上海电网燃气机组的调相运行实验研究

顾军　曹亮　张建新　赵文彬

摘 要：目前我国小型机组面临着退出运行，重新利用好小型燃气机组是必须要解决的问题。同时，上海地区经济的发展和电网系统容量的不断增加，无功功率的需求日益增长，出现无功功率不足的情况。为了满足系统稳定性的要求，可以采用燃气机组的快速反应能力来实现无功功率不足的情况。文章针对上海地区燃气机组进行燃机调相运行试验。试验结果表明，燃气机低有功功率运行时，稳定性较好；验证了小型燃气机组低有功功率运行可提供动态无功的范围大；燃机低功率调相运行和正常运行状态的切换时，稳定性好。本次燃气机调相试验数据对上海电网安全运行提供重要的试验数据，为上海电网安全运行有着重要工程意义。

关键词：燃气机；低有功功率；调相运行

中圖分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0028-04

Abstract： At present， China's small units are facing withdrawal from operation， reuse of small gas units is a problem that must be solved. At the same time， with the development of economy and the increasing capacity of power grid system in Shanghai area， the demand for reactive power is increasing day by day， and the reactive power is insufficient. In order to meet the requirement of system stability， the reactive power shortage can be realized by the rapid reaction ability of gas turbine. In this paper， the phase modulation operation test of gas turbine in Shanghai area is carried out. The test results show that the stability of gas turbine is better when operating at low active power， the range of dynamic reactive power provided by low active power operation of small gas turbine is large， and the switching between low power phase modulation operation and normal operation state of gas turbine is also verified and is proved to have good stability. The phase modulation test data of gas engine provide important test data for the safe operation of Shanghai power grid， and have important engineering significance for the safe operation of Shanghai power grid.

Keywords： gas engine； low active power； phasing operation

引言

近年来，我国新能源发展迅速，水电、风电和太阳能发电的装机规模分别达到3.2亿千瓦、1.3亿千瓦和4300万千瓦，均居世界第一位[1-3]。

我国的能源资源与生产力发展呈逆向分布，能源基地与负荷中心距离在500km～2000km左右。这导致我国电网中存在大量功率远距离传输，使得负荷中心受电比重不断增大，而由于外来电的弱可控性，近区机组必须停机以消纳外来电，容易导致负荷中心由于缺乏动态无功源而出现电压问题。为确保电网极端运行状态时的安全稳定运行，需要采取非常规的应对措施，燃机低功率调相运行即是行之有效的一种解决方式。燃机低功率调相运行，不同于机组的正常运行方式，其有功出力控制在极低的水平，同时根据电网需要，发出或吸收一定量的无功，在不影响上海电网总体调峰能力的前提下，大幅提升系统的动态无功支撑和调频能力，对于缓解特高压交直流近区受端电网存在的电压稳定和频率稳定问题示范作用显著[4，5]。

在此背景下，研究燃气机组低功率调相运行技术，挖掘燃气机组低有功出力条件下的调相能力，提升燃气机组灵活性，全面提高系统调压和新能源消纳能力。因此，本论文中主要研究了上海电网的燃气机低有功功率下的运行能力、调相能力及调相运行和正常运行状态的切换能力。这为上海电网的燃气机组低功率调相运行技术研究及应用提供了重要参考依据和试验数据。

1 燃气机组与各种类型机组的优劣对比

目前投入运行且能够调相的机组主要有火电机组、水电机组、抽水蓄能机组及燃气机组[6]。

火电机组为受原动机输出功率，定、转子绕组温升，发电机功角、机端电压，锅炉最小稳燃负荷等多方面的限制，超低负荷下锅炉燃烧的安全稳定性是主要瓶颈，相关改造和运行经验较少；水电机组改为调相运行，一般选择年利用小时数低且距离负荷中心距离较近的水电厂[7，8]。对于上海地区而言水电机组数量较少，远距离输送电能的水电厂调相效果不明显。因此上海地区暂不考虑水电厂的调相运行；抽水蓄能机组抽蓄机组可以调相运行，但上海电网调峰矛盾较突出，需要抽蓄机组正常运行发挥其作用。

上海地区燃气机组相对水电机组和抽水蓄能机组，有一定规模，利用小时数低、较长时间闲置；且典型的联合循环燃机无回热系统，污染物排放少，相比燃煤火电机组，改为调相运行限制条件更少，值得重点开展研究。

