发电机进相和欠励限制研究与应用

周美英，刘喜泉，孙宏军，孙 涛

(1.国电电力山东新能源开发有限公司，山东 烟台 264003；2.溪洛渡水力发电厂，云南 永善 6573001；3.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

随着国民经济的迅猛发展，电力系统容量飞速增大，在系统负荷处于低谷时，尤其是在节假日、午夜时间，系统线路产生无功功率过剩，使得电力系统的母线电压偏高，以至接近或超过系统运行电压的上限值，严重地影响着送变电设备和用电设备的安全运行。

一般情况下，可采用并联电抗器或同步调相机来吸收剩余的无功功率，但增加了设备投资，且在运行使用上有一定的局限性。从经济运行的角度考虑，利用发电机，尤其是大型发电机组通过进相运行，吸收系统过剩的无功功率，是一项切实有效的方法[1-4]。所谓发电机进相运行是指发电机向系统发出有功功率的同时，通过调整励磁系统进入欠励运行，从系统吸收无功功率的运行状态[5]。发电机进相运行不需要额外增加设备投资，只要改变发电机励磁系统运行工况，使发电机进相运行，即可达到平衡系统无功功率和调整系统电压的目的，社会效益和经济效益十分显著。客观准确掌握发电机组的进相能力是维持电力系统稳定运行的关键技术指标。然而发电机组进相运行，会使其静态稳定性能降低，严重时可能导致发电机失去稳定而不能同步运行，因此必须通过进相试验确定发电机的进相能力及相关控制措施确保发电机进相运行的安全性。

1 发电机组进相影响因素分析

依据《同步发电机进相试验导则DL/T 1523》中规定，发电机组的进相能力主要是由发电机定子端部温升、定子电流、定子电压、发电机功角、厂用电电压、系统母线电压限制等共同确定的，在不同有功功率下发电机最大进相深度[6]。为了确保发电机进相运行的安全性，通过设定发电机励磁系统中欠励限制定值，确定在不同有功功率下发电机吸收无功功率的最大值。下面对相关因素进行分析。

1.1 发电机定子端部温升

发电机定子端部温升主要是指定子铁芯、绕组及齿压板、压指的温升，其结构如图1所示。端部温升主要由定子铁芯损耗、绕组铜损、端部漏磁通等因素决定，发电机在进相时，励磁电流会减小，励磁绕组端部漏磁场会减弱，励磁绕组的漏磁场磁路磁阻会减小，使定子端部漏磁场会增大，铁损加大，致使定子端部会严重发热。这与发电机设计制造工艺密切相关，达到该限制条件的进相能力基本就是发电机本身进相能力，无法提升进相运行时，发电机定子铁芯和绕组、齿压板、压指等温升应不超过机组运行规程或GB755、GB/T7064、GB/T7894中的规定。发电机进相深度大小多数情况不受该条件限制。

图1 发电机定子端部结构示意图

1.2 发电机功角

发电机功角稳定是发电机运行稳定的三要素之一。发电机功角δ即在发电机并网运行时，发电机的感应电势E0与端电压Ug之间的夹角[7]，如图2所示。

图2 发电机电势及功角向量图

图2中：XS为发电机同步电抗(电枢反应电抗和定子端部漏电抗之和)；Ig为发电机定子电流；Rg为发电机定子绕组电阻。

由于隐极发电机输出有功功率计算公式如下：

由于静稳需要，因此其极限功角δ最大为90°，为确保隐极发电机运行安全，依据DL/T1164的规定，隐极发电机的功角δ宜不大于70°，而凸极发电机的输出功率输出功率计算公式如下式所示：

式中：Xd为直轴同步电抗；Xq为交轴同步电抗。

由于凸机发电机Xd与Xq不相等，其最大极限功角小于90°，且其极限功角随着有功功率的减小而降低，在不同有功功率、不同定子电压下，极限功角[6]δ如图3所示。

图3 凸机发电机在不同系统电压下的极限功角图

因此试验前应根据发电机及主变压器参数计算极限功角，在进相试验过程中，功角应比极限功角留有10°～20°的安全裕度。

1.3 定子电压、电流、厂用电电压及母线电压

发电机进相运行时，定子电压应不低于其90%额定值，定子电流应不超过其额定值，厂用电电压一般应不低于负载额定电压的95%。母线电压应在电力系统运行安全范围，具体以调度给定范围为准，一般带有厂用电的机组比不带厂用电的机组，其进相深度会浅。

