楊 勇,周光厚,吳弘玲,何 偉,鄒應(yīng)冬

(東方電氣集團東方電機有限公司,德陽 618000)

0 引言

在某些國家和地區(qū),電網(wǎng)建設(shè)相對落后,線路老化嚴重,輸電損耗大;輸電通道不足,與周邊電網(wǎng)的互聯(lián)互通程度也不高,用電高峰期的“電荒”現(xiàn)象凸顯。因此,這些地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性相對較差,電網(wǎng)電壓和頻率的波動范圍較大。為了適應(yīng)電網(wǎng)的特殊運行需求,電力公司通常要求發(fā)電機在超出IEC和GB標準中規(guī)定的電壓和頻率安全運行范圍外長期或短時運行。然而,電網(wǎng)電壓和頻率的波動,將直接影響到發(fā)電機組的長期安全穩(wěn)定運行,主要體現(xiàn)在幾個方面:

(1) 電網(wǎng)電壓和頻率的波動可能會引起發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子繞組溫度過高,損傷繞組絕緣,進而影響機組的使用壽命;

(2) 電網(wǎng)電壓的升高會使機組勵磁電流增大,發(fā)電機定子鐵心磁密和損耗也會相應(yīng)增加,長期過磁通運行也會大幅增加鐵心燒損的風險;

(3) 電網(wǎng)頻率的波動幅度過大可能會造成機組失步振蕩;

(4) 機組長期超速運行和轉(zhuǎn)速頻繁變化將會對相關(guān)部件的動力特性及疲勞壽命有一定影響。

經(jīng)常超出標準規(guī)定的安全范圍運行,無疑對大型發(fā)電機組的設(shè)計和運行維護提出了新的挑戰(zhàn)和考驗。本文將結(jié)合某電力公司提出的技術(shù)要求,以某水輪發(fā)電機為研究對象,對電網(wǎng)電壓和頻率波動對其運行溫度、運行穩(wěn)定性、部件的動力特性及疲勞壽命影響進行研究和分析。

1 發(fā)電機VF運行區(qū)域及相關(guān)標準要求

1．1 標準中規(guī)定的發(fā)電機電壓和頻率運行限值

IEC 60034-1和IEC 60034-3標準中規(guī)定的發(fā)電機電壓和頻率運行限值如圖1所示。發(fā)電機應(yīng)能夠在A區(qū)域內(nèi)(電壓偏差±5%,頻率偏差±2%)連續(xù)穩(wěn)定運行。標準規(guī)定的發(fā)電機溫度和溫升限值僅適用于額定運行點(額定容量、額定電壓、額定頻率)。但當發(fā)電機運行在A區(qū)域邊界或B區(qū)域時,其溫升或溫度可能會比A區(qū)域更高,應(yīng)在運行持續(xù)時間、運行頻次等方面加以限制,或者采取矯正措施(例如降低發(fā)電機組輸出)以避免發(fā)電機組溫度過高而影響繞組絕緣壽命。

圖1 IEC標準中規(guī)定的發(fā)電機電壓和頻率的運行限值

1．2 某水輪發(fā)電機的電壓和頻率運行區(qū)域

圖2陰影區(qū)域是電力公司針對某水輪發(fā)電機提出的電壓和頻率的連續(xù)運行區(qū)域。

圖2 某水輪發(fā)電機電壓和頻率的運行限值

從圖2可以看出,該水輪發(fā)電機的電壓和頻率運行范圍已超出了IEC標準規(guī)定的長期安全穩(wěn)定運行的范圍。

2 針對擴大發(fā)電機電壓和頻率運行范圍可采取的優(yōu)化設(shè)計措施

如果按照相關(guān)標準規(guī)定的長期安全穩(wěn)定運行區(qū)域進行上述水輪發(fā)電機組的設(shè)計,在超出標準規(guī)定范圍運行時,定轉(zhuǎn)子溫升會升高,在最惡劣的運行工況(電網(wǎng)電壓維持額定,電網(wǎng)頻率偏差-6%)時,轉(zhuǎn)子繞組的溫升將上升約20 K,已接近標準規(guī)定的溫升限值,將直接影響機組長期安全穩(wěn)定運行和使用壽命。

