摘?要：目前，隨著我國電力企業(yè)對節(jié)能環(huán)保越來越重視，以及電網對電廠調峰能力更高的要求，燃氣輪機—蒸汽機聯(lián)合循環(huán)電廠在廣東電網中的比例不斷增加，通過對燃機發(fā)電機和汽機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)進行優(yōu)化整定，重點研究同套機組間無功分配、機組阻尼，并分析對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的影響，為燃氣輪機發(fā)電機組的調差系數(shù)優(yōu)化整定工作具有重要的意義。

關鍵詞：勵磁系統(tǒng);調差系數(shù);動態(tài)穩(wěn)定;優(yōu)化整定

中圖分類號：TM712

隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，國內的電力需求持續(xù)增加，電力需求量已處于世界首位。目前，國內電網內的發(fā)電廠種類較多，其中火力發(fā)電以燃煤為主，而燃煤發(fā)電存在許多缺點，如熱效率低、高污染以及調峰能力不足等。燃氣發(fā)電機組是市場新環(huán)境和世界環(huán)保需求推出的新主力發(fā)電機組，其中燃氣輪機—蒸汽機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組具有建設周期短、效率高、污染小等優(yōu)點在熱電聯(lián)產和冷點聯(lián)產工程中積極作用[1]，隨著電網對火力發(fā)電企業(yè)環(huán)保減排及調峰能力的越來越重視，燃氣輪機發(fā)電機組在我國火力發(fā)電力所占比例不斷增長。

燃氣輪機—蒸汽機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組包括燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發(fā)電機以及輔機[2]，因此一套燃氣輪機—蒸汽機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為一臺燃氣發(fā)電機及一臺汽輪發(fā)電機，兩者通過各自的主變壓器升壓后并接在變電站，主接線如圖1所示。

燃機發(fā)電單元與汽機發(fā)電單元的容量及主變短路電抗存在較大差異，因此需要對兩臺機組發(fā)電機調差系數(shù)進行調整優(yōu)化。調差系數(shù)是勵磁系統(tǒng)中描述同步發(fā)電機無功電壓外特性的參數(shù)，其值大其值大小不但對發(fā)電機電壓和無功功率具有重要影響，也間接影響到電網電壓水平[3-5]。因此，對燃氣輪機—蒸汽機組調差系數(shù)優(yōu)化計算對電網系統(tǒng)穩(wěn)定有重要作用。

1 勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)

同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)的定義如下：發(fā)電機在功率因數(shù)為0的工況下，發(fā)電機無功功率QG從0變化到額定值，發(fā)電機機端電壓UG隨之變化的變化率，調差系數(shù)實際是發(fā)電機電壓調節(jié)特性曲線的直線斜率，公式如下所示：

國內外對其中調差系數(shù)的極性有不同的規(guī)定，國內規(guī)定向下傾斜的曲線為正調差;反之，向上傾斜的曲線為負調差，斜率水平平行于QG軸的為零調差，特性曲線如下圖2所示。國內與國外勵磁廠家定義調差極性的方向相反，而功能意義相同，故在整定優(yōu)化調差系數(shù)時需要特別注意。

目前，廣東電網內大型火力發(fā)電機組主要的接線方式為發(fā)電機—變壓器單元接線，燃氣輪機—蒸汽發(fā)電機組在并列點的總調差系數(shù)合理與否將影響到電網的安全經濟運行，若調差系數(shù)設置過大將增大電網運行電壓的調整幅度導致波動加大，降低電網電壓質量，影響電網的安全運行;若調差系數(shù)設置過小將導致電網系統(tǒng)電壓的發(fā)生較小波動時，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)率過度響應，輸出過多的無功功率，干擾同一母線上并聯(lián)運行的其他機組的無功分配關系，增加機組的安全運行風險。