我国煤电装机占比目前已降至60%以下，但发电量仍超过三分之二，是第一大主力。燃气机组与火电机组相比，具有以下优点[9]：

（1）发电质量好。由于发电机工作时只有旋转运动，电调反应速度快，工作特别平稳，发电机输出电压和频率的精度高，波动小，在突加空减50%和75%负载时，机组集腋成裘驼行非常稳定。优于柴油发电机组的电气性能指标。

（2）启动性能好，启动成功率高。从冷态启動成功后到满负载的时间仅为30秒钟，而国际规定柴油发电机启动成功后3分钟带负载。燃气轮发电机组可以在任何环境温度和气候下保证启动的成功率。

（3）噪声低振动小。由于燃汽轮机处于高速旋转状态，它的振动非常小，而且低频噪声优于柴油发电机组。

（4）采用的可燃性气体是清洁、廉价的能源。诸如：瓦斯气，秸秆气，沼气等，以它们为燃料的发电机组不仅运行可靠，成本低，而且能变废为宝，不会产生污染。

由于上海地区经济的发展和电网系统容量的不断增加，无功功率的需求日益增长，出现无功功率不足的情况。为了满足系统稳定性的要求，可以采用燃气机组的快速反应能力来实现。因此，燃气机作空载和调相运行的必要性日益突出。

目前根据调研情况，上海地区现有燃机总台数已超过50台（套），有些电厂已采用燃气发电机组开展了低功率调相运行试验，并取得成功。为了进一步深入研究分析燃气机低功率调相运行对大受端城市电网安全稳定运行的影响，需要重点分析燃气机低有功功率下的运行能力、调相能力及调相运行和正常运行状态的切换能力。

2 燃机低有功功率运行能力

燃气轮机的输出功率范围广，输出功率最低可降至0[10]。为了分析上海地区燃机低有功功率下的运行能力，针对上海某燃机发电有限公司某机组的试验数据进行燃机低功率工况下的运行能力分析。有功50MW负荷的试验从13：27开始至14：20结束，试验数据，如表1所示。

稳定性方面，在发电机有功约为50MW，无功约为9.7Mvar，功率因数为0.96（滞后）。发电机定子电压降至20.13kV，其额定电压的100.65%，发电机测量功角14.85°。

温度方面，上海申能临港燃机发电有限公司4号发电机所有温度测点温度均不超标，最高温度点出现在汽端定子铁心，在50MW时其最高温度为43℃，低于150℃的限额；因此，可以认为发电机在低功率运行时，不超过本次试验的运行范围，不对该机的安全运行构成威胁。

厂用电方面，有功50MW负荷时，无功约为9.7Mvar，功率因数为0.96（滞后）。6kV厂用母线电压为6.29kV，400V母线电压为391.5V。试验期间，厂用重要设备未出现超温等异常现象。

3 燃气机低有功功率下的调相能力

燃机低功率调相运行包括两种运行方式，即低功率滞相运行和低功率进相运行[11，12]。与正常运行工况不同，燃机低功率调相运行主要的出发点是在尽量不增加系统总有功出力的前提下，最大限度地提供动态无功或吸收系统过剩无功。根据试验情况及调研获取的数据，针对上海A电厂1号机的试验数据进行燃机低功率工况下的调相运行能力分析。

本次调研试验数据中，包含了机组的滞相、进相试验，可以验证机组在有功功率尽可能低的工况下滞相、进相发出无功功率的极限值。本次滞相、进相试验中，机组运行最低有功功率为5MW，由3号机组参与配合，同时1号机组厂用变压器分接头参与调整。上海某电厂1号机带厂用电滞相和进相试验数据，如表2所示。

3.1 滞相运行

无功调节前1号机组有功功率5MW，220kV母线电压为229.8kV，1号厂变分接档档位为第10档。

调节无功后，1号发电机无功增大至152MVar，其机端电压Uab上升至22.08KV，220kV母线电压上升至233kV。1号机组所接6kV厂用电母线电压随着无功功率的增加逐渐提高，将1号厂变分接档档位由第10档下调至7档，使得6kV母线电压维持在6.35kV。

3.2 进相运行

无功调节前1号机组有功功率5MW，无功功率7MVar，发电机机端电压20.77kV，220kV母线电压为232kV，1号厂变分接档档位为第10档。为了让1号发电机尽可能多的从系统中吸收无功，无功调节过程中手动将1号发电机低励限制器整定至从-0.2改为-0.4。