為了滿足電力公司增大電壓和頻率運行范圍的要求以及保證水輪發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行,在機組設(shè)計時,可以采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計措施。

在機組運行溫升及磁密水平控制方面的主要優(yōu)化設(shè)計措施有:

(1) 增加磁極線圈匝數(shù)來降低轉(zhuǎn)子電密,從而降低轉(zhuǎn)子溫升;

(2) 優(yōu)化定子線棒參數(shù)(如增加股線數(shù)或股線規(guī)格)來降低定子繞組溫升;

(3) 確保機組在超出標準規(guī)定的安全運行區(qū)域時,定轉(zhuǎn)子磁密處于合理的范圍,避免達到材料的磁飽和區(qū)域,降低過磁通風險。

在提升機組運行穩(wěn)定性方面的主要優(yōu)化設(shè)計措施有:

(1) 適當增大短路比(即減小直軸同步電抗),可提高水輪發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性,發(fā)電機在欠勵狀態(tài)(充電運行和進相運行)下的穩(wěn)定性也會提高;

(2) 適當減小直軸瞬變電抗,能提高水輪發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性;

(3) 適當增大機組飛輪力矩,也能一定程度提高水輪發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性。

在部件的動力特性和疲勞壽命方面,計算時綜合考慮了電網(wǎng)電壓和頻率波動的范圍及頻次的影響,發(fā)電機轉(zhuǎn)子設(shè)計時考慮足夠的剛強度和足夠的安全系數(shù),緊固件連接牢靠,在超出標準范圍超速運行時不發(fā)生有害變形,并確保部件疲勞壽命達到相關(guān)技術(shù)要求[1]。

雖然,通過優(yōu)化電磁和結(jié)構(gòu)參數(shù),可以在一定程度上擴大水輪發(fā)電機電壓和頻率的運行范圍,且將定轉(zhuǎn)子溫升控制在合理范圍內(nèi),但是會增加發(fā)電機的有效材料和生產(chǎn)制造成本。

通過對某水輪發(fā)電機采取相應(yīng)的綜合優(yōu)化措施后,其基本參數(shù)如表1所示。

表1 某水輪發(fā)電機基本參數(shù)

3 電壓和頻率的波動對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響

本節(jié)以上述水輪發(fā)電機為研究對象,對圖2運行區(qū)域邊界上各點進行溫度或溫升計算分析。詳細的計算工況如圖3所示。各計算工況水輪發(fā)電機額定出力(額定容量225 MVA,額定功率因數(shù)0.80)維持不變。

根據(jù)該水輪發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)的分析計算結(jié)果,在額定負載運行工況(工況點1)下,發(fā)電機定子繞組溫升為40 K,轉(zhuǎn)子繞組平均溫升為62.1 K,如圖4所示。

圖4 額定負載工況下發(fā)電機繞組溫度場計算結(jié)果

定轉(zhuǎn)子繞組的銅耗與其電流平方成正比,在散熱條件不變的情況下,定轉(zhuǎn)子繞組的溫升可近似按照與電流的平方成正比進行推算。

根據(jù)計算結(jié)果,當電網(wǎng)電壓維持額定,且頻率偏差-6%時(工況點12),發(fā)電機勵磁電流最大,此工況下轉(zhuǎn)子繞組平均溫升較額定負載上升約20%,但仍滿足標準要求且有一定裕度;當電網(wǎng)電壓偏差-5%時,發(fā)電機定子電流最大,定子繞組溫升較額定負載上升約10%,溫升裕度較大。

