沙河蓄能机组励磁系统涉网性能分析

王社生

(江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳 213333)

随着我国经济的飞速发展，为了满足不断增长的负荷需求，电力系统规模也在不断扩大。随着科技的进步，我国的电力系统已经进入大机组、高电压、大网络的发展阶段。大容量的电源与网络对于整个系统的稳定性提出了更高的要求。一方面，大机组并网运行的稳定性对于电网整体的安全稳定至关重要，而电网所能够提供的稳定环境对于机组本身的安全也是不可或缺。在这种背景下，励磁系统装置在机网协调运行中正体现出越来越重要的作用。它一方面是发电机组得以正常运行的保证，一方面又担负着整个电网中无功以及电压调节的重任。因此，研究励磁系统的涉网性能是研究电网以及机组稳定性的基础条件。

沙河抽水蓄能电站位于江苏省溧阳市天目湖镇境内，距溧阳市区18km，距常州103km。电站装机容量100MW，按日调节运行。该电站的励磁系统原为ALSTOM励磁，后进行了国产化改造，整体更换为RCS－9400型励磁调节器。本文通过对沙河电站励磁系统的涉网试验，采集到发电机以及励磁系统的模型特征和动态特性的相关数据，通过计算以及仿真校核，对涉网性能进行分析和计算。

1 励磁系统建模以及空载特性

励磁系统建模试验的主要目的就是通过现场实测的方法，获取发电机励磁系统的模型特征及其动态特性，通过软件建模仿真以及参数辨识的方法，建立电力系统仿真软件BPA可以调用的模型，整定其参数，验证其正确性，保证其与实际装置具有相同的动态特性，为电力系统仿真工作提供真实可信的模型。试验模型选取以及参数计算遵循《同步发电机励磁系统建模导则》。

1.1 发电机和励磁变参数

沙河机组励磁系统形式为自并励励磁方式。其发电机、励磁变参数见表1。

表1 沙河机组发电机和励磁变参数

1.2 发电机空载电压5%阶跃响应试验

试验结果见图1，经录波软件分析得到该阶跃波形相关指标见表2。由表2可见，本机组的励磁系统空载阶跃性能满足国标相关要求。

图1 发电机空载电压5%阶跃响应

表2 5%阶跃响应指标

1.3 调差极性校核

在发电机带负载的情况下，对机组调差极性进行校核。在励磁调节器中设置机组调差系数，将调差系数依次修改为－5、－3、－1、1、3、5，每次参数设置后保持10s左右，录取机组机端电压、无功、励磁电压等电气量，校核机组调差极性。

由图2可见，随着调差系数的增加，机组无功、励磁电压、机端电压等电气量呈现阶梯形下降的趋势，说明机组调差极性正确，具备正常调差功能。

图2 调差极性校核录波

2 进相试验

同步发电机进相运行是一种同步低励磁持续运行方式。利用发电机吸收无功功率，同时发出有功功率，是解决电网低谷运行期间无功功率过剩、电网电压过高的一种技术上简便可行、经济性较高的有效措施。

2.1 静态稳定限制

发电机与无限大系统并列运行时，理论上讲，其整步功率大于0时，发电机运行是稳定的。由于沙河发电机为凸极式发电机，其交轴同步电抗不等于直轴同步电抗，根据静态稳定极限计算，其静态稳定极限功角与有功相关，有功为30MW时，极限功角约为61°;有功40MW 时，极限功角为66°;有功50MW时，极限功角为70°。因此试验中，控制功角小于极限功角，并留有15°的裕度。在试验中，沙河发电机在有功约为30MW，进相到功率因数为进相0.69时，发电机无功为 －32.3Mvar，发电机定子电压降至9.47kV，其额定电压的90.2%，发电机测量功角36.50°，相对于2号主变高压侧功角40.12°，比静稳极限功角低20.9°;在发电机有功约为40MW，进相到功率因数为进相0.77时，发电机无功为－33.0Mvar，发电机定子电压降至9.48kV，其额定电压的90.3%，发电机测量功角42.62°，相对于2号主变高压侧功角47.22°，比静稳极限功角低18.8°;在发电机有功约为50MW，进相到功率因数为进相0.86时，发电机无功为－29.1Mvar，发电机定子电压降至9.74kV，其额定电压的92.8%，发电机测量功角44.54°，相对于2号主变高压侧功角49.87°，比静稳极限功角低20.1°。根据DL/T 751，该状态能长期稳定运行。由此可见，在本次进相深度范围内，发电机能长期稳定运行。

