張建偉，張 洋，董飛燕

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

大型抽水蓄能電站抽水工況下無功電壓調(diào)節(jié)研究和試驗(yàn)

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(zé)任公司，山西省忻州市 035503；2 國(guó)家電網(wǎng)公司，北京市 100761）

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)，隨著北方地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，在正常發(fā)電模式下進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)相已不能完全滿足電網(wǎng)的需求。本文對(duì)某進(jìn)口抽水蓄能機(jī)組（發(fā)電工況300MW、電動(dòng)工況319.6MW抽蓄機(jī)組）發(fā)電電動(dòng)機(jī)無功能力進(jìn)行了分析，闡述了蓄能機(jī)組在抽水工況下無功調(diào)節(jié)的試驗(yàn)方法和結(jié)果，論證了發(fā)電電動(dòng)機(jī)抽水工況下的無功電壓調(diào)節(jié)范圍，為同類型機(jī)組的抽水工況下無功電壓調(diào)節(jié)能力提供了試驗(yàn)參考依據(jù)。

抽水蓄能；發(fā)電電動(dòng)機(jī)；抽水工況；電壓調(diào)節(jié)

0 引言

某抽水蓄能電站共四臺(tái)抽水蓄能機(jī)組，發(fā)電工況下額定功率300MW，電動(dòng)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(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，為服務(wù)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，充分發(fā)揮蓄能電站調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)，在正常發(fā)電模式下進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)相已不能完全滿足電網(wǎng)的需求，電站在抽水工況下多臺(tái)機(jī)組運(yùn)行已成為常態(tài)。由于電站處于電網(wǎng)末端，多臺(tái)機(jī)組抽水時(shí)（未進(jìn)行無功調(diào)節(jié)試驗(yàn)前）會(huì)造成500kV母線電壓降低，不能滿足電網(wǎng)電壓要求，且500kV母線電壓降低后廠用電壓隨之降低，長(zhǎng)期運(yùn)行則對(duì)相關(guān)輔助電氣系統(tǒng)造成絕緣受損、壽命降低等不良影響。因此，亟須開展發(fā)電電動(dòng)機(jī)抽水工況下無功電壓調(diào)節(jié)的研究和試驗(yàn)。

因大型抽水蓄能電站在抽水工況下進(jìn)行無功調(diào)節(jié)缺少詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)為進(jìn)口設(shè)備，電站針對(duì)此項(xiàng)問題開展了大量的專題研究和調(diào)研，會(huì)同行業(yè)內(nèi)有關(guān)專家制定了詳細(xì)的試驗(yàn)方案并于2015年4月14日選擇電站2號(hào)機(jī)進(jìn)行抽水工況下無功電壓調(diào)節(jié)試驗(yàn)，目的在于通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以確定抽水蓄能機(jī)組在抽水工況下的無功電壓調(diào)節(jié)能力，為電力調(diào)度部門在今后的調(diào)度工作提供試驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)也為類似機(jī)組的相關(guān)試驗(yàn)提供參考。

1 電站電氣接線及機(jī)組參數(shù)

某抽水蓄能電站裝機(jī)共四臺(tái)300MW機(jī)組，主接線采用四角形接線形式，發(fā)電電動(dòng)機(jī)經(jīng)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(lián)營(yíng)體，發(fā)電工況下額定功率為300MW（功率因數(shù)0.9），抽水工況下額定功率為319.6MW(功率因數(shù)0.975，單臺(tái)機(jī)抽水運(yùn)行時(shí)有功功率約為320MW；三臺(tái)機(jī)抽水運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)有功功率約為315MW；四臺(tái)機(jī)抽水運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)有功功率約為310MW），額定定子電壓18kV，發(fā)電工況下額定定子電流10691A，抽水工況下額定定子電流10662A，發(fā)電電動(dòng)機(jī)冷卻方式為空冷。

