龙溪水电站发电机组进相运行可行性试验

陈照晖

【摘 要】本文阐述了天台龙溪水力发电站为满足台州电网提高供电质量的要求，在报废重建后的机组是否具备进相运行能力，以及进相深度多少等方面进行的探索。根据《水轮发电机组启动试验规程》和龙溪电站机组的实际情况，通过计算结合进相运行限制条件，先行确定最大进相深度，然后按50%、80%、100%额定有功功率下进相无功从小到大的顺序分阶段进行试验。试验结果证实了机组各项试验数据满足要求，运行可靠稳定，进相深度可达2×2.5MVar。

【关键词】发电机组；进相运行；进相深度；可行性试验

中图分类号： TM31 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0074-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.032

發电机组进相运行是改善电网无功潮流分布、提高电网供电质量、调控电网电压等最经济、最便捷的技术措施，能够灵活、快速有效地实现电网的无功补偿，从而提高供电质量，提高经济效益。

1 发电机组进相运行的工作原理

发电机正常运行时，向系统提供有功的同时还提供无功，定子电流滞后于端电压一个角度，此种状态即迟相运行。当逐渐减少励磁电流，使发电机从向系统提供无功而变为从系统吸收无功，定子电流从滞后而变为超前发电机端电压一个角度，此种状态即为进相运行[1]。具体原理分析如下：

图1为龙溪电站水轮发电机组联网示意图，发电机G发出6.3kV电压经变压器升压到110kV，通过龙平1834线连接于台州电网S。忽略发电机电枢电阻，其等值电路图如图2，E为发电机感应电势，I为发电机输出电流，U为发电机机端电压，Xg为发电机同步电抗。

发电机电动势和机端电压的关系式为式（1）[2]：

=-JXg（1）

根据式（1）可作出发电机在各种运行状态下的矢量图，如图3。

当水轮机导叶开度不变时，则发电机输出有功功率不变，即

P=3UIcosφ=常数（2）

和Pg=3（EI/Xd）sinδ=常数（3）

式（2）、式（3）中：P为发电机输出有功功率，Pg为发电机电势功率，cosφ为发电机输出功率因数，δ为发电机功角。由于发电机并列在电网中运行，所以，U、Xg基本不变，故

Icosφ=常数（4）

Esinδ=常数（5）

从式（4）、式（5）可以得知在上的投影和在垂线上的投影都是常数。从图3的矢量图可以看到，当调节励磁电流，使电势、定子电流都发生变化，和顶端的轨迹都在一条直线上。图中A-A是顶端的轨迹线，B-B是顶端的轨迹线。发电机运行状态有以下三种：

图3 发电机运行状态矢量图

第一种状态，正常励磁时1，发电机的电动势为1，此时功率因数cosφ=1，定子电流=1全为有功电流。发电机电抗上的压降为j1Xg，功角为δ1，此运行方式下，发电机只发有功功率。

第二种状态，在正常励磁基础上，增加发电机励磁电流，发电机的电动势为2，2>1，定子电流增加，2>1，功率因数cosφ滞后，功角减少到δ2，发电机电抗上的压降为j2Xg。此时，发电机除发出有功功率外还将送出感性无功功率，此运行方式为“过励”，即迟相运行。

第三种状态，在正常励磁基础上，减少发电机励磁电流，发电机的电动势为3，3<1，定子电流也增加，3<1，功率因数cosφ超前，功角增大到δ3，发电机电抗上的压降为。此时，发电机除发出有功功率外，还吸收感性无功功率，此运行方式为“欠励”，即进相运行。

励磁电流不断减少，功角δ不断增大达到90°，这是一种极限状态，发电机组一般不允许在极限状态下运行[4]。

2 龙溪电站发电机组进相运行试验的背景

天台县龙溪水电站是台州地区目前装机容量（2×9MW）最大的水电站，1990年投产以来，承担着台州电网的调峰任务。根据当时的社会形势，发电机设计时，在结构上没有考虑进相运行。2016年开始，龙溪电站发电机组进行报废重建，龙溪电站机组报废重建完成以后，组织了设计单位、生产厂家和电站等技术人员，对机组是否具备进相运行能力进行了可行性分析，得出结论是：少量进相运行是可行的，具体进相深度需要通过确定。

3 发电机组进相运行试验限定值的确定

制约发电机进相运行的主要因素有：系统稳定的限制；发电机定子端部件温度的限制；定子电流的限制；厂用电电压的限制。为了保证龙溪电站进相运行试验的安全、稳定、顺利，进相运行试验前，电站技术人员会同设计和各有关厂家对进相运行试验的限定值进行了计算确定。

（1）进相深度的确定：

发电机输出的有功功率为：

P=3UIcosφ（6）

发电机进相吸收的无功功率为：

Q=3UIEsinφ（7）

根据式（6）、式（7），画出P-Q-φ的关系图，如图4。

根据进相运行原理和图4分析，可以得出：在保持有功功率不变时，减少励磁电流，发电机的功角增大，功率因数角φ增大（从φa增大到φb），功率因数减少，发电机吸收的无功功率Q增大（从Qa增大到Qb），即进相深度加大。

受系统稳定的限制，发电机必须在静态稳定曲线限制范围内运行。为确保发电机运行中不失步，按照发电机制造厂家提供的技术资料，功角δ应小于45°，结合台州供电局的要求，确定本次试验最大进相深度限制在发电机额定负荷时进相功率因数cosφ在0.95以内。在额定负荷时最大吸收无功功率计算式如下[2]，式（8）。

