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1、扩大单元接线方式下发电机励磁系统调差特性分析 Analysis on Characteristic of Reactive Compensation of Excitation System which Generator is Connected as Expanding Unit 林其煌 宋福海 福建省电力试验研究院福建 福州 350007 摘要阐述了发电机励磁系统中调差环节的工作原理简单分析了并列运行发电机间无功功率分配原理介绍了棉花滩水电站扩大单元接线方式下发电机的运行情况对其调差特性进行试验和分析提出扩大单元接线方式下优化发电机励磁系统调差环节的建设性构想 关键词励磁调差无功失磁扩大
2、单元 AbstractThe principle of reactive compensator in excitation system of generator is presented.The reactive distribution among generators running in the same condition is simply explained.Generator running state of Mianhuatan hydropower station is described.A constructive conceit on reactive compen
3、sation of excitation system is presented depending on test and analysis of characteristic of reactive compensation of excitation system which generator is connected as expanding unit.Key Wordsexcitationreactive compensationreactive powerloss of excitationexpanding unit 扩大单元接线方式下两台发电机励磁系统的调差特性 直接关系到机
4、组并列稳定运行及机组之间无功的合理分配福建省棉花滩水电站4150 MW采用两台发电机和一台主变的扩大单元接线方式4 台机组投网运行以来并列稳定运行和无功合理分配问题都未完全解决对系统的安全稳定运行十分不利为此我们多次进行了机组在线无功调节扰动等试验对励磁系统的调差特性进行分析提出合理分配发电机间无功功率的办法 1 调差特性 调差系数的定义为 式中 UG0UGe分别为空载运行和带额定无功电流时的发电机电压 由式1可见调差系数表示无功电流从零增加到额定值时发电机电压的相对变化调差系数越小无功电流变化时发电机电压变化也越小所以调差系数表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力 图 1 为三种类型的发电机
5、调节特性曲线由式1可知具有正调差系数0的特性曲线向下倾即发电机端电压随无功电流的增大而降低具有负调差系数0 0当母线电压降低时发电机无功电流将增加两台正调差的发电机并联运行当系统无功负荷波动时其电压偏差相同由式7可知若希望各台发电机无功电流波动量的标幺值IQ*相等则就要求公共母线上并联运行的各发电机具有相同的正调差系数 3 发电机变压器组的并联运行下发电机的调差特性 如图 3 所示为典型的发电机变压器组单元接线方式由于变压器固有的短路阻抗影响主变高压侧的并联运行母线电压偏低为了补偿变压器由于无功电流造成的压降发电机励磁宜采用负调差调节特性但其实际反应在主变高压侧的调节特性为正调差根据发电机负调
6、差特性发电机随着系统无功负荷的增大将增大励磁电流维持主变高压侧的系统电压处正常水平这样在高压侧的正调差系数也不会太大对系统的无功负荷波动反应敏感电压调节特性好有利于系统的安全稳定运行若适当选择发电机励磁调节器的负调差系数整定值使之接近补偿无功电流在变压器短路阻抗上的压降可维持系统电压恒定因此这种负调差环节实际上是无功电流补偿装置它可维持系统中该节点电压基本恒定对提高系统电压质量维持系统稳定性是极有好处的 发电机 G 图 3 发电机变压器单元接线示意图 主变压器 4 扩大单元接线方式下两台发电机调差特性的分析 4.1 分析 扩大单元接线方式下两台发电机并列运行其稳定及无功功率的分配问题较为复杂图
