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摘要:

對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定限制下的機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力進(jìn)行了分析。首先在分析靜態(tài)穩(wěn)定限制機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上估算了靜態(tài)穩(wěn)定對(duì)機(jī)組進(jìn)相能力的限制。然后考慮不同運(yùn)行方式，計(jì)算了機(jī)組在暫態(tài)穩(wěn)定限制下的進(jìn)相運(yùn)行能力。最后通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相試驗(yàn)得到的發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力，得到了靜態(tài)穩(wěn)定不是限制發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力主要因素，暫態(tài)穩(wěn)定限制與運(yùn)行方式緊密相關(guān)，進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行物理試驗(yàn)前應(yīng)考慮暫態(tài)穩(wěn)定限制進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行仿真的結(jié)論，并給出了對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力研究的改進(jìn)方案。論文成果對(duì)于發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力的研究和進(jìn)相試驗(yàn)方案的改進(jìn)有參考意義。

關(guān)鍵詞:

靜態(tài)穩(wěn)定;暫態(tài)穩(wěn)定;穩(wěn)定限制;進(jìn)相能力

0引言

隨著大容量遠(yuǎn)距離輸送電力的現(xiàn)代化電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，電力系統(tǒng)低谷運(yùn)行時(shí)電壓偏高的問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重影響著設(shè)備和電網(wǎng)安全［1］，利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力進(jìn)行電壓調(diào)整的方式因具有易于實(shí)現(xiàn)、調(diào)節(jié)平滑和無(wú)需額外投資的優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛應(yīng)用［2－4］。隨著特高壓輸電工程的投運(yùn)，電力輸送線(xiàn)路的充電無(wú)功功率將日益增大，在負(fù)荷低谷時(shí)，線(xiàn)路充電功率將使系統(tǒng)的電壓上升以至接近或超過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行電壓的上限。華北電網(wǎng)執(zhí)行逆調(diào)壓方式，對(duì)電壓的調(diào)整能力要求更為嚴(yán)格，核定省網(wǎng)調(diào)度發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行能力，為調(diào)度機(jī)構(gòu)提供可供電壓調(diào)整參考的量化依據(jù)是重要且迫切的任務(wù)。現(xiàn)階段關(guān)于機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力的研究已較多，文獻(xiàn)［5－12］具有一定代表性:文獻(xiàn)［5］研究了基于動(dòng)模試驗(yàn)分析大型發(fā)電機(jī)深度進(jìn)相特性的方法，得到了影響試驗(yàn)精度的因素;文獻(xiàn)［6］分析了限制進(jìn)相運(yùn)行能力的多個(gè)原因，得到端部熱過(guò)問(wèn)題不再限制大型汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的結(jié)論;文獻(xiàn)［7］建立發(fā)電機(jī)聯(lián)接電網(wǎng)的簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)并提出了快速估算發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力的方法;文獻(xiàn)［8］對(duì)比了PSCAD軟件仿真和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)相試驗(yàn)結(jié)果，得到仿真試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果誤差很小的結(jié)論;文獻(xiàn)［9］提出了一種基于相關(guān)向量機(jī)的發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力模型，繼而分析有功功率和無(wú)功功率一定情況下發(fā)電機(jī)進(jìn)相的調(diào)壓效果和進(jìn)相運(yùn)行的功角;文獻(xiàn)［10－12］以實(shí)際發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，總結(jié)了進(jìn)相運(yùn)行的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。但以上研究均未聯(lián)系實(shí)際電網(wǎng)考慮機(jī)組的進(jìn)相能力，得到研究成果為方向性或結(jié)論性?xún)?nèi)容，在量化指導(dǎo)調(diào)度進(jìn)行電壓調(diào)整方面依據(jù)不足。本文將研究電網(wǎng)穩(wěn)定對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的限制，計(jì)算考慮靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定限制的機(jī)組進(jìn)相能力，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的機(jī)組進(jìn)相能力進(jìn)行對(duì)比，為機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)和調(diào)度方案制定提供建議。

