QFQS—200发电机进相运行稳定性分析

吕艳玲+张婕+高钰婷

摘 要：针对同步发电机进相运行时会引起功角增大进而影响到系统稳定性的问题。首先采用MATLAB/ Simulink建立QFQS2002汽轮发电机组仿真系统模型，利用该模型依次模拟带100%、80%、60%负载工况下进相运行状态，得出单机进相的运行特点；接着依据实际电厂中该型号发电机组相同工况下进相运行试验数据，将其与仿真结果对比，验证了该模型的准确性；然后针对发电机带60%负载的工况进行深度进相仿真，分析出进相过深会引起功角振荡系统失去稳定性，理应避免深度进相；最后建立多机进相系统仿真模型并进行进相运行仿真，分析得出多机进相可避免单机进相过深，使功角在稳定范围内。

关键词：

仿真模型； 试验； 进相深度； 稳定性分析

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.008

中图分类号： TM 743

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2017）06-0039-07

Abstract：In order to solve the problem that synchronous generator leading phase operation can enlarge the power angle，which will impact system stability， firstly the type QFQS200 large turbine generator leading phase system simulation model is set up by MATLAB/Simulink software. Then with 100 %， 80% and 60% load conditions，the generator simulation model converts lagging to leading power factor state.And we can get the characteristics of single generator leading phase operation. Compared with the simulation results， the data of the same type generator unit under the same working condition， verify the accuracy of the proposed model. Afterwards， the depth in phase simulation of the generator model with 60% load is carried out， and the results show that the deeper generator in phase the more power angle oscillations is，the system stability will lose，too.Making sure generator operation under the optimal phase depth is necessary. Finally， multigenerators leading phase system simulation model is established， and the model is used to simulate the leading phase operation.It is concluded that the multimachine inphase can avoid the single unit getting deep in leading phase， and have good stability.

Keywords：simulation modeling； experiments； power syetem stability

0 引 言

随着大容量机组的投入、地区电网的联合、分布式电网的并入、供电电缆的广泛使用、输电配电线路的增加，系统中枢点母线电压普遍升高，线路无功功率明显过剩。这已经成为电力系统突出的问题。过多的无功功率不仅会影响电网电压的质量，还会影响设备的运行质量。在电力系统中选取合适的大容量发电机组进相运行，即在保持发出有功功率不变的情况下，调节励磁电流，使发电机进入欠励磁状态。进相运行的机组功率因数从正转负，向系统发出容性无功，进而降低系统运行电压 [1]。

本文以一台QFQS2002汽轮发电机为研究对象，利用MATLAB/Simulink軟件，建立带有自动励磁调节器的发电机进相运行系统模型。首先，分3种工况进行仿真，与电厂相同工况运行的实际试数据相对比，验证模型的正确性。然后，针对发电机带有120MW负载的工况，分析进相深度对系统稳定性的的影响。最后，在此模型基础上增加一台汽轮发电机组，研究两台机组进相运行的特点与优势。

1 进相运行制约条件

发电机进相能力一般与本身的结构参数、特性以及冷却方式有关。在维持有功功率恒定情况下，调节励磁电压，进而改变发电机的定子感应电势。在功率因数由正转负的过程中，无功功率从感性转变为容性。随着励磁电流越来越低，进相程度加深，功角越来越大，这必然会影响系统稳定性。功角的变化会导致发电机端部漏磁增加，使定子端部发热加重。发电机进相运行过程中，机端电压也会跟着降低，一般规定最低电压不能超过90%的额定电压。所以进相运行要受到稳定极限、定子铁芯温升、机端最低电压的条件制约 [1]。