龙溪电站单台机组额定功率为P=9MW，功率因数cosφ按0.95计算，代入式（8），得出Q=2.96Mvar。考虑龙溪电站发电机是利用老机组改造，为了安全稳定，最后确定：按照在额定负荷时的最大进相深度为2.5Mvar进行试验。

（2）发电机进相时，机端电压会降低。根据调度曲线要求，试验时保证6.3kV机端母线电压不低于额定值的90%，即不低于5.67kV。

（3）由于进相运行，发电机端部漏磁通增大，将引起端部铁心及铁构件发热 。根据发电机定子绝缘等级允许温度的要求，试验时应确保定子端部结构件的温度不超过120℃，防止温升过高而危及机组的安全运行。

（4）进相运行励磁电流应在低励限制线以内，一般低励限制为额定励磁的20%（或稍高）。

4 发电机组进相运行试验

为保证进相试验顺利进行，达到试验目的，同时保证试验时的机组和电网安全， 根据《水轮发电机组启动试验规程》（DL/T 507-2014）中的規定，水轮发电机组无功进相试验按50%、80%、100%额定功率分阶段进行试验。

4.1 进相试验步骤

（1）试验前，由励磁厂家对励磁系统的欠励限制值设置在一定的数值（满足进相无功值要求），退出机组失磁保护，励磁系统以恒机端电压运行方式运行。

（2）进相运行试验按表1的P-Q值从小到大的顺序，调节发电机带不同的有功功率，分别在每一个负荷点，维持有功功率不变，调整励磁电流使无功功率达到表1的无功值。

（3）由运行人员在每一有功负荷的第一试验点（功率因数为1.0）和进相运行最深一点时记录有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、功率因数、转子电流及定子线圈和铁芯的温度。

（4）在每一有功负荷下做完进相试验后，先增加励磁电流，将发电机拉入迟相运行状态，然后才能调节有功负荷，进行下一个工况的试验。

4.2 进相试验时的异常处理

（1）在试验过程中，密切注意发电机定子铁芯、定子线圈、定子铁芯端部温度变化情况，当温度升高较快、达到限制点时，立即将发电机拉回至迟相运行状态。

（2）进相运行时，发电机端电压将降低，导致厂用母线电压下降，在试验时要密切监视厂用电压的变化情况，当400V厂用电电压降低到360V时，停止试验并增加励磁。

（3）机组在进相试验过程中，一旦发生失磁，应迅速恢复励磁，如果失败应立刻跳闸停机。

（4）试验中，如果发生机组电气量、温度、振动等数据超过允许范围，立即停止试验。

（5）试验过程出现失磁、低励或其他保护动作，由励磁或保护厂家技术人员调整低励限制整定曲线及保护定值。试验结束后根据调度要求，发电机恢复正常运行方式。

5 进相运行试验结果分析

龙溪电站的两台发电机组在枯水期、电网允许的时间段内进行了进相运行试验，试验时的环境温度为22℃。试验过程记录了各种试验数据，表2所列为发电机在输出额定有功功率时最大进相无功功率的试验数据。

在给定额定有功功率9MW，进相无功功率2.5Mvar的工况是机组进相运行的最差工况，根据试验记录数据与限制条件进行比较可见：

1号发电机进相运行11个小时 ：110kV母线电压为112.82kV，发电机机端母线电压为5.92 kV，不低于限制条件的5.67kV；发电机定子电流为746.2 A，小于发电机的额定电流1082A；定子线圈和定子铁芯六个测温点最高温度分别为55.8℃、49.1℃，空冷器热风温度最高为40.8℃，在允许的限制范围内。

2号发电机进相运行了7个小时，110kV母线电压为113.80 kV，机端母线电压为5.88 kV，不低于限制条件的5.67kV；发电机定子电流792.1 A，小于发电机的额定电流1082A；定子线圈和定子铁芯六个测温点最高温度分别为49.2℃、44.6℃，空冷器热风温度最高为37.7℃，在允许的限制范围内。

发电机在进相运行过程，运行安全稳定，各导瓦温、油温、机组振动摆渡都在允许范围内，厂用电最低电压367V，在试验过程中没有发生异常情况。

试验结束后，励磁厂家按照额定输出有功功率进相无功功率为2.5Mvar的工况时，监视的数据，对低励限制进行了整定。试验人员和运行人员对机组设备进行了全面检查，一切正常。

6 结语

通过本次进相运行可行性试验，证实了龙溪电站水轮发电机组完全满足进相运行要求，进相深度可达2×2.5MVar。运行值班人员全程参与了试验过程，全面了解了进相运行的限制条件，掌握了进相运行的方法和技术，摸清了机组进相运行性能。由于龙溪电站发电机组是在老机组的基础上改造而来，在结构上和新设计具备进相运行能力的机组有所差别，在今后运行中，应尽量在迟相工况下运行，如果在电网负荷低谷时，需要进相运行，必须在调度的指令和许可下进行，进相深度最高不得超过2×2.5MVar。龙溪电站机组进相运行的试验也说明了机组报废重建，增效扩容后，只要严格认真做好各项安全、组织及技术措施，尽管是旧机组改造也是可以进相运行的。

【参考文献】

[1]刘翔宇，何玉灵，周文考，等.考虑电网稳定限制的机组进相能力分析[J].华北电力大学学报（自然科学版），2017：44（1）.

[2]刘新正，苏少平，高琳译.（美）乌曼.电机学（第七版）.北京.电子工业出版社.2014.

[3]陈波，周宁，苏永春，等.进相试验约束条件下隐极同步发电机进相深度限值分析[J].电机与控制应用，2016，02（43）：30-35.

[4]李志强，何凤军，晁晖，等.进相试验中凸极同步发电机静态稳定限制的数值分析[J].电机与控制学报，2011，12（15）：90-95.