2.2 定子端部铁芯和金属结构件的温度限制

发电机由迟相运行转移至进相运行时，发电机的端部漏磁会增加。定子端部漏磁通与转子端部漏磁通的磁路不一致，它们各自的磁阻 (Rs和Rr)也就不同。因此，发电机由迟相运行转移至进相运行时，定子端部的合成漏磁通要上升，且随着进相深度的增加，上升的速度也增加。而端部损耗发热引起的温升与端部合成漏磁通密度的平方成正比，因此定子端部铁芯和金属结构件的温度有可能成为进相运行的限制条件。试验中，沙河发电机最高温度点出现在定子线圈第1测点温度。此测点最高温度出现在有功50MW时，最高温度为70.9℃，如以冷风温度为46℃核算则为88℃，远低于130℃的温度限额。其铁芯最高温度为57.8℃，如以冷风温度为46℃核算则为74.9℃。因此，可以认为发电机因进相运行而引起的温升，在不超过本次试验的运行范围时，不对该机的安全运行构成威胁。

2.3 低励限制和失磁保护

低励限制的主要作用是防止过分进相引起的失步。低励限制的动作值是按发电机静态稳极限并留有一定余量进行整定的。

发电机的失磁保护如果退出，一旦发电机失磁，发电机转子电流将按指数规律衰减，同时将过渡到异步运行阶段。特别是此时发电机将从电网大量吸收无功，因此在试验过程中发电机的失磁保护应投入。试验过程中各工况的运行参数稳定。RCS－9400励磁调节器的性能及失磁保护满足进相运行的要求。

2.4 厂用电压的影响

发电机进相运行时，发电机的端电压将会大幅下降。由于其厂变直接与发电机出口相连，因此将会引起厂用电压的下降。试验以400V厂用电压的90%(360V)为限。试验中，有功30MW负荷，最终进相功率因数为进相0.69时，400V母线电压降至359.5V;有功40MW负荷，最终进相功率因数为进相0.77时，400V母线电压降至360.0V;有功为50MW负荷，最终进相功率因数为0.86时，400V母线电压降至368.0V;试验期间，厂用重要设备未出现超温等异常现象。

3 PSS功能

大区电网之间实现联网要求和联网稳定计算表明:联网后系统中存在0.25Hz左右甚至更低频率的低频振荡［3］。因此，为保证电网安全，系统中的主要发电机组的励磁调节器应投入电力系统稳定器(PSS)［1］。RCS－9400调节器较好地实现了PSS功能，填补了原励磁系统的功能空白。

通过测定发电机的无补偿滞后特性，计算PSS补偿参数，并通过有功功率的小扰动试验来检验PSS对于低频功率振荡的抑制效果。在AVR的电压叠加点设置临时D/A通道，从小到大逐步输入噪声信号，直至机端电压产生1%～2%的变化，用频谱分析仪测量发电机端电压对PSS迭加点的相频特性即励磁系统滞后特性 (见图3)。

根据无补偿特性计算出PSS超前滞后参数。在正确的相位补偿下，PSS的增益越大，其提供的正阻尼越强，但如果PSS增益过大，也可能引起电磁振荡的负阻尼，使系统出现不稳定现象 (见图4)。

图3 励磁系统无补偿滞后特性曲线

图4 不投PSS时3%阶跃响应

设置PSS输出增益KS1为3。将PSS投入，进行发电机带负荷时的±3%电压给定阶跃响应试验并录波，以检验PSS抑制振荡的效果 (见图5)。

图5 投PSS时KS1=3时3%阶跃响应

比较图4和图5可见，PSS能够很好地削减有功功率振荡的幅值，减少振荡次数，阻尼比有较大提高。机组PSS的投入对于0.2～2Hz范围内的系统区域间振荡模式和地区振荡模式的低频功率振荡都具有较好的阻尼作用。“反调”影响在允许范围之内。

4 结语

抽水蓄能机组的并网运行的稳定性对于电网整体的安全稳定至关重要，而电网所能够提供的稳定环境对于机组本身的安全也不可或缺。在这种背景下，对励磁系统装置在机网协调运行中提出了越来越高的要求。它是发电机组得以正常运行的保证，又是整个电网中无功以及电压调节稳定性的保证。

［1]DL/T 489—2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程［S］.中国电力出版社.

［2]DL/T 491—2008大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置运行及检修规程［S］.中国电力出版社.

［3]徐珂，孙蓉.沙河抽水蓄能发电有限公司2号机组励磁系统PSS参数整定试验报告［R］.

［4]徐珂，孙蓉.沙河抽水蓄能发电有限公司2号机组励磁系统建模试验报告［R］.