随着制造工艺水平的提高与氢冷技术的大量采用，定子端部因为漏磁通的影响导致局部过热不再是大容量发电机进相运行主要限制条件 [2]。在发电厂通常采用提高母线电压的方式缓解厂用电的电压问题，但辅助设备的增加使厂用负荷加大，即使母线提高电压，机端电压降低的影响也越来越大，不能忽视 [3]。功角增大可能威胁系统的静态稳定，一旦机组运行在临界区域时会影响系统的暂态稳定，而且相邻发电机运行方式差别较大还易引起系统的低频振荡 [1]。励磁降低则易引起失磁保护动作。综上分析可知，进相运行带来的稳定性问题主要是励磁减小和功角增大带来的稳定极限问题 [2-4]。endprint

2 发电机进相运行系统仿真分析

2.1 建立模型

以最具代表性的QFQS2002大型汽轮发电机为研究对象，基于MATLAB/Simulink仿真平台建立发电机模型。发电机的基本参数如表1所示。

根据进相运行技术要求：参加进相运行的机组必须投运具备低励限制功能的励磁调节装置，按要求进行整定，再经过实际校核后方可投运。另外相邻迟相运行机组亦需投入励磁调节装置 [5]。因此在进行进相运行仿真分析过程中，汽轮发电机的励磁部分将采用简单可靠的自并励方式，并加装自動励磁调节系统。

为了保持有功功率不变，假定原动机的出力不变，对于机械转矩输入设置为常数，并通过变压器与无穷大系统连接。通过在励磁电压调节模块中降低励磁电压，实现进相运行。仿真模型如图1所示。

2.2 单机进相运行仿真分析

利用已经建立的同步发电机进相运行系统仿真模型，分别对发电机带有功功率P为200MW、P为160MW、P为120MW 3种工况，进行进相仿真，分析各电气量参数变化过程。在仿真过程中，设置额定转矩输入，且保持不变，总仿真时间为30s。当t=15s时，励磁电压均减小0.02pu（标幺值），使发电机进入进相运行状态。忽略系统前期不稳定的过程，从系统稳定运行后开始记录，将3种工况仿真结果进行对比。仿真结果如图2至图7所示。

从图2～图7可以看出，仿真开始5s后，系统已经进入稳定，此时发电机属于常规的迟相运行状态。发电机发出有功功率分别为1pu、0.8pu、0.6pu，并向系统发出无功功率分别为0.05pu、0.1pu、0.15pu，在t=15s时降低励磁电压，大约经过3s左右，振荡减小，各电气量再次趋于稳定。

当有功功率为200MW（即P=1pu）时，可以分析出有功功率基本维持在1pu，无功功率从0.05pu降到-0.12pu，功角由54.6°升高到60.8°，定子电流约增加幅度2%，定子电压降低幅度约为3%。

当有功功率为160MW（即P=0.8pu）时，有功功率0.8pu仍不变，无功功率从0.1pu降到-0.247pu，功角由45°升到61°，定子电流增加幅度约为5%，定子电压降低幅度约为4%。

同样，还可以得到有功功率为120MW（即P=0.6pu）时，有功功率不变，无功功率从0.15pu降到-0.38pu，功角由36°升到66.5°，定子电流增加幅度约为12%，定子电压降低幅度约为6%。

从以上3种工况仿真结果对比得出，发电机带60%负载进相运行，吸收的无功功率最大，功角增加的幅度最大；带100%负载进相运行，吸收的无功功率最少，功角增加的幅度最小。分析得出，要加深发电机进相深度，可以通过适当降低有功功率来实现，但同时需要考虑功角的变化，以免超出静态稳定极限。

3 仿真结果与试验结果对比分析

根据电网安全性评价，电网中容量在200MW及以上机组应该具备进相运行能力的有关要求，对某发电厂5#机组QFQS2002发电机进行了运用型进相运行的试验。试验全程监测并记录，配合SAVR200型微机式自动励磁调节器，并事先将低励磁限制值整定好。试验分三种工况进行：

