前做好準(zhǔn)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(shè)備正常運(yùn)行，進(jìn)而影響進(jìn)相運(yùn)行的深度。

5 結(jié)論

通過(guò)此次300 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)可以得出，發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行對(duì)高爐鼓風(fēng)機(jī)等大型同步機(jī)組無(wú)明顯影響，主要是影響近區(qū)域電網(wǎng)的電壓水平，因此如何控制好近區(qū)域電網(wǎng)電壓水平?jīng)Q定進(jìn)相運(yùn)行的深度。通過(guò)實(shí)際進(jìn)相運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼鐵廠內(nèi)自備大型發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和應(yīng)提前采取的措施進(jìn)行以下總結(jié)：

（1）適當(dāng)?shù)亟档桶l(fā)變組升壓變壓器的變比，可以保證發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在允許范圍內(nèi)，適當(dāng)增加進(jìn)相運(yùn)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(shè)備的正常運(yùn)行。

（3）提前調(diào)整各用戶變壓器的變比，以適當(dāng)提高各節(jié)點(diǎn)電壓水平。

（4）確保各節(jié)點(diǎn)都具備電容補(bǔ)償設(shè)施，防止集中補(bǔ)償而造成電壓不均衡的情況。

[1]張永春，齊月文.山西電網(wǎng)大型發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析[J].電力學(xué)報(bào)，2002，17（1）：31-33.

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[3]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.