1分析對(duì)象描述

滄州區(qū)域電網(wǎng)中，某2×350MW火力發(fā)電廠通過(guò)220kV變電站A接入電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。ABCDEF分別為220kV變電站，滄西站為500kV變電站。兩隱極發(fā)電機(jī)組參數(shù)相同，均采用單元接線(xiàn)方式。在影響機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力的6個(gè)影響因素［4］中，發(fā)電機(jī)機(jī)端和廠用母線(xiàn)電壓降低、定子過(guò)流、定子端部過(guò)熱、邊端鐵心片絕緣安全受制于發(fā)電廠設(shè)備的物理結(jié)構(gòu);靜態(tài)穩(wěn)定限制和暫態(tài)穩(wěn)定限制則受到電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。按照文獻(xiàn)［13－14］要求，考慮發(fā)電廠設(shè)備限制對(duì)機(jī)組進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)得到其在不同有功功率下的進(jìn)相運(yùn)行能力如表1所示，本文將考慮靜態(tài)穩(wěn)定限制和暫態(tài)穩(wěn)定限制，研究機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行能力。

2靜態(tài)穩(wěn)定限制分析

2.1靜態(tài)穩(wěn)定限制機(jī)理

不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)的隱極發(fā)電機(jī)的電磁功率為Pe=EqUXdsinδ(1)式中:δ為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq和系統(tǒng)電壓U的夾角;Xd為直軸電抗，對(duì)應(yīng)向量圖如圖2所示。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率Pe與原動(dòng)機(jī)輸入功率Pm相等。功率特性如圖3所示，正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于Pe(1)曲線(xiàn)上的a點(diǎn)，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)Eq因機(jī)組吸收無(wú)功功率而減小，此時(shí)機(jī)組運(yùn)行于Pe(2)曲線(xiàn)上的b點(diǎn)，機(jī)組的靜態(tài)穩(wěn)定裕度由ge變?yōu)閏e。當(dāng)機(jī)組進(jìn)相深度繼續(xù)增加，使Pe(3)曲線(xiàn)上的最高點(diǎn)d仍然小于或等于機(jī)組原動(dòng)機(jī)出力Pm時(shí)，機(jī)組進(jìn)相深度受到靜態(tài)穩(wěn)定的限制。

2.2靜態(tài)穩(wěn)定限制估算

采用實(shí)際電網(wǎng)離線(xiàn)數(shù)據(jù)，以1000MW為基準(zhǔn)容量(SB)，應(yīng)用PSD-SCCP短路電流程序計(jì)算得到發(fā)電廠高壓母線(xiàn)處系統(tǒng)等值阻抗Xs為0.0290+j0.1614，升壓變壓器漏抗XT為0.4286，發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗X'd為0.6841。略去電阻的簡(jiǎn)化等效系統(tǒng)如圖4所示。考慮一臺(tái)發(fā)電機(jī)額定功率(Pe=0.35SB)進(jìn)相運(yùn)行且靜態(tài)穩(wěn)定不受限，則需要Pe＜EqUXs+XT+X'd(2)即Eq＞(Xs+XT+X'd)PeU(3)代入已知數(shù)據(jù)，得到進(jìn)相運(yùn)行后Eq需大于0.4459p．u．。實(shí)際進(jìn)相運(yùn)行中不可能將Eq降至0.4459p．u．，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［14］應(yīng)將發(fā)電機(jī)欠勵(lì)電壓限制在5%以?xún)?nèi)，可知發(fā)電機(jī)滿(mǎn)足靜態(tài)穩(wěn)定要求，且具有充足裕度。

3暫態(tài)穩(wěn)定限制分析

考慮電網(wǎng)穩(wěn)定的要求，需滿(mǎn)足運(yùn)行中出現(xiàn)暫態(tài)故障線(xiàn)路N－1時(shí)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。采用華北電網(wǎng)離線(xiàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用PSD-BPA軟件對(duì)該電廠發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)發(fā)生暫態(tài)故障進(jìn)行仿真。經(jīng)計(jì)算，在各種暫態(tài)故障中，發(fā)電廠出線(xiàn)電廠側(cè)發(fā)生三相短路的故障形式對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定影響最為嚴(yán)重。

3.1單機(jī)組并網(wǎng)方式進(jìn)相分析

該電廠只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)且其進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，考慮暫態(tài)穩(wěn)定限制，機(jī)組在不同有功功率下的進(jìn)相運(yùn)行能力如表2所示。若機(jī)組超過(guò)進(jìn)相能力增加進(jìn)相深度，則在發(fā)電廠出線(xiàn)處發(fā)生三相短路時(shí)機(jī)組將失去同步穩(wěn)定。以發(fā)電機(jī)額定功率進(jìn)相運(yùn)行吸收45MVar無(wú)功為例，進(jìn)相運(yùn)行前后的電氣參數(shù)變化如圖5所示。由圖中可見(jiàn)，發(fā)電廠高壓母線(xiàn)電壓由230kV降至進(jìn)相運(yùn)行后的219.5kV，發(fā)電廠無(wú)功出力由122MVar變?yōu)椋?5MVar，發(fā)電廠有功出力在進(jìn)相過(guò)程中出現(xiàn)小幅波動(dòng)，進(jìn)相運(yùn)行后有功功率穩(wěn)定在額定值，發(fā)生三相短路故障后電壓、功角均可保持穩(wěn)定。