勵(lì)磁系統(tǒng)的制造廠為日本TOSHIB公司，型號(hào)為AM486DX5的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁方式為自并勵(lì)，額定勵(lì)磁電壓為267.8V，額定勵(lì)磁電流為2060A。

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

2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)無功能力分析

2.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)電工況下無功試驗(yàn)

抽水蓄能機(jī)組發(fā)電進(jìn)相無功試驗(yàn)機(jī)組投產(chǎn)初期已完成，試驗(yàn)在發(fā)電工況下選取有功出力為機(jī)組額定功率的40%、60%、80%、100%下的四個(gè)工況點(diǎn)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐步降低勵(lì)磁，使無功出力下降，直至達(dá)到試驗(yàn)限制條件為止，試驗(yàn)限制條件為：發(fā)電機(jī)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(yàn)，確定了機(jī)組發(fā)電工況無功的主要限制因素，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 2號(hào)機(jī)組發(fā)電工況無功調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.1 No.2 generating reactive power adjustment data

2.2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)調(diào)相工況下無功試驗(yàn)

抽水蓄能機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)，從系統(tǒng)吸收少量的有功功率以維持機(jī)組正常運(yùn)行，同時(shí)可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓，以改變機(jī)組發(fā)電調(diào)相工況下定子電壓和電流的相位關(guān)系而使機(jī)組處于遲相或進(jìn)相狀態(tài)，到達(dá)從系統(tǒng)吸收無功功率或者向系統(tǒng)提供無功功率的調(diào)相目的，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 2號(hào)、4號(hào)機(jī)組調(diào)相工況下無功調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.2 No.2 and no.4 unit generating condenser reactive power adjustment data

2.3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)調(diào)相工況下無功能力分析

抽水蓄能機(jī)組抽水運(yùn)行時(shí)，作為同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收有功，同時(shí)吸收無功。抽水蓄能機(jī)組抽水工況下設(shè)計(jì)值額定功率為319.6MW，功率因數(shù)0.975。機(jī)組抽水運(yùn)行吸收的有功功率不可調(diào)整，其最大功率以水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉最優(yōu)開度控制，保證效率最高。因此設(shè)備廠家設(shè)置了機(jī)組抽水工況運(yùn)行的無功功率范圍是6～–6Mvar。機(jī)組抽水運(yùn)行時(shí)，電流由電網(wǎng)流向機(jī)組，在線路上會(huì)產(chǎn)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(dāng)機(jī)組抽水負(fù)載運(yùn)行時(shí)，吸收有功越多電壓降低也越大，當(dāng)3臺(tái)機(jī)組抽水運(yùn)行時(shí)500kV母線電壓降低明顯。同時(shí)，機(jī)組抽水主變壓器負(fù)載運(yùn)行消耗了一部分電網(wǎng)無功，大量無功功率通過線路遠(yuǎn)距離輸送也會(huì)造成電壓損耗。因此，為提高抽水工況下500kV母線電壓，需進(jìn)行抽水工況下無功調(diào)節(jié)，通過額定功率和功率因數(shù)數(shù)值，可理論計(jì)算出無功調(diào)節(jié)最大約為72Mvar。

通過分析發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)電工況、調(diào)相工況各項(xiàng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可得出抽水蓄能機(jī)組抽水工況下發(fā)出無功能力的主要限制因素有：發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯端部溫升、發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組溫升、發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電壓及機(jī)組廠用段電壓升高等，由于試驗(yàn)機(jī)組不帶廠用電，因此廠用電壓的升高不作為機(jī)組發(fā)出無功能力的限制因素。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)密切關(guān)注機(jī)組的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)變化情況，如發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯端部及線圈溫度變化、機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流等變化情況。

3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)抽水工況無功能力試驗(yàn)

3.1 運(yùn)行試驗(yàn)條件

3.1.1 抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)

（1）機(jī)抽水蓄能機(jī)組在抽水工況下正常運(yùn)行，考慮機(jī)組在抽水工況下的運(yùn)行初期有緩慢溫升現(xiàn)象，試驗(yàn)在機(jī)組溫度平穩(wěn)后開始試驗(yàn)。

