陳延云 蔡 培 王 銳 戴申華

（1. 國電科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210031； 2. 陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031；3. 安徽省電力科學(xué)研究院，合肥 230601）

并列運行的同步發(fā)電機組通常借助于電壓調(diào)差率來實現(xiàn)無功功率穩(wěn)定合理的分配。發(fā)電機的電壓調(diào)差率包括自然調(diào)差率和附加調(diào)差率。自然調(diào)差率又稱靜差率，現(xiàn)代勵磁控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)增益很大，等于或近似于無差調(diào)節(jié)，其自然調(diào)差率很小，僅靠自然調(diào)差率是不能滿足機組無功功率分配要求的。為保障機組和電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，通常需要配置合適的附加調(diào)差[1]。若勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過大，當發(fā)電機追蹤負荷無功變化時，電網(wǎng)運行電壓波動較大，從而影響電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗和運行風(fēng)險；若勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過小，當電網(wǎng)運行電壓微小的變化時，發(fā)電機輸出更多的無功功率，同時對于并聯(lián)運行的發(fā)電機組將會發(fā)生搶無功現(xiàn)象，不利于發(fā)電機安全運行[2]。

目前，對于電壓調(diào)差率整定的基本原則、極性選擇方面已有不少文獻作過討論[3-5]。對于機端直接并聯(lián)運行的發(fā)電機組，為了使無功電流能夠穩(wěn)定分配，需要一定的正調(diào)差，附加調(diào)差系數(shù)應(yīng)為正。當兩臺及以上發(fā)變組單元在高壓側(cè)母線并列時，為了機組能夠穩(wěn)定運行，要求各個機組在并列點的調(diào)差系數(shù)為正調(diào)差。對于在高壓側(cè)并聯(lián)的發(fā)電機變壓器組，由于升壓變壓器電抗大，發(fā)電機無功負荷增大時，高壓母線電壓下降過多，不利于穩(wěn)定運行，需要采用負的附加調(diào)差系數(shù)以補償變壓器電抗。

筆者曾對國內(nèi)各區(qū)域電網(wǎng)大型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的整定現(xiàn)狀進行深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)調(diào)差系數(shù)的整定工作存在很大的隨意性，區(qū)域差異較大，定值整定范圍寬、管理不規(guī)范等問題較突出，有些機組甚至不投入附加調(diào)差環(huán)節(jié)，極大的影響了機組的無功調(diào)節(jié)能力。為此，對常見系統(tǒng)接線方式下的調(diào)差率整定計算進行分析研究，為發(fā)電廠提供具有實用價值的整定計算方法，對機組和電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行具有重要意義。

1 發(fā)電機-變壓器單元接線

目前，大型發(fā)電機組一般采用發(fā)電機-變壓器單元接線方式，通過主變高壓側(cè)母線并列，并列點處的調(diào)差系數(shù)決定了各機組之間的無功分配關(guān)系和并列點處電壓。這種接線方式中，由于變壓器電抗大，發(fā)電機無功負荷增大時，高壓母線電壓下降過多，不利于穩(wěn)定運行，需采用負的附加調(diào)差系數(shù)以補償變壓器電抗，加快高壓母線的電壓響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

1.1 整定計算

主變短路阻抗以主變?nèi)萘繛榛?，勵磁附加調(diào)差以發(fā)電機額定容量為基值，兩者需轉(zhuǎn)換到同一電壓等級下的有名值進行計算。主變短路阻抗有名值發(fā)電機附加調(diào)差有名值為兩者相加后得到并列機組在有功電流為零時電壓調(diào)差率的有名值：

將式（2）化簡得到

式（3）就是標準DL/T 843—2010 中給出的電壓調(diào)差率整定計算公式[6]。

1.2 算例

某火力發(fā)電廠總裝機容量為2×125MW，發(fā)電機通過主變壓器接入220kV系統(tǒng)。機組參數(shù)如表1所示。

表1 機組參數(shù)

設(shè)定DT= 5%，根據(jù)式（3），計算得到調(diào)差率為-8.57%（以發(fā)電機額定容量為基值），結(jié)果符合工程應(yīng)用需求。

特別值得一提的是，對于式（3），計算主變壓器高壓側(cè)并列發(fā)電機變壓器組的調(diào)差率，涉及到主變壓器的額定電壓和額定電流。主變壓器和發(fā)電機用同一電壓側(cè)的電壓和電流，即：主變壓器用低壓側(cè)的額定電壓和電流時，發(fā)電機也用同一低壓側(cè)的額定電壓和電流，主變壓器用高壓側(cè)的額定電壓和電流時，發(fā)電機的額定電壓和電流應(yīng)折算到高壓側(cè)。

2 經(jīng)三繞組變壓器并列接線

相對于發(fā)電機-變壓器組單元接線方式，經(jīng)三繞組變壓器并列的接線方式較復(fù)雜，調(diào)差率設(shè)置考慮因素較多。圖1中，兩臺發(fā)電機通過兩臺三繞組變壓器分別在高、中壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)接入電網(wǎng)，中壓側(cè)母線為本地負荷母線，無功需求較大。建立該并聯(lián)方式的等效電路，如圖2所示。