通過不同運行工況點的計算結(jié)果對比,可得出在電網(wǎng)頻率恒定,電壓波動時對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響規(guī)律,如圖5(a)所示;在電網(wǎng)電壓恒定,頻率波動時對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響規(guī)律,如圖5(b)所示。

圖5 電網(wǎng)電壓和頻率波動對繞組溫升的影響

通過上述分析可以看出,電網(wǎng)電壓和頻率波動對發(fā)電機溫升的限制主要在轉(zhuǎn)子方面。發(fā)電機組應(yīng)盡量避免在電網(wǎng)電壓較高且頻率負偏差時長期運行,防止轉(zhuǎn)子繞組溫度過高,損傷絕緣,進而減小機組的使用壽命。

當發(fā)電機定轉(zhuǎn)子溫度較高時應(yīng)采取相應(yīng)措施進行限制性運行,例如減小機組無功輸出,從而減小勵磁電流,但發(fā)電機組在無功減小時,功角會逐漸增大,尤其在發(fā)電機組在進相運行時,穩(wěn)定性會變差。

4 頻率波動對發(fā)電機組運行穩(wěn)定性的影響

本節(jié)建立了上述水輪發(fā)電機與電網(wǎng)耦合仿真計算模型,如圖6所示。在維持發(fā)電機組額定出力(額定有功功率、額定功率因數(shù))的情況下,通過控制電網(wǎng)頻率參數(shù)變化,完成了在電網(wǎng)頻率變化時發(fā)電機組瞬態(tài)運行過程的仿真。

圖6 某水輪發(fā)電機網(wǎng)機耦合仿真模型

電網(wǎng)頻率單次1 Hz波動時,發(fā)電機有功、無功、勵磁電流、轉(zhuǎn)速、功角的變化曲線如圖7所示。

圖7 電網(wǎng)頻率小幅變化對發(fā)電機運行的影響

仿真結(jié)果表明:在電網(wǎng)頻率波動時,發(fā)電機組能夠維持額定出力,轉(zhuǎn)速隨電網(wǎng)頻率變化而變化,最終穩(wěn)定在與電網(wǎng)頻率相對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速。由于發(fā)電機端電壓不變,電網(wǎng)頻率增大時,勵磁電流減小;電網(wǎng)頻率減小時,勵磁電流增大。頻率波動對發(fā)電機功角影響較小。但發(fā)電機有功功率、無功功率、勵磁電流、轉(zhuǎn)速的振蕩幅度與頻率波動幅度正相關(guān);當頻率波動幅度較大時,將會導致機組失步振蕩。

5 結(jié)論

(1) 電網(wǎng)電壓和頻率波動對大型發(fā)電機的運行溫度、運行穩(wěn)定性、部件動力特性及疲勞壽命會產(chǎn)生較大的影響。結(jié)合電力公司針對某水輪發(fā)電機組提出的特殊運行需求,本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計措施,但往往會使機組的設(shè)計和生產(chǎn)制造成本增加。

(2) 本文通過有限元分析計算和暫態(tài)過渡過程仿真分析的方法,對電網(wǎng)電壓和頻率波動對某水輪發(fā)電機的運行溫度和穩(wěn)定性進行了計算和分析。結(jié)果表明,該發(fā)電機在采取相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計措施后,定轉(zhuǎn)子繞組溫升明顯降低且有一定的裕度,運行穩(wěn)定性較好。

(3) 鑒于以上分析,建議大型發(fā)電機組在IEC和GB標準中規(guī)定的電壓和頻率安全運行范圍內(nèi)運行。若機組經(jīng)常超出標準規(guī)定區(qū)域運行,電站運行維護人員應(yīng)相應(yīng)增加機組的檢修頻次和力度,并加強對機組運行狀態(tài)的監(jiān)控。此外發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓和頻率偏差較大的情況下運行時,應(yīng)采取相應(yīng)限制措施,例如適當減小機組無功輸出,從而減小勵磁電流。