隨著系統(tǒng)電網規(guī)模的擴大，短路電流的成為新機組設計的關鍵要素，新投運機組的主變壓器的短路電抗達到15%以上，減弱機組與電網的聯(lián)系，使機組對電網電壓波動響應的靈敏度變小。因此，對燃氣輪機—蒸汽發(fā)電機組的調差系數(shù)進行優(yōu)化整定，抵消發(fā)電單元主變壓器的部分短路電抗，降低發(fā)電單元的總調差系數(shù)，提高機組對系統(tǒng)電壓的波動靈敏度，保持并列運行的機組的總調差系數(shù)一致且均為正調差，使不同容量的機組之間無功正確分配，確保機組、電網的穩(wěn)定運行。

2 調差系數(shù)對機組阻尼的影響

若調差直接疊加到勵磁系統(tǒng)主控制環(huán)，勢必會對機組的阻尼比及其動態(tài)穩(wěn)定性產生影響[6-9]。目前，在國內外研究文獻中調差系統(tǒng)的極性正負對機組阻尼的影響尚未有定論，機組阻尼的增加還是減弱在調差極性的正負上存在眾多不確定因素。

結合系統(tǒng)電網內典型機組的運行狀況，分析在退出PSS后勵磁系統(tǒng)調差系數(shù)對機組的阻尼影響，結果如表1所示。對表1分析可得，電網內單個發(fā)電單元，在確保折算主變短路電抗后總調差值不小于5%的前提下，當調差系數(shù)以±0.1的幅值增減時，機組的本機振蕩阻尼比的影響極小，相對于機組PSS投入后所增加的阻尼比可以近似忽略。因此，在整定機組勵磁系統(tǒng)的調差系數(shù)時，可以直接整定絕對值小于10%變化幅值的調差系數(shù)，對機組及電網的風險可控，若需要整定調差系數(shù)變化的絕對值大于10%，需要對機組仿真分析及現(xiàn)場試驗驗證。

在廣東電網新投運的燃氣機—蒸汽輪機組中進行正負調差系數(shù)試驗，驗證仿真計算的有效性，試驗結果與仿真計算結論一致。

按照國標DL/T843-2010《大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術條件》對調差系數(shù)整定要求如下：當發(fā)電機無功電流由零增加到額定無功電流時，發(fā)電機電壓變化不大于5%額定電壓，并列點調差率應為5%～10%。綜上可以簡化為：①功率因數(shù)為0.85的發(fā)電機組，調差系數(shù)需不小于-95%;②功率因數(shù)為0.90的發(fā)電機組，調差系數(shù)需不小于-11.5%;③保證并聯(lián)相同母線下的機組調差系數(shù)相近，且并列調差率在5%～10%。

3 算例分析

本文以廣東電網內新建燃氣輪機—蒸汽發(fā)電機組為例進行分析，機組的設備參數(shù)如表2所示：

其中燃氣機組（GT）采用東方電氣公司成套提供，型號為ABB UNITROL6800微機勵磁調節(jié)器，設備默認調差率為5%;汽輪機組（ST）采用廣州擎天公司成套提供，型號為EXC9100微機勵磁調節(jié)器，設備默認調差率為-3%。

通過公式DT=Uk+DUGNITNUTNIGN[10]得到燃機發(fā)電機（GT）當前并列電壓調差率為14%，汽機發(fā)電機（ST）并列電壓調壓率為12%，可見同兩臺機組在一母線上并列點的調差率不同，燃氣機組在并網運行后將發(fā)生無功交換現(xiàn)象。

根據(jù)DL/T843-2010《大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術條件》中對并列點調差系數(shù)的要求，對兩臺機組進行調差系數(shù)優(yōu)化整定計算：

燃機發(fā)電機組調差系數(shù)?DTGT=19.62%+DGT×1.035%

燃機發(fā)電機勵磁調差系數(shù)?DGT=-10%～-14%

汽機發(fā)電機組調差系數(shù)?DTST=15.77%+DST×1.062%

汽機發(fā)電機勵磁調差系數(shù)?DST=-6%～-10%

為保證在同一母線機組并網點調差系數(shù)相同且無功分配穩(wěn)定，綜合考慮下對機組調差系數(shù)取較小值。燃氣發(fā)電機的調差系數(shù)取-10%，汽機發(fā)電機調差系數(shù)取-6%，由于兩臺機組對調差系數(shù)的定義不同，極性相反，故最終燃機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中調差系數(shù)設置為10%，汽機發(fā)電機勵磁調節(jié)器調差系數(shù)設置為-6%。