2 发电机组进相稳定运行与欠励限制

为确保发电机进相运行的稳定控制，发电机励磁系统一般采用欠励限制来实现。欠励限制作为发电机励磁系统辅助控制环节之一，在保证有足够进相深度前提下，确保机组安全稳定运行，因此欠励限制相关参数的整定非常重要。所谓欠励限制是指发电机在进相运行时，发电机吸收的无功功率低于限制值时，通过自动增加励磁电流，将发电机进相深度调整至发电机PQ限制曲线稳定运行范围内的限制器，也称为低励限制。其中发电机励磁限制功能示意图[8]如图4所示，其中发电机P-Q图中中间空白位置为稳定运行范围。

图4 发电机励磁限制示意图

欠励限制应满足定子端部热稳定限制、静态稳定限制、失磁保护整定、机端电压与厂用电电压等因素限制。确定欠励限制的参数要根据以上因素决定的最小值再留有一定的安全裕度。

励磁系统欠励限制的输出将与励磁控制主环配合，励磁系统主环控制是发电机机端电压闭环控制方式，欠励限制控制需要与励磁主环控制通过竟比门比较来确定是否欠励限制起作用，其控制模型如图5所示[9]。图5中：Ug为发电机机端电压；Uref为电压参考值；T1为励磁调节的超前时间常数；T2为励磁调节的滞后时间常数；KAVR为励磁调节器的比例增益；UUEL为低励限制的输出；UAmax为励磁输出上限；UAmin为励磁输出下限；HV为高值比较门；△U为欠励限制输出调节电压值。

图5 励磁系统的欠励限制调节数学模型

当励磁控制主环信号与欠励限制通过高值比较门竞争控制使能，当机组在进相时，欠励限制高于励磁控制主环时，由欠励限制控制励磁调节器输出，即欠励限制动作，欠励限制通过增磁，提高发电机机端电压，减小进相深度，使发电机运行在稳定范围内。

图6 欠励限制定值整定示意图

3 进相试验与欠励限制整定应用实例

以某电站700 MW机组进相试验为例，说明发电机进相深度相关因素及欠励限制整定应用情况。依据《DL/T 1523-2016 同步发电机进相试验导则》要求，进相前需要将电站母线电压运行在安全范围内的较高区域、陪同试验机组(若有)工况调整至迟相状态，主要进相限制条件如下：

1)发电机定子电压不得低于额定电压20 kV的90%(18 kV)；

2)发电机定子电流不大于额定电流；

3)由于不同有功功率时，水轮机的极限功角也不同，因此，试验前应根据水轮发电机及主变参数计算出试验条件下的极限功角，在试验过程中应确保功角相对于极限功角有一定(15°～20°)的安全裕度；

4)发电机定子绕组温度不超过115℃，铁芯和端部构件温度不超过110℃；

5)电站500 kV母线电压不低于调度允许的最低值520 kV，最高值为532 kV；

6)电站10 kV厂用电压不低于95%(9.5 kV)；

7)电站380 V厂用电压不低于95%(361 V)；

8)根据《DL755 电力系统安全稳定导则》规定，通过静态稳定计算，得到进相试验工况下水轮发电机静态稳定极限功角δmax如表1所示。

表1 某700 MW水轮发电机极限功角δmax

进相试验机组正常运行，设备状况良好。试验机组自动发电控制(AGC)和自动电压控制(AVC)退出运行，低励限制、失磁保护、失步保护等功能正常投入运行。

由于额定有功功率为700 MW的发电机50%额定有功功率350 MW工况处于振动负荷区，进相试验时避开振动负荷区，因此进相试验在发电机有功功率为0、525(75%)、700 MW(100%)三种工况下进行。

进相试验数据如表2所示，根据进相深度限制条件，基本受厂用电电压条件及功角限制，并确定欠励限制定值如表3所示。

表2 某700 MW水轮发电机进相试验数据表

依据在失磁保护功能未退出条件下的进相试验情况，欠励限制定值与机组进相能力间留有一定安全裕度，该机组欠励限整定值如表3所示，同时该欠励定值也定先于该机组失磁保护动作，且有一定安全裕度，满足网源协调相关要求。

表3 某700 MW水轮发电机欠励限制定值表

4 结 语

通过对发电机组进相能力相关影响因素及欠励限制与进相运行的关系分析，并对欠励限制的控制原理及参数整定进行了论述，最后用机组进相现场试验实例说明了进相能力的确定方法和欠励限制参数整定方法，为电站机组进相能力确定及欠励限制参数整定提供有效指导。