①工况1，发电机带200MW有功功率，无功功率由迟相10Mvar降到进相-30Mvar试验；

②工况2，发电机带160MW有功功率，无功功率由迟相10Mvar降到进相-37.5Mvar试验；

③工况3，发电机带120MW有功功率，无功功率由迟相10Mvar降到进相-45Mvar试验。

试验与仿真结果对比如表2所示。

试验对有功功率、无功功率、机端电压、定子电流、功角以及功率因数这五种电气参数进行观测，从试验数据来看，同步发电机进相后机端电压降低、定子电流增大、功率因数变负，各种电气参数变化规律与理论相符。进相试验中功角作为重点观察对象，可以看出功角一直保持在70°范围以内，发电机运行安全 [6-10]。

将仿真与试验结果对比可以看出两者存在一些误差：定子电压仿真结果略高于试验结果，最大误差为2.98%；定子电流仿真结果略低于试验结果，最大误差为-5.25%；功角的走势与试验值相符；有功功率和无功功率与试验值比较几乎一致。由此验证了该仿真模型的准确性与实用性。

4 进相深度及稳定性分析

继模型准确性验证完成，接下来利用该模型研究发电机的最大进相深度。基于前文的分析，在同步发电机带有功功率120MW即P=0.6pu的工况下，进行最大进相深度的仿真分析，寻找该工况下进相稳定运行的励磁电压最小值，以及吸收无功功率的最大值 [11-13]。在系统仿真模型中设置总仿真时间为100s，励磁电压为阶梯式变化，在t=20s时降低励磁电压0.05pu，使系统迅速进入进相状态。之后每隔20s等幅度降低一次，降低幅度为0.01pu，观察各电气量参数变化，仿真结果如图8～图11所示。

从上面仿真结果中可以看到，在0s

从图中10可以看到，功角上升到100°，系统仍能稳定运行，此时发电机发出的无功功率达到-0.7pu，即从系统吸收无功功率为114Mvar，定子电流增加30%，机端电压降低10%。

当t=80s即励磁电压降低到0.91pu时，系统无法继续维持稳定，开始振荡。如果再继续降低励磁可能引发系统失步，此时为进相极限。故建议对实际机组采取进相运行过程中，励磁电压要始终大于该值。

从电压的角度来看，在发生振荡之前，t=60s，励磁电压为0.92pu，机端电压降至10600V，此时电压下降了10%，发电厂的厂用电一般由机端电压母线接入，前文已阐述过，厂用电压降低最多不能超过10%，所以电压已经达到极限。

从功角的角度来看，发生振荡之前，t=60s，励磁电压为0.92pu，发电机功角为107°，系统仍能稳定运行。虽然在自动励磁调节器的辅助作用下，静态稳定极限范围扩大了，但是进相运行之后系统的暂态稳定裕度较低，此时发电机失稳的风险很高。

按照运行规范要求，接有自動励磁调节器的发电机组静稳极限功角可大于90°。但从系统的稳定性和安全性考虑，应保留一定的安全裕度。故采取进相运行功角也应在90°范围内 [2，6]。

仿真过程中进行到t=40s时，励磁电压降低到0.93pu，功角约为87°，系统有足够的安全裕度，此时电压降低幅度8%，无功功率-0.6pu，约吸收73.8Mvar，既符合对进相运行机组的要求，也能达到减少系统无功降低机端电压的要求。

所以综合上述分析，对于发电机带有功功率120MW时实施进相运行，励磁电压降到0.93pu吸收无功功率73.8Mvar是最大进相深度

5 多机进相系统仿真分析

在同一发电厂内，其中进相运行的机组吸收系统无功，正常运行的其他发电机组就会补发这部分的无功，使最后输送到系统的无功功率总量无变化，降低了进相运行发电机组的电压调节效果 [8]。如果能让多台机组共同进相运行，既可以有效避免单机进相过深，还能缓解其他机组进行补发的现象 [14-16]。由此在原有模型基础上搭建两台机组进相运行仿真模型。

