发电机并网瞬间无功冲击分析与处理

褚召伟　王雷　王超　周永平

摘 要：针对某水电厂并网出现的无功冲击情况，分析了其产生的原因，并提出了相应的改善方法。

关键词：机组并网；无功冲击；电网；水电厂

中图分类号：TV738 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.112

某水电厂位于黄河上游，共装有5台大型水轮发电机组，电气接线采用发电机-变压器单元组接线。其中，1号机、2号机采用外桥接线接入220 kV系统。该水电厂为西北电网主要的调频调峰厂，需要频繁开停机操作。

1 并网冲击原因分析

发电机组在开机并网过程中，要求断路器两侧电源的电压幅值差、频率差、相位差都为0，但实现起来比较困难，只要在合适的范围内，保证断路器合闸时冲击电流较小，发电机能顺利拉入同步即可。某水电厂机组并网采用自准方式并列，使用SJ-12C/S8双微机自动准同期并列装置实现，对频率差、相位差和合闸导前时间等参数的控制都较为准确。机组同期并网系统中，机组同期回路系统侧电压取自线路侧电压互感器，待并侧电压取自主变压器低压侧电压互感器。

一次调度下令2号机组开机并网，在并网瞬间产生较大的冲击声。一般情况下，机组并网时所出现的冲击现象基本上是因机组的非同期并列引起的，检查发现，同期装置本身动作正常。调用上位机监控系统数据发现，合闸瞬间发电机定子上有大约1 000 A的冲击电流，发电机并网瞬间的有功功率几乎为0，因此，全部表现为无功冲击。

2 无功冲击过程的计算

2.1 电气设备的主要参数

2号发电机组额定有功P=255 MW，额定电流In=10 386 A，功率因数cosφ=0.9，额定电压Ue=15.75 kV，2号主变压器额定容量Se=300 MVA，电压为242±2×2.5%/15.75 kV，Uk=13.99%.

2.2 无功冲击的计算

2号机开机前，1号机已与系统并网，计算可得2号机与系统联系阻抗为0.129 8，查询上位机监控系统2号机组断路器合闸瞬间发电机定子三相电流有效值分别分别为998 A、987 A、938 A，取平均值得974 A，换算为高压侧电流Ie=63.4 A，高压侧基准电流I=235.58 A，高压侧电流标幺值为0.266.

假设机组并列时fg=fxt（fg为发电机频率，fxt为系统频率），Ug≠Uxt（Ug为发电机电压，Uxt为系统电压），δ= 0（δ为待并两侧电势相角差）。断路器合闸时，断路器压差标幺值ΔU=0.035，压差有名值ΔU=8.5 kV。

当时發电机空载时主变高压侧电压为231.9 kV时，系统电压为237.1 kV，压差为5.2 kV，小于实际产生无功冲击的压差，其余压差主要由频率差和相角差造成，并网瞬间有功功率几乎为0，由此计算机组并网瞬间的无功冲击Q=26.6 MVar。

3 计算结果分析及改进方案

3.1 冲击的危害

冲击电流的电动力对发电机定子绕组、变压器绕组均产生冲击，冲击功率为无功性质。通过查询监控系统上历史数据发现，发电机并网瞬间的无功值最大曾达到-40 MVar，定子绕组端部机械强度最弱，这种冲击日积月累会对发电机造成致命伤害，应采取措施减小冲击电流对其造成的危害。

3.2 改进方案

产生无功冲击的主要原因是电压偏差。220 kV系统实际运行电压多数控制在230～240 kV。2号机组采用型号为SAVR2000的自动励磁调节器，励磁调节器在接到开机令后，自动将电压给定值设置为30%，升压后达到30%的额定值时，调节器再以一个可以调整的速度逐步增加电压给定值，使发电机电压上升到预置值，预置值可通过软件修改。2号机组的预置值为15.15 kV，换算到主变高压侧电压为232 kV。系统运行过程中的电压越高，冲击电流越大。因此，降低电压差为主要目标，由于系统电压无法改变，只能改变并网时的机端电压，而其由自动励磁调节器调节。

3.2.1 手动调整并网前机组机端电压

当发电机至空载态后，可以手动调整励磁调节器的增减磁按钮来调节机组机端电压，也可以手动调整同期装置的增减压把手来调节机组机端电压。机端电压稳定之后，上位机下发并网令，启动同期装置进行准同期并网，这在一定程度上减弱了机组并网过程中的无功冲击。

3.2.2 改变励磁调节器给定值

自动励磁调节器用于实现自动方式调节机端电压、维持机端电压平衡，目前，机组采用的反馈量为发电机端电压。发电机机端电压在空载状态下为给定值，不会发生变化。当发电机达到空载态后，将反馈量设置为电网电压，如图1所示。机组至空载态后自动跟踪电网电压，将调节机组电压与电网电压一致，这样会大大降低机组同期的无功冲击。

4 结束语

无功冲击日积月累就会严重影响发电机的寿命，一次设备价格昂贵且不易于更换。本文通过探讨得到了两种改进方案，降低了发电机并网时的电压差值，减小了发电机并网时的无功冲击：①采用手动调整发电机电压的方式，一定程度上减小了并网时的无功冲击，但需要将机组的开机过程分步操作，并手动调整机端电压，给自动开机带来了不便，增加了操作任务量；②通过改变励磁调节器给定值方式，使机端电压自动跟踪并调整到电网电压，这能更好地减弱发电机并网时的无功冲击，且不需要增加额外的工作量。

参考文献

[1]孙浩波.大型发电机组同期回路的设计及防止非同期、误上电事故的应用分析[J].电力系统保护与控制，2010，38（07）.

[2]唐涛.发电厂与变电站自动化技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3]巨争号.发电机并列冲击电流分析及同期闭锁继电器整定[J].华电技术，2009，33（09）.

〔编辑：张思楠〕