圖1 發(fā)電機經(jīng)過三繞組變壓器并列運行

圖2 等效電路

U11、U21分別為發(fā)電機機端電壓，U2、U3分別為35kV 和220kV 母線電壓，I11、I12、I13、I21、I22、I23分別為發(fā)電機和變壓器的無功電流。由于變壓器的兩端電壓相角差和電阻很小，所以變壓器的電壓損耗近似用無功電流在阻抗上的電壓降來代替。

根據(jù)圖2，有以下四個公式成立：

聯(lián)立式（5）至式（7），消去I12、I13，可得出U10的計算公式：

由式（4）和式（8），可得#1 發(fā)電機機端電壓：

設(shè)#1 機組調(diào)差系數(shù)為XC1，#2 機組調(diào)差系數(shù)為XC2，Uref1為勵磁調(diào)節(jié)器給定值，綜合考慮調(diào)差環(huán)節(jié)的影響，可得#1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)輸出偏差為

若此時勵磁調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)增益為KA，則由式（10），可得出勵磁調(diào)節(jié)器輸出的勵磁電壓EFD1為

同理，可得到#2 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器輸出的勵磁電壓EFD2為

2.1 調(diào)差率設(shè)置對無功平衡影響分析

取中間量X′1、X′2：

1）設(shè)置方式一：XC1＜X1′，且XC2＜X2′

此時在#1 發(fā)電機和#2 發(fā)電機之間產(chǎn)生一個環(huán)流ΔI，從式（11）可見，EFD1有一個正的增量，同時，EFD2有一個負的增量，而EFD1的增大和EFD2的減小將導(dǎo)致ΔI繼續(xù)增大，最終出現(xiàn)#2 發(fā)電機深度進相，#1 發(fā)電機不斷發(fā)無功的不穩(wěn)定現(xiàn)象，直至#2發(fā)電機低勵限制動作或#1 發(fā)電機過勵限制動作。所以，這種設(shè)置是不允許的。

2）設(shè)置方式二：XC1＞X1′，且XC2＜X2′，或XC1＜X1′，且XC2＞X2′

這里我們以XC1＞X1′，且XC2＜X2′為例來分析該調(diào)差設(shè)置的最終結(jié)果。如果此時因為某種原因在#1 發(fā)電機和#2 發(fā)電機之間產(chǎn)生環(huán)流ΔI，從公式（11）可見，EFD1有一個負的增量，同時，EFD2也有一個負的增量，兩臺發(fā)電機都在降低電壓，這樣的結(jié)果就是母線電壓迅速下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。所以，這種設(shè)置也是不允許的。

3）設(shè)置方式三：XC1＞X1′，且XC2＞X2′

如果此時在#1 發(fā)電機和#2 發(fā)電機之間產(chǎn)生一個環(huán)流ΔI，從公式（11）可見，EFD1有一個負的增量，同時，EFD2有一個正的增量，而EFD1減小和EFD2增大導(dǎo)致ΔI減小，這個環(huán)流越來越小，最終兩臺機組通過平衡無功分配直至穩(wěn)定，設(shè)置合理。

4）整定計算

設(shè)期望得到并列點的調(diào)差率為X，則XC1、XC2的計算公式為（計算過程應(yīng)將阻抗值折算到同一個標幺系統(tǒng)下）：

如果XC1和XC2設(shè)置過大，則勵磁電壓對無功變化將十分敏感。工程實踐和相關(guān)分析計算推薦電壓調(diào)差率整定為3%～5%（以發(fā)電機額定無功功率為基值）。

2.2 算例

某熱電廠有兩臺機組通過三繞組變壓器并列運行，機組容量63MVA，主變?nèi)萘?3MVA，調(diào)差系數(shù)初始整定值#1 機組為-3%，#2 機組為-4%。當兩臺機組并列運行時2 號發(fā)電機低勵限制動作，1 號發(fā)電機無功出力增大，無功分配不穩(wěn)定。

表2 主變壓器短路電抗

根據(jù)機組參數(shù)可計算得到：

顯然屬于前文分析的調(diào)差設(shè)置類型之中的第二種（XC1＞1X′，且XC2＜2X′），是一種不正確的設(shè)置，所以出現(xiàn)了搶無功現(xiàn)象。

為了避免出現(xiàn)搶無功現(xiàn)象，將兩臺機組的調(diào)差系數(shù)設(shè)置為零，則其等效調(diào)差為3.42%，為正調(diào)差，更改調(diào)差整定值后，機組并列運行時無功調(diào)節(jié)正常，調(diào)差設(shè)置正確。

3 結(jié)論

并列運行的發(fā)電機組，并列點的電壓調(diào)差率整定需綜合考慮發(fā)電機的自然調(diào)差、附加調(diào)差和主變壓器壓降等因素。對于發(fā)電機-變壓器單元接線方式，標準DL/T 843—2010 中給出的整定計算公式具有很好的工程實用價值，但計算時主變壓器和發(fā)電機參數(shù)必須采用同一電壓側(cè)的電壓和電流。經(jīng)三繞組變壓器并列的接線方式，調(diào)差率設(shè)置不能簡單的補償變壓器阻抗，要充分考慮高、中壓側(cè)的協(xié)調(diào)問題。本文針對上述兩種系統(tǒng)接線方式提出了整定計算方法，并通過實際應(yīng)用驗證了方法的有效性，希望能為類似接線的機組提供參考。

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