（2）主變壓器高低壓側(cè)母線電壓、廠用電母線電壓應(yīng)該正常范圍內(nèi)。

（3）發(fā)電電動(dòng)機(jī)電氣量、非電氣量等狀態(tài)量的指示應(yīng)完整、準(zhǔn)確。如定子端部鐵芯和金屬結(jié)構(gòu)件的溫度測(cè)點(diǎn)應(yīng)準(zhǔn)確完整。

（4）發(fā)電電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行正常。

（5）自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）等其他調(diào)節(jié)發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率的功能組件退出運(yùn)行。

（6）自動(dòng)電壓控制（AVC）退出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以外的其他影響電動(dòng)機(jī)無功功率調(diào)節(jié)的功能組件及限制環(huán)節(jié)應(yīng)退出或取消，無功功率應(yīng)能平滑、穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

（7）其他陪試機(jī)組在試驗(yàn)過程中，應(yīng)維持其原有工況不變。

3.1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（AVR）

（1）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器性能應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范、規(guī)定的技術(shù)要求。

（2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)限制環(huán)節(jié)模型框圖、邏輯說明、參數(shù)計(jì)算及調(diào)整方法等相關(guān)技術(shù)資料齊全。

（3）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)限制功能應(yīng)完好。

（4）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器相關(guān)調(diào)節(jié)、限制、保護(hù)功能正常投入。

3.1.3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)、變壓器保護(hù)

（1）發(fā)電電動(dòng)機(jī)、變壓器保護(hù)運(yùn)行正常。

（2）試驗(yàn)期間失磁保護(hù)投入方式根據(jù)具體情況確定，確保試驗(yàn)期間機(jī)組安全。

3.1.4 電網(wǎng)運(yùn)行條件

（1）由調(diào)度安排試驗(yàn)所需的運(yùn)行工況（三臺(tái)抽水）。

（2）涉網(wǎng)安全穩(wěn)定措施按調(diào)度批復(fù)方案執(zhí)行。

3.2 試驗(yàn)具體步驟

選取試驗(yàn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)在有功出力為310MW工況下進(jìn)行試驗(yàn):

（1）機(jī)組運(yùn)行在抽水工況下，且機(jī)組鐵芯等各部件溫度平穩(wěn)后試驗(yàn)開始。

（2）試驗(yàn)機(jī)有功出力維持不變，廠用電維持正常運(yùn)行方式，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入。

（3）調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐步增大勵(lì)磁，使機(jī)組無功出力增加，在Q=0附近開始記錄初始運(yùn)行參數(shù)；以后每當(dāng)無功出力增加5kvar左右記錄一次運(yùn)行參數(shù)，每點(diǎn)穩(wěn)定5～10min（視溫度變化情況而定）。

（4）繼續(xù)以緩慢速度增大勵(lì)磁電流，讀取各點(diǎn)數(shù)據(jù)，直至達(dá)到試驗(yàn)限制條件為止。

（5）在試驗(yàn)中應(yīng)注意以下條件：

1）試驗(yàn)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(jié)構(gòu)件溫度＜120℃。

3）冷風(fēng)溫度應(yīng)保持在運(yùn)行規(guī)程允許范圍內(nèi)。

4）機(jī)組的振動(dòng)值在運(yùn)行要求的范圍內(nèi)，并不出現(xiàn)明顯的變化。

5）整個(gè)試驗(yàn)過程應(yīng)在制造廠家的P-Q數(shù)據(jù)曲線內(nèi)進(jìn)行。

6）整個(gè)試驗(yàn)過程達(dá)到抽水工況下的額定功率因數(shù)。

（6）進(jìn)行試驗(yàn)中發(fā)生機(jī)組失去同步后的緊急應(yīng)對(duì)措施：試驗(yàn)中，如果發(fā)生電動(dòng)機(jī)失步等異?，F(xiàn)象，則由試驗(yàn)總指揮下令將機(jī)組解列。