采用相同类型的汽轮发电机组，经由不同的变压器与电网相连，通过设置输电线路的参数，来实现电气距离的改变。两台发电机组进相运行仿真系统模型图如图11所示。

本次仿真过程中，首先取编号为00的机组进相运行，另一台编号为01的机组保持迟相运行状态。两台机组均带有额定功率，设置总仿真时间为50s，在15s时降低励磁电压0.01pu，编号00发电机转入进相运行状态，编号01发电机组不作改变。经过一小段时间波动，整个系统进入稳定。调节励磁电压后，两台发电机分别处于不同的运行状态下，将两台机组相同电气量的参数变化数据放在一起比较，各电气量变化曲线如图13～图15所示。

仿真结果表明：迟相运行的机组发出有功功率和无功功率。进相运行的机组发出有功功率，并吸收系统无功功率。发电机组运行方式产生差别后，迟相运行的机组会增发一部分无功功率，输入到系统的无功功率总量改变甚少，相当于补偿进相机组吸收的无功功率，系统电压降低幅度很小，调节电压效果差。可以看出两台机组运行方式不同导致功角相差较大，存在发生电气振荡的可能，系统的稳定性受到影响。

然后利用上面模型进行两台机组在额定工况下同时进相的仿真分析，设置总仿真时间仍为35s，在15s时同时调节励磁电压，使两台发电机组励磁电压均从1pu降低0.02pu，两台机组进入进相运行状态。经小波动后，系统进入稳定。仿真结果如图16～20所示。

从仿真结果来看，两台发电机有功功率基本一致，无功功率降低幅度相差不多，输入电网电压一致，定子电流因为电气距离的影响，而有较为明显的差别。总体上，各电气量参数变化趋势正确，且与单机进相变化规律相符。

仿真结果显示，从系统吸收的无功功率累计约0.8pu（即98.4Mvar），机端电压下降1000V（即降低8%）。与单机额定工况下采取进相运行相比较，单机进相励磁电压降低0.04pu，吸收无功功率0.295（即24Mvar），电压下降300V，仅从进相深度角度考虑，单机进相励磁电压降低过多，吸收无功较少，电压调节效果不如多机进相明显。

一般来说，负荷低谷时系统无功功率过剩，电压也较高，此时系统的稳定裕度增大，而多台机组同时进相运行则会使电网的暂态稳定性下降，因此应该更加注意监测各电气量参数的变化，及时增加励磁将发电机转入迟相运行状态，以免发生失稳或失步的现象 [17-22]。仿真过程中，功角从45°增加至65°幅度不是很大，发电机仍在安全运行区域。

综上，多机进相时既要注意相邻发电机组补发无功的现象，也要注意进相运行的机组电气量参数变化的监测。多机进相运行相比单机进相运行，不仅能够避免单机进相过深导致系统稳定裕度减小的风险，而且多台机组共同吸收系统无功功率，降低系统运行电压，对系统的稳定性影响更小。

6 结 论

本文以型号为QFQS2002的200MW汽轮发电机为研究对象，利用MATLAB/Simulink软件平台，建立了较为细致的仿真模型，并在三种工况下进行进相运行分析，且与省内某厂的同型号机组进相运行的试验数据做了对比分析，分析了发电机带120MW有功功率时进相深度的影响，以及发电机带额定有功功率下两台发电机机组进相运行的特点，结论如下：

1）仿真与试验结果对比，验证所建立的发电机进相运行系统仿真模型合理，分析方法正确。

2）要提高发电机进相深度，可以用适当降低有功功率来实现。从电气角度来看，机端电压降低对厂用电的影响和功角增大使暂态稳定性降低，这两方面确实限制了机组的进相深度。

3）多台机组并联运行时若仅一台进相，同一电厂内的其他机组可能会补发这部分无功，抵消进相运行的效果。如果多台机组同时进相，可以避免单个机组进相过深，对电压调节效果更显著。

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（编辑：关 毅）endprint