大型水轮发电机无功不足的原因分析与处理

毛肖+郭思哲+王庆平+和丽芳

摘要： 本文以云南省华坪县与四川省攀枝花市的交界处观音岩电厂为例针对发电机额定励磁电流不能带额定无功功率的问题进行了相关研究。并对现场情况和机组无功不足可能产生的原因进行分析，通过仿真、计算、对比、验证，得出了“相同励磁电流的情况下，机端电压升高与定子漏抗增大都将导致机组的无功出力大幅下降”的结论，并为此类电厂的今后的运行和发展提出重要的建议。

Abstract： In this paper， a case analysis of Guanyinyan power plant at the junction of Huaping County in Yunnan Province and Panzhihua City in Sichuan Province whose rated field current of the generator can not produce rated reactive power. In addition， the paper analyzes the scene condition and causes of reactive power shortage， through simulation， calculation， comparison and verification， to obtain the conclusion that "Under the same excitation current，increase of terminal voltage and the stator leakage reactance will cause unit reactive power output fell sharply." Finally， some suggestions are put forward by this paper for the future operation and development of this kind of power plant.

关键词： 无功出力；励磁电流；定子漏抗

Key words： reactive power；field current；stator leakage reactance

中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0094-03

0 引言

观音岩水电站为金沙江水电基地中游河段“一库八级”水电开发方案的最后一个梯级水电站，位于云南省华坪县与四川省攀枝花市的交界处，装机容量300（5×60）万千瓦。单独运行时保证出力47.8万千瓦，年发电量122.40亿千瓦时，年利用小时4080小时；在上游龙盘水库投入运行后，保证出力139.28万千瓦，年发电量136.22亿千瓦时，装机年利用小时4540小时。工程概算总投资为306.96亿元。2015年底观音岩电厂出现#1发电机额定励磁电流不能带额定无功功率的问题，这不仅使得机组的设备水平降低，而且因电站欠发无功，将使得观音岩电厂每年的电费收入减少。因此，研究发电机无功出力不足的问题，在技术经济上都有着现实意义。

1 对#1机组无功出力不足的原因分析

1.1 现场情况分析

觀音岩电厂#1机组自投产以来，一直存在无功出力不足问题。根据现场提供的数据：“中调下发I母电压设定值为543.8kV；此时#1 发电机出口线电压Uab为20.8kV；#1 发电机出口电流Ia为17306.5A；#1发电机有功功率为599.8MW；#1发电机无功功率为183.4Mvar，#1 发电机励磁电压为407.3V；#1 发电机励磁电流为3064A”。

整理以上数据，机组额定励磁电流3064A（2.006pu，根据厂家说明书，基准电流取值1527A）；机端电压20.8kV（1.04pu）；有功满载599MW（0.9983pu）；无功功率183.4MVar（0.6311pu，额定无功基准）。

1.2 无功出力不足可能的原因分析

综合分析上述的相关数据，初步判断可能的原因如下：

第一、表计的准确性问题（该问题请电厂自行排查）；第二、机组磁饱和所导致（现场机端电压明显高于额定机端电压，考虑为磁路饱和所导致）；第三、机组参数问题（现场安装后的机组漏抗与设计值存在差异，从而导致定子漏抗与设计值存在差异）。本文对第二、第三两条可能的原因加以详细分析。

1.3 相同励磁电流情况下机端（系统）电压对机组无功出力的影响分析

1.3.1 基于Digsilent的仿真计算

考虑现场实际励磁电流已经达到额定，且机端电压明显高于机端额定电压的实际情况，在此对相同励磁电流情况下，不同机端（系统）电压与机组无功之间的对应关系加以仿真验算。

根据观音岩电厂的实际主接线及其机组的实际参数，搭建基于Digsilent仿真模型如图1所示。

以上仿真模型通过调整系统运行电压，将机组电压Ut、机组有功P、机组无功Q等全部调整为额定工况，计算得到此时的励磁电流为2.0pu（Ifdbase=1527A），即：机组额定励磁电流、机组额定电压的情况下，机组有功、无功功率同样为额定。

对应机组参数中，机组饱和系数Sg1.0=0.152，Sg1.2=0.575（与现场实测值基本相同）；固定参数的情况下，调整系统运行电压，得到如表1结果。

从表1可知：在不同机端电压的情况下，为了达到额定机组额定出力（有功与无功），所需要的励磁电流随着机端电压的升高而升高。例如：当现场机端电压为1.0462pu的情况下，为了使机组达到额定的有功与无功出力，所需要的励磁电流将达到2.114pu（基准励磁电流Ifdbase=1527A），该数值明显大于机端电压情况下同样工况所需的励磁电流。

由表2可以看到，在机组励磁系统额定励磁电流输出的情况下，机组由于机端电压的上升，磁路的饱和，导致机组输出的无功功率呈现下降趋势。例如：根据现场的实际数据，当机组机端电压为现场电压20.8kV（1.04pu）的情况下，同样机组的额定励磁电流，机组此时能够发出的最大无功为233.4MVar，比额定无功功率下降56.16MVar。