7、 4 为单机对无穷大系统的等值阻抗图若以主变的低压侧作为公共母线对并列的发电机而言所接入的就不是无穷大系统系统的内抗约等于主变的短路阻抗 XT两台发电机送出的无功电流都将在主变的短路阻抗上产生压降而对主变高压侧的系统电压节点来说则可以视为接入无穷大系统即主变高压侧的系统电压基本不变笔者在这个前提下讨论扩大单元两台发电机调差特性的问题 主变 XT 无穷大系统 发电机 G XG 图 4 单机对无穷大系统等值阻抗图 首先为了保持稳定运行两台发电机都必须在正调差特性下运行主变高压侧的系统电压视为基本不变但当其中一台发电机增加励磁时主变低压侧电压将上升此时另一台发电机感受到端电压上升将减少励磁以保持端电
8、压其结果是一台发电机送出无功功率的同时另一台机组吸收无功功率极难 3 获得良好的无功调节性能其次当一台发电机在主变低压侧并网运行另一台发电机并列时由于两励磁系统特性不可能完全相等允许同期电压相位差等因素系统将仍然存在无功扰动使两台机组在并列时刻产生无功大扰动若正调差系数整定过小将有可能导致其中一台机组无功过载另一台机组失磁解列因此正调差系数需整定为接近主变短路阻抗 XT的一半这样虽然可以解决两台发电机间可靠并列和较稳定的运行但由于较大的正调差系数扩大单元对系统的调压性能差软对系统无功扰动的响应弱维持主变高压侧节点电压恒定的能力差对系统电压质量和系统稳定性都十分不利下面以棉花滩水电站启动运行中发
9、生的情况为例做深入分析 4.2 棉花滩水电站发电机扩大单元接线方式 图 5 所示为棉花滩水电站#2 主变单元的主接线示意图#3 机和#4机通过 603604 开关在 15.75 kV 公共母线上接于#2 主变低压侧再通过#2 主变高压侧的开关 21B 接入 220 kV 系统 4.3 由于负调差特性引起#3 发电机跳机的事故经过#3#4 机按下达的负调差系数-2.5%整定后单机分别带#2 主变试运行正常 于 2001 年 6 月 29 日 棉花滩水电站#3 机正常运行 P3=150 MWQ3=0#4 机由运行人员操作从启机到准同期并列在#4 机出口604 开关合上的短短 400 ms 内#3
10、机出口 603 开关跳闸#3 发电机解列事故停机事后查 SOE事件记录和保护动作情况如下#4 机机端电压瞬时最高升至 U4=16.01 kV 无功突变达 Q4=239 Mvar 发出无功有功 P4=0#3 机有功不变P3=150 MW无功突变至 Q3=-249.5 Mvar吸收无功#3 机励磁系统低励限制虽动作但未及时限位原因后述机组由失磁保护和低压过流保护动作解列停机 图 5 棉花滩水电站#2 单元主接线示意图 15.75 kV#2 主变#3 机 21B 604 G4 G3 603 220 kV 母线#4 机 4.4 负调差引起事故跳机的原因分析 在棉花滩水电站#3 机正常运行#4 机并网的
11、瞬间其无功电流增加根据负调差特性#4 机感受到机端电压 U4降低增加励磁电流力图维持机端电压从而导致#4 发电机送出的无功功率 Q4进一步增加Q4增加导致 U4增加此时#3 机感觉到机端电压偏高#3 机力图维持机端电压减少励磁电流#3 发电机送出的无功功率 Q3减少这样#4 机发出的无功完全被#3 机所吸收在#3 机#4 机之间形成了无功电流环流从而失去稳定最终导致#3 机励磁系统失磁#3 发电机的失磁保护和低压过流保护动作出口跳机 5 微机型励磁调节器本身存在的缺陷 目前微机型励磁调节器对模拟量的处理是将定子三相二次电压及电流经隔离变换后送至 A/D 采样通常在一个周波内20 ms每相电压及
12、电流等间隔采样 32 个点当将一个周期内的电压电流采集完毕数字信号处理器DSP通过快速傅立叶变换FFT分别计算出三相电压和电流的有效值有功功率及无功功率 在发电机进相时微机型低励限制单元根据实际的有功功率算出 PQ 特性曲线对应的最大允许进相无功功率 QCG如果实际无功功率 QCQCG即达到低励限制动作值则在极短的时间内延时 60 ms 或更长发低励限制信号从而启动低励限制程序功能使进相无功功率限制在允许值 QCG这是为了避免 4 控制动作过于频繁引起振荡微机型励磁调节器的软件中均采用了带死区的 PID 控制所以在正常发电机进相运行时缓慢调节减少励磁低励限制可以发挥其限制作用而当发电机励磁系统
13、发生失磁时励磁电流减少的速度很快低励限制单元的判断和限制由于微机励磁本身缺陷跟不上发电机励磁系统失磁时励磁电流减少的速度导致低励限制不住励磁电流的减少进而导致更深一步的发电机进相失磁直至失去稳定运行 6 扩大单元接线方式下两机正调差特性运行存在的问题 棉花滩水电站扩大单元中的两台机组均已使用正调差特性虽然在系统无功负荷扰动不大的情况下能稳定运行但实际运行操作中仍存在问题 6.1 两台机组并列时在运行操作中易形成无功环流 笔者在棉花滩水电站#3#4 机励磁调节器置电压闭环运行方式调差系数整定为+3.0%进行两机并网在线无功分配试验在不同的有功功率负荷点 P总时调节#3 机励磁电流分别改变#3#4
