电网电压和频率波动对大型发电机的运行影响分析

杨 勇,周光厚,吴弘玲,何 伟,邹应冬

(东方电气集团东方电机有限公司,德阳 618000)

0 引言

在某些国家和地区,电网建设相对落后,线路老化严重,输电损耗大;输电通道不足,与周边电网的互联互通程度也不高,用电高峰期的“电荒”现象凸显。因此,这些地区电网的稳定性相对较差,电网电压和频率的波动范围较大。为了适应电网的特殊运行需求,电力公司通常要求发电机在超出IEC和GB标准中规定的电压和频率安全运行范围外长期或短时运行。然而,电网电压和频率的波动,将直接影响到发电机组的长期安全稳定运行,主要体现在几个方面:

(1) 电网电压和频率的波动可能会引起发电机的定、转子绕组温度过高,损伤绕组绝缘,进而影响机组的使用寿命;

(2) 电网电压的升高会使机组励磁电流增大,发电机定子铁心磁密和损耗也会相应增加,长期过磁通运行也会大幅增加铁心烧损的风险;

(3) 电网频率的波动幅度过大可能会造成机组失步振荡;

(4) 机组长期超速运行和转速频繁变化将会对相关部件的动力特性及疲劳寿命有一定影响。

经常超出标准规定的安全范围运行,无疑对大型发电机组的设计和运行维护提出了新的挑战和考验。本文将结合某电力公司提出的技术要求,以某水轮发电机为研究对象,对电网电压和频率波动对其运行温度、运行稳定性、部件的动力特性及疲劳寿命影响进行研究和分析。

1 发电机VF运行区域及相关标准要求

1．1 标准中规定的发电机电压和频率运行限值

IEC 60034-1和IEC 60034-3标准中规定的发电机电压和频率运行限值如图1所示。发电机应能够在A区域内(电压偏差±5%,频率偏差±2%)连续稳定运行。标准规定的发电机温度和温升限值仅适用于额定运行点(额定容量、额定电压、额定频率)。但当发电机运行在A区域边界或B区域时,其温升或温度可能会比A区域更高,应在运行持续时间、运行频次等方面加以限制,或者采取矫正措施(例如降低发电机组输出)以避免发电机组温度过高而影响绕组绝缘寿命。

图1 IEC标准中规定的发电机电压和频率的运行限值

1．2 某水轮发电机的电压和频率运行区域

图2阴影区域是电力公司针对某水轮发电机提出的电压和频率的连续运行区域。

图2 某水轮发电机电压和频率的运行限值

从图2可以看出,该水轮发电机的电压和频率运行范围已超出了IEC标准规定的长期安全稳定运行的范围。

2 针对扩大发电机电压和频率运行范围可采取的优化设计措施

如果按照相关标准规定的长期安全稳定运行区域进行上述水轮发电机组的设计,在超出标准规定范围运行时,定转子温升会升高,在最恶劣的运行工况(电网电压维持额定,电网频率偏差-6%)时,转子绕组的温升将上升约20 K,已接近标准规定的温升限值,将直接影响机组长期安全稳定运行和使用寿命。

为了满足电力公司增大电压和频率运行范围的要求以及保证水轮发电机的安全稳定运行,在机组设计时,可以采取相应的优化设计措施。

在机组运行温升及磁密水平控制方面的主要优化设计措施有:

(1) 增加磁极线圈匝数来降低转子电密,从而降低转子温升;

(2) 优化定子线棒参数(如增加股线数或股线规格)来降低定子绕组温升;

(3) 确保机组在超出标准规定的安全运行区域时,定转子磁密处于合理的范围,避免达到材料的磁饱和区域,降低过磁通风险。

在提升机组运行稳定性方面的主要优化设计措施有:

(1) 适当增大短路比(即减小直轴同步电抗),可提高水轮发电机的静态稳定性,发电机在欠励状态(充电运行和进相运行)下的稳定性也会提高;

(2) 适当减小直轴瞬变电抗,能提高水轮发电机的动态稳定性;

(3) 适当增大机组飞轮力矩,也能一定程度提高水轮发电机的动态稳定性。

在部件的动力特性和疲劳寿命方面,计算时综合考虑了电网电压和频率波动的范围及频次的影响,发电机转子设计时考虑足够的刚强度和足够的安全系数,紧固件连接牢靠,在超出标准范围超速运行时不发生有害变形,并确保部件疲劳寿命达到相关技术要求[1]。