物理解释为机组的励磁电流包含两部分，即用于补偿机组无功去磁效应的励磁电流与建立发电机内电势的部分。随着机端电压的升高，由于磁路的饱和，相同励磁电流中用于建立升高后的机端电压部分所需的励磁电流部分增大，必然导致用于抵消迟相无功去磁效应的励磁电流部分降低，进而导致机组的无功出力随着机端电压的上升而降低的现象出现。

1.3.2 基于机组EQ-Xq模型的计算

以下的标么值计算，以发电机额定容量为基准，机端和系统侧基准电压分别为20和550kV，主变电抗已经折算为发电机额定容量基准。

从上述计算结果看，在相近的转子电流下（机组等值内电势EQ在1.44标么值附近），机组能够输出额定无功功率，则系统侧电压须降低到518kV左右。

机组与系统之间的无功流动，取决于机组（内电势）与系统之间的电压差，这里的计算也验证了这一点，这样，即使机组励磁系统出力已经达到额定，但由于系统电压偏高，实际上机组也不能输出额定无功。

1.4 机组漏抗（安装工艺导致的现场实际气隙与设计值存在差异）对机组无功出力的影响

为了说明问题，仅仅就发电机定子漏抗部分进行仿真验算。具体数据可以联系相关单位对机组现场的实际情况进行实测，进而加以综合判断。

為了验证机组气隙差异对机组无功出力的影响，本节采用图1中所建立的仿真模型，开展相关的仿真验算（仿真验算中，机组参数除机组定子漏抗改变外，其余参数完全按照设计值加以验算）。

从表6可以看到：当机组现场定子漏抗与设计值呈现差异的情况下（由于该机组本身气隙较小，设计值为26.5mm，如果现场稍微出现点偏差，将对机组气隙产生较大影响），当气隙增大，定子漏抗增大的情况下，相同励磁电流所能够发出的无功呈现下降趋势。

2 综合仿真验证

以上分析就定子电压升高、气隙与设计值偏差导致机组定子漏抗增大两个方面，通过仿真计算，得到了：相同励磁电流的情况下，机端电压升高与定子漏抗增大都将导致机组的无功出力大幅下降。

本文综合两个影响因素，通过仿真分析，判断观音岩电厂#1机组的现场实际情况。仿真参数设定：机端电压与现场实际运行值相同（20.8kV，1.04pu），定子漏抗0.2286pu（设计值0.1686pu），其余参数与机组设计参数完全相同。

通过仿真计算，机组额定励磁电流2pu的情况下（3054A），上述工况机组最大无功出力只能达到189.1MVar，与现场基本一致。

3 结论

本文根据观音岩电厂#1机组的无功出力不足问题的现场实际情况，综合分析，得到如下结论：

第一、系统电压高进而导致机端电压偏离额定电压是导致机组额定励磁电流情况下机组无功出力不能达到额定的重要影响因素，且仿真结果及理论分析显示：由于机组磁路饱和的原因，机端电压越高，相同励磁电流的情况下机组的无功出力将越小，为了解决该问题，建议电厂在条件允许的情况下增大变压器变比，从而在相同系统电压的情况下降低机端电压，使机组无功出力增大。

第二、仿真及理论分析显示：机组气隙的增大将导致定、转子漏抗的增大，将进一步导致相同励磁电流情况下机组无功出力的降低，考虑现场的实际情况，该现象最可能出现，为此建议电厂联系相关单位开展机组电气参数的实测，研究机组实际参数与设计参数之间的差异，尽早开展机组无功出力不足的原因，使机组在实际运行过程中能够达到预期设计指标，保障电厂自身的利益与机组的安全稳定运行。

第三、建议电厂在条件具备的情况下重现工况，对现场实际情况加以确认（监控、励磁柜），排除测量表计及功率计算方法缺陷可能导致的无功数据不准的情况。

第四、为了使机组达到额定运行工况（额定机端电压、有功、无功、励磁电流），建议电厂在条件成熟的情况下，可以考虑在励磁调节柜内将当前机组的调差加以调整，根据试验结果重新整定机组调差系数。

第五、机组励磁电压的大小与机组转子绕组电流、直阻、转子绕组温度紧密相关，且机组厂家在产品设计说明书中明确机组额定励磁电压必须满足励磁电流为额定，转子绕组温度为115度两个条件，因此现场出现的额定励磁电流与额定励磁电压不对应可能由于转子绕组温升效应所导致，建议电厂联系机组厂家加以确认。

参考文献：

[1]周统中.欧阳海电站处理无功出力不足的措施[J].水力发电，1984（11）：48-49.

[2]张孝勇.河口电站1号发电机组出力不足的原因分析与处理[J].水电站机电技术，1999（4）：9-11.

[3]王初铭.大型水轮发电机无功出力不足的原因分析与解决措施[J].大电机技术，1997（3）：1-6.

[4]王锡凡.电气工程基础[M].二版.西安：西安交通大学出版社，2009.

[5]刘宝贵.发电厂变电所电气部分[M].二版.北京：中国电力出版社，2012.

[6]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].

[7]电力工业部电力规划设计总院编.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.