4 試驗驗證

對新建機組并網調試期間進行調差系數(shù)優(yōu)化驗證試驗，試驗內容包括燃機、汽機的階躍響應試驗和動態(tài)增磁試驗，以此驗證兩臺機組在擾動后的無功分配穩(wěn)定情況。

（1）階躍響應試驗。試驗前燃機發(fā)電機（GT）工況為：P=295.72MW、Q=76.29Mvar、Ug=16.43kV，汽機發(fā)電機（ST）工況為：P=151.29MW、Q=32.95Mvar、Ug=15.92kV。在燃機勵磁調節(jié)器中設定+2%額定電壓的階躍量，進行機端電壓-2.0%階躍時，燃機發(fā)電機組有功功率波動的峰值達到了38.79MW，約為額定有功的11.52%，振蕩3周后收斂，振蕩頻率為1.0～1.1Hz之間，擾動收斂后勵磁系統(tǒng)調節(jié)平穩(wěn)無搶無功現(xiàn)象。階躍試驗結束后燃機無d功功率下降至Q=3.38Mvar，汽機無功功率上升至Q=6222Mvar。220kV母線電壓由232.36kV變化為231.12kV，試驗數(shù)據(jù)見表3，波形圖如圖3所示。

（2）動態(tài)增磁試驗。試驗前燃機發(fā)電機（GT）工況為：P=293.55MW、Q=76.21Mvar、Ug=16.40kV，汽機發(fā)電機（ST）工況為：P=152.31MW、Q=32.96Mvar、Ug=15.94kV。在汽機發(fā)電機勵磁調節(jié)器在自動方式下增磁，將機端電壓給定值Uref由101.1%上升至102.1%，燃機、汽機在試驗中無功功率調節(jié)平穩(wěn)、連續(xù)，勵磁電壓無明顯晃動和異常信號，機組電壓保持正常。試驗后，汽機無功功率Q=53.37Mvar，燃機無功功率Q=60.33Mvar，220kV母線電壓由232.30kV變化為232.39kV，試驗數(shù)據(jù)見表4。

從上述圖3、表3、表4可以看出燃氣—蒸汽機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組調差系數(shù)優(yōu)化整定后，提高了兩臺發(fā)電機的無功電壓調節(jié)潛力，燃氣機組（GT）進行2%下階躍擾動后，無功功率正常波動，機組阻尼正常，燃機、汽機間的無功功率分配均衡，搶無功現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，參數(shù)優(yōu)化后減少了系統(tǒng)電壓的波動幅度，改善機組與電網之間的電壓水平。由此可以說明優(yōu)化后燃氣—蒸汽機組勵磁系統(tǒng)的無功功率調整方向及無功功率分配均衡，機組運行穩(wěn)定，證明了本文優(yōu)化整定的正確性。

結論

本文分析了燃氣—蒸汽機發(fā)電機組調差系數(shù)優(yōu)化整定對系統(tǒng)電網的影響。結合廣東電網內新建燃氣—蒸汽機組的實際情況，其中同一母線并網點的主變壓器短路電抗相差較大（個別燃機組的主變壓器短路電抗為20%），將同一套機組勵磁系統(tǒng)的調差系數(shù)從0改為負值，以此補償升壓變壓器的電壓降，調整后總體風險可控，考慮到燃氣—蒸汽機組無功功率分配的穩(wěn)定情況，并列點的總調差系數(shù)應整定一致，從而避免機組之間無功功率分配不均的問題。

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作者簡介：馬明銳（1986—?），男，工程碩士，中級工程師，研究方向：電力電子及發(fā)電機勵磁。