（7）在試驗(yàn)中應(yīng)密切注意發(fā)電電動(dòng)機(jī)各溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，當(dāng)溫度升高較快時(shí)需特別注意。定子鐵芯溫度限制值按運(yùn)行規(guī)程及相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（8）試驗(yàn)中利用機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）的信號(hào)監(jiān)測(cè)機(jī)組及電網(wǎng)的各相關(guān)電氣參數(shù)。試驗(yàn)過程中需記錄如下數(shù)據(jù)：

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(shù)cosφ；

勵(lì)磁電壓Uf（V）；

勵(lì)磁電流If（A）；

端部鐵芯及金屬構(gòu)件溫度；

冷風(fēng)溫度。

試驗(yàn)中：測(cè)取定子電流、定子電壓、發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓、主變高壓側(cè)電壓、發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯及線圈各溫度測(cè)點(diǎn)的變化情況。試驗(yàn)人員及值守人員應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視機(jī)組盤表的變化情況，以防超出機(jī)組的穩(wěn)定極限和設(shè)定的試驗(yàn)限制值。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

抽水蓄能機(jī)組在抽水工況下，功率為–310MW下的試驗(yàn)過程中，2號(hào)機(jī)在試驗(yàn)機(jī)組無功為0附近的工況點(diǎn)開始記錄各測(cè)試量。隨著機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器逐步升高勵(lì)磁，發(fā)電電動(dòng)機(jī)無功功率從0.3Mvar開始逐步升高并由零無功狀態(tài)進(jìn)入發(fā)出無功運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)機(jī)組發(fā)出無功至發(fā)電電動(dòng)機(jī)無功功率70Mvar時(shí)，功率因數(shù)達(dá)到抽水工況下的額定值，停止試驗(yàn)。

在發(fā)電機(jī)有功出力–310MW下無功試驗(yàn)過程中，電站500kV電壓從515.4kV升高到518.3kV，升高了2.9kV；發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電壓由17.19kV升到18.08kV，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電壓由額定電壓的95.5%升至其額定電壓的100.4%；發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流隨機(jī)組發(fā)出無功量增加而減小，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流在由10475A降到10189A；發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓由150.2V升到185.0V，升高了35.3V；同時(shí)相應(yīng)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流由1487A升到1796A，升高了309A。

此工況試驗(yàn)期間，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵芯各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度始終在機(jī)組正常運(yùn)行的允許范圍內(nèi)，且各點(diǎn)溫度值遠(yuǎn)離鐵芯溫度限制值，對(duì)機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行沒有影響。試驗(yàn)期間定子鐵芯各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化不大。試驗(yàn)過程中定子鐵芯各測(cè)點(diǎn)溫度最大不高于50℃，定子線圈各測(cè)點(diǎn)溫度最大不高于75℃，均在正常允許范圍內(nèi)。試驗(yàn)部分結(jié)果詳見表3。

表3 2號(hào)機(jī)組抽水工況下無功調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.3 No.2 pumping reactive power adjustment data

5 試驗(yàn)結(jié)論

電站2號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)在有功功率P= –310MW工況下的發(fā)出無功量為70Mvar。試驗(yàn)發(fā)電機(jī)在電動(dòng)工況下的發(fā)出無功量受發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)0.975的條件限制，無功出力每升高1萬kvar，相應(yīng)的其500kV母線電壓升高約為0.4kV左右。同時(shí)也證明，大型抽水蓄能電站在設(shè)計(jì)滿足的范圍內(nèi)可在抽水工況下進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。

［1］李小虎.風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功電壓研究［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010，204（2）116-118.LI Xiaohu.Wind generator reactive Voltage research［J］.Inner Mongolia Science Technology & Economy,2010,204(2)116-118.

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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(shù)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(wǎng)、水電站安全技術(shù)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(xué)科代碼：570.30

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