3.2雙機(jī)組并網(wǎng)單機(jī)組進(jìn)相方式分析

該電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，且一臺(tái)以額定功率遲相運(yùn)行另一臺(tái)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，考慮暫態(tài)穩(wěn)定限制，機(jī)組在不同有功功率下的進(jìn)相運(yùn)行能力如表3所示。若機(jī)組超過(guò)進(jìn)相能力增加進(jìn)相深度，則在發(fā)電廠出線(xiàn)處發(fā)生三相短路時(shí)機(jī)組將失去同步穩(wěn)定。以?xún)膳_(tái)發(fā)電機(jī)額定功率運(yùn)行、一臺(tái)進(jìn)相運(yùn)行吸收47MVar無(wú)功為例，對(duì)應(yīng)的母線(xiàn)電壓及發(fā)電機(jī)出力響應(yīng)如圖6所示。由圖可見(jiàn)，發(fā)電廠高壓母線(xiàn)電壓由232.5kV降至進(jìn)相運(yùn)行后的226.6kV，發(fā)電廠無(wú)功出力則由85MVar變?yōu)椋?7MVar和140MVar，故障后電壓恢復(fù)至正常水平，兩發(fā)電機(jī)有功出力經(jīng)振蕩后恢復(fù)至額定功率，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。

3.3雙機(jī)組并網(wǎng)雙機(jī)進(jìn)相方式分析

該電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，且兩臺(tái)發(fā)電機(jī)同步進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，考慮暫態(tài)穩(wěn)定限制，機(jī)組在不同有功功率下的進(jìn)相運(yùn)行能力如表4所示。若機(jī)組超過(guò)進(jìn)相能力增加進(jìn)相深度，則在發(fā)電廠出線(xiàn)處發(fā)生三相短路時(shí)機(jī)組將失去同步穩(wěn)定。以?xún)膳_(tái)發(fā)電機(jī)額定功率運(yùn)行、且均發(fā)出7MVar無(wú)功為例，對(duì)應(yīng)的高壓母線(xiàn)電壓及機(jī)組無(wú)功出力響應(yīng)情況如圖7所示。由圖可見(jiàn)，發(fā)電廠高壓母線(xiàn)電壓由232.3kV降至最低無(wú)功出力運(yùn)行后的222.0kV，發(fā)電廠無(wú)功出力則由85MVar變?yōu)?MVar，故障后電壓恢復(fù)至正常水平，發(fā)電機(jī)有功出力經(jīng)振蕩后恢復(fù)至額定功率，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。

4不同限制的進(jìn)相能力對(duì)比及建議

4.1進(jìn)相能力對(duì)比

由以上分析可知，該發(fā)電廠的進(jìn)相能力不受靜態(tài)穩(wěn)定限制且靜態(tài)穩(wěn)定裕度充足，進(jìn)相能力因受暫態(tài)穩(wěn)定限制而不能繼續(xù)增加進(jìn)相深度。如圖8所示，考慮滿(mǎn)足電網(wǎng)暫態(tài)故障N－1安全需求時(shí)，不同的運(yùn)行方式下發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行能力不同。雙機(jī)組共同進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，機(jī)組受暫態(tài)穩(wěn)定限制的進(jìn)相能力最低;而雙機(jī)組運(yùn)行單機(jī)組進(jìn)相時(shí)，進(jìn)相運(yùn)行機(jī)組受暫態(tài)穩(wěn)定限制的進(jìn)相能力最高。最高方式在機(jī)組三種有功出力運(yùn)行狀態(tài)下吸收的無(wú)功之和比最低方式高約62%，說(shuō)明與進(jìn)相運(yùn)行機(jī)組并列運(yùn)行的遲相運(yùn)行機(jī)組增發(fā)無(wú)功，利于系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定。由此可見(jiàn)機(jī)組進(jìn)相能力需聯(lián)系實(shí)際的運(yùn)行方式進(jìn)行討論。

