300 MW发电机组并网进相运行实践分析

2013-07-29李贺昌

冶金动力 2013年2期

李贺昌，沈军

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063210）

1 引言

随着电网大型发电机组的不断投运，高压、超高压远距离输电线路配套增加，电力系统无功功率过剩、整个和局部电网电压偏高问题日益突出，电网的无功调节和电压控制的难度不断增大。如何在进行有功功率的调度和系统频率调整的同时，安全、灵活、有效地进行无功功率的调整和电网电压的控制，是当前电网运行的棘手问题。以往的手段是不断增加系统调节无功设备的投资，来满足电网在不同运行方式下调节的需求。而大型汽轮发电机组采用进相运行来达到吸收剩余无功、进行电压控制的技术，无须增加投资，因而越来越得到业内人士的认可，并得到了电力试验研究部门的重视。但是，发电机的进相运行是一个复杂的运行工况，它与系统的运行方式、电压水平、稳定性、发电机端部温升、励磁系统运行方式、厂用电电压等问题紧密联系,故要在现场试验工作的基础上，综合考虑涉及的各种限制因素，为调度部门和生产单位提供机组安全可行的运行区域，达到调节无功、控制电压的目的。

2 进相试验原理简介、试验目的

进相运行是发电机的一种特殊运行状态，当电网电压过高时，机组可以吸收大网无功电流而进相运行。进相运行的原理是：调整发电机的励磁电流，当过激时发电机可以发出感性无功功率，而欠激磁时，发电机要吸收感性无功功率。而发电机进相运行时，其静稳定极限下降，动稳定性削弱，发电机定子铁芯端部及结构件温度上升，机端电压和厂用电压降低。发电机输出的有功功率P和功角δ的关系为：

式中：P——电磁功率；

δ——功角；

Eq——发电机电势；

U——发电机机端电压；

Xd——发电机电抗。

其曲线如图1所示，这里发电机的定子电势Eq，与励磁电流 Ie有关，Ie大，则 Eq大，Ie小则 Eq小。假定发电机原来在迟相情况下运行，对应的功角特性为图1中的曲线1。此时励磁电流Ie1所对应的电势为 Eq1，则曲线的幅值为在输出有功功率为P1时，运行点为α1，所以对应的功角为δ1。降低励磁电流，使发电机在低励磁Ie2的进相状态下运行，此时，与Ie2对应的电势为Eq2，对应的特性曲线为曲线2，其幅值为δ。在输出有功功率不变的情况下，运行点变为α2，所对应的功角为δ2，显然，δ2＞δ1，进相时 δ角更接近 90°易失去稳定。所以应尽量使功角远离90°，因此需要根据试验确定机组进相稳定运行的能力。

3 300 MW发电机组进相运行方案

1#300 MW发电机组进行进相试验期间系统总负荷为（300 MW+j70 kvar），发电机组经101开关并入热电110 kV变电站110 kV母线，再经过两条联络线并入铁钢220 kV变电站110 kV系统，公司共有3台240 MVA变压器运行，两座220 kV变电站220 kV系统并列运行，110 kV系统分列运行，具体运行方式如图2所示。

图1 发电机功角特性曲线

表1 各电压等级允许范围

图2 电力系统运行方式简图

300 MW发电机组进相试验目标为进相运行功率因数0.95（发电机组吸收无功100 Mvar），由于正常运行时发电机组滞相运行功率因数为0.95，因此在发电机组进相试验过程中，公司电网系统无功潮流变化量非常大，可达200 Mvar，这个过程必定会导致系统电压的严重降低。由于钢铁厂内负荷众多且各工序正常生产，有许多设备对电压有较高要求，同时配置过压保护和欠压保护，因此要在保证各工序正常生产的前提下进行进相试验，必须要严密监视电压的变化情况，为应对试验过程中出现的电压降落，必须制定有效的控制措施：（1）保证220 kV变电站12组电容器（每组8000 kvar）随时具备投运条件以补偿系统出现的无功不足现象；（2）保证各110 kV变电站主变分接开关具备调整条件，保证各区域用户的用电质量，防止电气设备低压动作跳闸；（3）在试验过程中严密监视各110 kV变电站110 kV、10 kV母线电压，一旦电压超出表1允许的电压范围，立即进行相关调整措施，如果无法恢复电压至允许范围内则停止进相试验。（4）加强高炉鼓风机（功率60 MW）、制氧机组（功率为36.5 MW、29.6 MW）等大型同步电动机运行情况的监视，一旦出现异常立即停止试验，保证高炉正常生产。

300 MW机组进相试验过程中自备电厂遵循的限定范围如下所示，一旦超出限定范围则应立即停止试验，防止发电设备损坏：

（1）20 kV 机端电压：（0.9～1.10）Un，即 18～22 kV；

（2）6 kV 母线电压：（0.95～1.05）Un，即 5.7～6.3 kV之间；

（3）380 V母线电压:360～400 V之间；

（4）发电机定子电流最大值：1.0In，即10190 A；

（5）发电机功角δ最大值：70°。

4 300 MW发电机组进相运行试验过程分析

发电机分别在 150 MW，200 MW，250 MW，300 MW的发电负荷下进行进相试验，并分别以限制条件为边界，试验具体过程及维持电压等所采取的手段具体为：

（1）发电机组（功率为 250 MW+j43 Mvar），此时2250热轧10 kV母线电压降至9.7 kV，3#站10 kV母线电压降至9.78 kV；铁钢站投入4组并联电容器（每组8000 kvar），热轧主变分接头由6档调至8档，3#站主变分接头由6档调至7档，电压回升至9.8 kV。

（2）发电机组（功率为 250 MW+j80 Mvar），铁钢再投入两组电容器，各站电压均在允许范围内。

（3）继续加大无功进相深度，此时自备电站6 kV母线电压过低至5.7 kV，将厂用电倒至起备变。

（4）发电机组（功率为 300 MW+j100 Mvar，功率因数0.95），铁钢站再投两组电容器，铁钢站10 kV系统电压达11 kV，1#机组机端电压过低约为18 kV，最终结束进相试验。

此次进相试验过程中，由于对电压进行严格控制，高炉鼓风机、制氧机等大型同步机组均正常稳定运行，无电气设备低压动作情况，主要站所电压变化如表2所示。

表2 1#300 MW机组并网前后电压变化表

京唐公司1#300 MW发电机组试验结果表明：每调整150 Mvar的无功负荷可使电网较远地区变电站110 kV母线电压降低2 kV左右，进相运行机组所在电网母线电压变化5 kV左右，但电压仍在允许范围内。京唐公司300 MW发电机组进行进相试验中关键是电压波动明显，尤其是与机组并网点较近的电网电压变化较大，要注意110 kV母线电压在107 kV以上，以及确保机端电压在18 kV以上，而对于发电机组功角及定子转子温度均在限制范围内，进相运行试验对于远处电网的电压水平影响较小，对于制氧高炉鼓风等系统大型同步电机基本没有影响。

通过300 MW发电机组进相运行所采取的措施及试验数据分析得出，发电机组进相试验的关键是如何控制系统电压及机端电压在允许范围内。由于在发电机组进相运行试验中，系统电压普遍下降，因此需要适当调整变压器的变比才能增加进相运行的深度，要确保各节点都具备电容补偿设施，防止由于集中补偿而造成部分节点电压偏高、部分节点电压偏低的情况。同时要提前做好准备，在可能的条件下将厂用电切换至备用变带，防止因电压降落较大，影响电站厂用设备正常运行，进而影响进相运行的深度。