14、 机的无功功率在不同的#3 或#4 机无功功率点记录以下数据见表 1220 kV 升压站电压 U220kV#2 主变高压侧无功功率 Q总#3 机有功功率 P3无功功率 Q3#4 机有功功率 P4无功功率 Q4 表 1 两机并网在线无功分配试验数据 U220kV kV P总 MW Q总 Mvar U3 kV P3 MW Q3 Mvar U4 kV P4 MW Q4 Mvar 242.95 19.7 20.7 16.01 20.1 0 16.04 0 22.5 243.95 38.8 21.4 16.09 21.2 46.1 16.10 10.5-20.4 P总=30 242.63 29.2 14
15、.7 15.95 19.9-23.9 15.97 10.2 40.7 241.90 99.8 0 15.81 19.1-2.4 15.83 80.1 9.7 242.39 99.8 4.1 15.88 20.5 32.2 15.88 79.9-17.8 242.48 99.3 3.1 15.89 19.5 41.3 15.89 79.8-31.0 P总=100 241.31 99.1-1.4 15.75 19.5-20.3 15.78 80.5 25.3 241.23 148.3-9.7 15.71 70.4 0 15.73 79.9 1.8 241.92 149.8-8.5 15.74 70
16、.3 20.3 15.76 79.9-18.1 改变#3机 Q3 P总=150 240.71 150.4-12.5 15.67 69.4-21.9 15.67 79.9 19.7 241.71 99.4 0 15.71 80.1 0 15.72 20.3 2.3 241.39 100.3-3.4 15.79 79.3-30.9 15.81 20.2 33.3 P总=100 239.76 99.6-7.7 15.63 80.4 26.5 15.64 20.3-27.6 241.34 149.2-8.0 15.73 79.9 0 15.74 68.9 2.3 242.03 148.1-7.4 15
17、.77 79.5-27.8 15.79 70.3 30.4 改变#4机 Q4 P总=150 240.36 149.6-12.6 15.65 79.5 19.4 15.65 71.1-19.5 上述试验数据分析表明两台发电机并列运行调整一台机组的无功功率完全反应在另一台机组的无功功率上在两台机组之间形成无功电流的环流而且如果仅调整一台机组的无功是无法对系统的电压进行调整的只有当两台机同时增加励磁或同时减少励磁时才可以调整系统电压和系统无功功率原因是对于发电机励磁调节器当只调整一台发电机的励磁电流输出时仅仅是整定单元的整定值增加调节器输出特性曲线平行上移发电机无功调节特性也随之上移而调差特性保持不
18、变即不变 6.2 两台机并列瞬间无功功率波动较大 笔者在棉花滩水电站#3#4 机励磁调节器置电压闭环运行方式不同的调差系数整定值下进行两机并网在线无功动态冲击试验记录数据见表 2 表 2 两机并网无功动态冲击试验数据 5 两机并列前 两机并列后#3 机运行状态#3 机运行状态#4 机运行状态 两台机的调差系数整定值 P3/MW Q3/Mvar Q3/Mvar P4/MW Q4/Mvar+2.0%20 11-37-41 5 53+3.0%152.7 2.0-29.2-22.9#3 机低励限制动作 10.3 34.7#3 机运行#4 机运行#3 机运行-P4/MW Q4/Mvar Q4/Mvar
19、P3/MW Q3/Mvar+3.0%20 1.0-11.2 8.3 9.8 可见在两台机并列运行之前两台发电机的机端电压不完全相等不可避免存在暂态冲击而且无功功率扰动较大不利于机组的安全稳定运行建议通过减小发电机同期装置中允许合闸的压差来减小合闸后差压引起的无功扰动 6.3 系统侧调差系数太大 发电机采用正调差系数再加上主变的短路阻抗反应在 220 kV 系统侧的调差系数太大对系统的无功扰动反应不够敏感电压调节特性太软这样各台发电机对系统的无功负荷波动反应不敏感对系统的安全稳定运行不利 6.4 一台发电机失磁导致另一台发电机机过电流 在一台发电机发生失磁的情况下另一台发电机为了维持并联运行母线上的电压其励磁调节器将增加励磁电流导致该台发电机过电流 7 建设性构想 通过上述对调差特性的原理阐述 以及对扩大单元主接线方式的调差特性和棉花滩水电站的试验数据的分析笔者认为对于扩大单元接线方式的两台发电机的励磁调节器应监测两台发电机送出的无功功率监测信号经处理后去控制各自的励磁调节器实现发电机无功电流补偿和调差达到调整发电机之间的无功功率合理分配缓解发电机并列瞬间无功功率暂态冲击提高系统电压质量维持系统稳定的目的具体的改进办法和方案另文详述 收稿日期2001-12-24 6