4.2調(diào)整建議

在多數(shù)情況下，發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力均首先考慮受發(fā)電廠設(shè)備限制而不能繼續(xù)增加進(jìn)相深度。但在某些運(yùn)行方式下，考慮電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定限制的進(jìn)相能力卻有可能低于考慮發(fā)電廠設(shè)備限制的進(jìn)相能力。因此特定運(yùn)行方式下進(jìn)行發(fā)電廠進(jìn)相試驗(yàn)或進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，存在暫態(tài)故障后發(fā)電機(jī)失去同步穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，將這種情況下進(jìn)相試驗(yàn)得到的發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力用于直接指導(dǎo)調(diào)度運(yùn)行存在不足。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出改進(jìn)發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力的技術(shù)方案如圖9所示，其中實(shí)線(xiàn)框表示現(xiàn)有技術(shù)流程，虛線(xiàn)框表示本文建議增加的技術(shù)流程。建議在進(jìn)行發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，采用實(shí)際電網(wǎng)的離線(xiàn)數(shù)據(jù)，考慮運(yùn)行中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行方式，通過(guò)仿真分析獲得考慮電網(wǎng)安全穩(wěn)定需求的進(jìn)相運(yùn)行能力，應(yīng)用所得結(jié)論指導(dǎo)進(jìn)相試驗(yàn)的開(kāi)展，以規(guī)避進(jìn)相試驗(yàn)中因進(jìn)相過(guò)深導(dǎo)致超過(guò)電網(wǎng)安全限制邊界而可能出現(xiàn)的電網(wǎng)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。此外，雖然靜態(tài)穩(wěn)定不是限制進(jìn)相運(yùn)行的主要因素，但在具備條件時(shí)仍建議進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)電廠低壓母線(xiàn)電壓低于限值(0.95UN)是最為常見(jiàn)的限制因素，因此建議進(jìn)相試驗(yàn)前，預(yù)先進(jìn)行仿真分析。這樣，在應(yīng)用試驗(yàn)前的分析指導(dǎo)進(jìn)相試驗(yàn)開(kāi)展的基礎(chǔ)上，綜合考慮發(fā)電廠物理限制因素和電網(wǎng)安全穩(wěn)定限制因素來(lái)制定合理的建議指導(dǎo)調(diào)度的電壓調(diào)整將更加科學(xué)、合理。對(duì)于未考慮電網(wǎng)安全限制因素，已完成進(jìn)相試驗(yàn)得到的進(jìn)相運(yùn)行結(jié)論，在應(yīng)用其指導(dǎo)調(diào)度電壓調(diào)整前，可考慮結(jié)合電網(wǎng)、電廠可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行方式進(jìn)行仿真校核，進(jìn)一步提高指導(dǎo)的準(zhǔn)確性和合理性。

5結(jié)論

本文對(duì)實(shí)際電網(wǎng)中的發(fā)電廠進(jìn)行了考慮靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定限制的進(jìn)相能力分析，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的進(jìn)相能力進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)論如下:(1)實(shí)際系統(tǒng)中靜態(tài)穩(wěn)定限制一般不會(huì)成為限制發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力的主要因素，暫態(tài)穩(wěn)定對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力的限制因運(yùn)行方式的不同而存在差異。(2)在按照現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)電廠進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，為避免試驗(yàn)中突發(fā)的暫態(tài)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失去同步穩(wěn)定發(fā)生跳機(jī)故障，應(yīng)在試驗(yàn)前進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行的暫態(tài)仿真計(jì)算。(3)應(yīng)考慮電廠進(jìn)相試驗(yàn)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定限制兩個(gè)因素，來(lái)綜合考慮發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行能力。將進(jìn)相能力用于指導(dǎo)調(diào)度運(yùn)行時(shí)，應(yīng)結(jié)合運(yùn)行方式進(jìn)行安全校核。

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［12］劉立瑞，尹項(xiàng)根，沈明德．發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行在電廠的試驗(yàn)與探討［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，30(1):107－109．

［13］國(guó)家電網(wǎng)公司．Q/GDW746－2012同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)導(dǎo)則［S］．北京:中國(guó)電力出版社，2012．

［14］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/TF7064－2008隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

作者:劉翔宇 何玉靈 周文 劉清泉 常永亮 孟凡超 單位:國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院 華北電力大學(xué)設(shè)備故障診斷與檢測(cè)技術(shù)研究所