虽然,通过优化电磁和结构参数,可以在一定程度上扩大水轮发电机电压和频率的运行范围,且将定转子温升控制在合理范围内,但是会增加发电机的有效材料和生产制造成本。

通过对某水轮发电机采取相应的综合优化措施后,其基本参数如表1所示。

表1 某水轮发电机基本参数

3 电压和频率的波动对发电机定转子绕组温升的影响

本节以上述水轮发电机为研究对象,对图2运行区域边界上各点进行温度或温升计算分析。详细的计算工况如图3所示。各计算工况水轮发电机额定出力(额定容量225 MVA,额定功率因数0.80)维持不变。

根据该水轮发电机通风冷却系统的分析计算结果,在额定负载运行工况(工况点1)下,发电机定子绕组温升为40 K,转子绕组平均温升为62.1 K,如图4所示。

图4 额定负载工况下发电机绕组温度场计算结果

定转子绕组的铜耗与其电流平方成正比,在散热条件不变的情况下,定转子绕组的温升可近似按照与电流的平方成正比进行推算。

根据计算结果,当电网电压维持额定,且频率偏差-6%时(工况点12),发电机励磁电流最大,此工况下转子绕组平均温升较额定负载上升约20%,但仍满足标准要求且有一定裕度;当电网电压偏差-5%时,发电机定子电流最大,定子绕组温升较额定负载上升约10%,温升裕度较大。

通过不同运行工况点的计算结果对比,可得出在电网频率恒定,电压波动时对发电机定转子绕组温升的影响规律,如图5(a)所示;在电网电压恒定,频率波动时对发电机定转子绕组温升的影响规律,如图5(b)所示。

图5 电网电压和频率波动对绕组温升的影响

通过上述分析可以看出,电网电压和频率波动对发电机温升的限制主要在转子方面。发电机组应尽量避免在电网电压较高且频率负偏差时长期运行,防止转子绕组温度过高,损伤绝缘,进而减小机组的使用寿命。

当发电机定转子温度较高时应采取相应措施进行限制性运行,例如减小机组无功输出,从而减小励磁电流,但发电机组在无功减小时,功角会逐渐增大,尤其在发电机组在进相运行时,稳定性会变差。

4 频率波动对发电机组运行稳定性的影响

本节建立了上述水轮发电机与电网耦合仿真计算模型,如图6所示。在维持发电机组额定出力(额定有功功率、额定功率因数)的情况下,通过控制电网频率参数变化,完成了在电网频率变化时发电机组瞬态运行过程的仿真。

图6 某水轮发电机网机耦合仿真模型

电网频率单次1 Hz波动时,发电机有功、无功、励磁电流、转速、功角的变化曲线如图7所示。

图7 电网频率小幅变化对发电机运行的影响

仿真结果表明:在电网频率波动时,发电机组能够维持额定出力,转速随电网频率变化而变化,最终稳定在与电网频率相对应的同步转速。由于发电机端电压不变,电网频率增大时,励磁电流减小;电网频率减小时,励磁电流增大。频率波动对发电机功角影响较小。但发电机有功功率、无功功率、励磁电流、转速的振荡幅度与频率波动幅度正相关;当频率波动幅度较大时,将会导致机组失步振荡。

5 结论

(1) 电网电压和频率波动对大型发电机的运行温度、运行稳定性、部件动力特性及疲劳寿命会产生较大的影响。结合电力公司针对某水轮发电机组提出的特殊运行需求,本文提出了相应的优化设计措施,但往往会使机组的设计和生产制造成本增加。

(2) 本文通过有限元分析计算和暂态过渡过程仿真分析的方法,对电网电压和频率波动对某水轮发电机的运行温度和稳定性进行了计算和分析。结果表明,该发电机在采取相应优化设计措施后,定转子绕组温升明显降低且有一定的裕度,运行稳定性较好。

(3) 鉴于以上分析,建议大型发电机组在IEC和GB标准中规定的电压和频率安全运行范围内运行。若机组经常超出标准规定区域运行,电站运行维护人员应相应增加机组的检修频次和力度,并加强对机组运行状态的监控。此外发电机组在电网电压和频率偏差较大的情况下运行时,应采取相应限制措施,例如适当减小机组无功输出,从而减小励磁电流。