调节无功后，1号发电机所发无功减少至-151MVar，其机端电压Uab下降至18.93kV，220kV母线电压下降至229.3kV。1号机组所接6kV厂用电母线电压随着无功功率的减少逐渐降低，将1号厂变分接档档位由第10档上调至15档，使得6kV母线电压维持在6.08kV。

上海某电厂1号机带厂用电低功率调相能力，如图1所示。

当1号发电机运行带厂用电运行在5MW工况时分别做滞相、进相试验发现，限制1号机组滞相、进相能力的因素都是发电机机端电压，滞相、进相试验中发电机机端电压匀逼近了其上、下限值。发电机定子线圈温度、定子铁芯温度均在安全范围内，不构成限制因素。

燃机滞相、进相时，机端电压和厂用电电压会随之变化，需要密切监视其变化，其中，机端电压极限限制了滞相、进相能力，调节厂用变分接档可控制厂用电电压维持正常水平。通过机组的滞相和调相试验，验证了机组可以提供动态无功的范围，燃机调相对解决上海电网有功负荷较低且无功短缺或过剩有很好的效果，是一种改善电压质量的有效而且经济的技术措施。

4 燃机低功率调相运行和正常运行状态的切换

为了分析燃机低功率调相运行和正常运行状态的切换，针对上海某燃机厂1号机带厂用电各有功功率下机组调相能力及限制因素，如表3和表4所示，将表3和表4机组调相能力画在P-Q平面，如图2和图3所示。

表3 上海某燃机厂1号机带厂用电滞相运行试验

从图2和图3可见，机组滞相运行时，随着有功出力的增加，机组滞相能力增大，而有功大于85%PN时，随着有功增加，滞相能力增加不明显；机组进相运行时，有功在30%PN以上时，随着有功下降，机组进相能力加深，从30% PN继续下降，机组进相能力并未进一步有效提升。同样，功角、温度在本次试验中不构成限制条件，最终限制机组进相的主要为机端电压。

5 结束语

本文通过上海电网的燃气机低有功功率下的运行能力、调相能力及调相运行和正常运行状态的切换试验，得到如下结论：

（1）燃气机低有功功率运行时，稳定性较好；所有温度测点温度均不超标；厂用重要设备未出现超温等异常现象。通过试验证明燃气机低功率运行是解决缺乏动态无功源的有效方法。

（2）通过机组的滞相和调相试验，验证了机组可以提供动态无功的范围，燃机调相对解决上海电网有功负荷较低且无功短缺或过剩有很好的效果，是一种改善电压质量的有效而且经济的技术措施。

（3）燃机低功率调相运行和正常运行状态的切换时，

稳定性好。不受于功角和温度的限制，机端电压为限制机组进相的主要因素。

本文试验分析的燃气机低有功功率调相，为上海地区缺乏动态无功源而出现电压问题的治理和优化设计提供了重要的试验数据。

参考文献：

[1]谢英柏.燃气机热泵总能系统的理论分析与试验研究[D].华北电力大学（河北），2003.

[2]焦文玲，胥杰.燃气热泵技术及其应用[J].煤气与热力，1998（04）：54-55.

[3]沈迪刚.国外燃气轮机发展途径及方向[J].航空发动机，2000（01）：43-48.

[4]卫明.现代燃气轮机总体性能计算与改装优化设计[D].上海交通大学，2014.

[5]张小敏，董开松，赵耀，等.考虑需求侧管理的微电网调度模型与策略[J].水电能源科学，2015，33（08）：191-194+143.

[6]张东.含光/储/燃气机的直流微电网能量调度方法研究[D].陕西科技大学，2018.

[7]林俐，田欣雨，蔡雪 .考虑附加成本的燃气机组深度调峰及电力系统能源效率[J].电力系统自动化，2018，42（11）：16-23.

[8]胡殿剛，潘正婕，徐昊亮，等.大规模可再生能源并网条件下天然气机组调峰空间估算[J].电力系统保护与控制，2017，45（03）：87-93.

[9]张贲，张毅威，梁旭，等.燃气机组发电特性及其在电网中运行方式的研究[J].燃气轮机技术，2009，22（02）：14-18.

[10]毛华军.S109FA联合循环机组调峰运行方式的分析[J].华电技术，2008（08）：13-15.

[11]马传庆，刘文.浅谈200MW燃气联合循环机组调峰方式的选择[J].科技视界，2016（24）：247.

[12]赵杨，沙立成，雷一鸣，等.北京电网燃气-蒸汽联合循环机组调峰运行特性[J].华北电力技术，2015（02）：60-65.