西北大开发和“一带一路”建设,为新疆主电网发展带来了机遇,从薄弱的电网结构到750 kV、1 100 kV较强的主网结构的形成,超高压长距离输电网络也在不断扩大,导致新疆电网系统无功功率增加,电网系统存在线电压高的问题,当电网电压低时,系统电压高的问题突出。 为了有效降低系统电压,除了安装高电阻外,发电机进相试验是一种更实用、最有效的降压方法^[1]。

从新疆电网发电机进相试验总体情况来看,新疆电厂均具备较好的进相能力。试验中,60%的进相深度均受到发电机定子电流和机端电压的限制,也有少部分受到了发电机厂用母线电压的限制。进相试验过程中几乎不发生发电机失磁现象。发电机组进相试验测试完成后,试验报告中会给出励磁调节器的低励限制整定值,但在技术监督检查过程中,少部分电厂未按该值进行整定。

有些电厂只进行了一台发电机组的进相试验,其他机组按该台机组来进行整定。因为发电机的参数完全不相同,所以每台机组都要进行进相试验,以确保得到的进相深度准确,符合实际情况。

通过查阅新疆电网历年进相运行试验方案和报告(图1),内容与导则要求基本吻合;虽然历年报告中未体现出校验低励限制环节的静态和动态限制特性,但在发电机组进相运行试验过程中都有相关的试验项目;鉴于以上情况,后续报告中增加了校验低励限制环节的静态和动态限制特性试验项目,体现了试验报告内容与导则要求的完整性、一致性。

发电机进相运行且为系统提供有功功率和感性无功功率时,其有功功率和无功功率表上的指示均为正值,提供系统有功功率和容性无功功率时,其有功功率表指示为正值,而无功功率表则指示负值,所以此时从系统吸收感性无功功率。发电机进相运行时,各电气参数对称,而且发电机仍保持同步转速,属于发电机正常运行方式中功率因数变动时的一种运行工况,只是拓宽了发电机通常的运行范围。同样,在允许的进相运行限额范围内,只要电网需要是可以长期运行的。

同步发电机在低有功情况下允许无励磁运行,此时发电机能保持同步运行,而且吸收电网无功功率,但其定子电压要降低。发电机低有功无励磁运行时,依靠反应转矩维持同步运行,其电磁功率包括两部分,即基本电磁功率和附加电磁功率。基本电磁功率由励磁电流决定,附加电磁功率由转子凸极效应决定。当运行中失去励磁时,电磁功率仅有附加电磁功率,其最大值为^[2]

${{P}_{2\text{m}}}=\frac{{{U}^{2}}}{2}\left( \frac{1}{{{X}_{q}}}-\frac{1}{{{X}_{d}}} \right)$

对于凸极发电机,${{X}_{d}}$>${{X}_{\text{q}}}$,故${{P}_{2\text{m}}}$>0;当有功功率特别小时,该电磁功率满足克服制动转矩的作用而驱动发电机与电网保持同步。实践证明,凸极发电机在无励磁运行时的电磁反应功率大约可达到额定容量的20%,也有发电机带有功20%无励磁运行时不失步。此时转子绕组无直流电流又保持同步状态,所以不在转子绕组和各部件感应电流,不存在转子发热的问题。

在进相试验(图2)中,往往需要在调节无功功率

前预先估算目标工况下发电机的功角,以便确定试验的工况是否会对发电机的静态稳定构成威胁^[3]。凸极同步发电机正常运行时的电压、电流相量图如图3所示。

根据同步发电机相量图可得

当采用机端有功功率、无功功率计算发电机功角时,可将式(1)右侧分子分母同时乘以U_t,考虑到$P={{U}_{\text{t}}}I\cos \varphi $,${{Q}_{\text{G}}}={{U}_{\text{t}}}I\sin \varphi $可得

发电机功角的表达式为

对于隐极同步发电机,可认为${{X}_{d}}={{X}_{\text{q}}}$,参照式(3)可得隐极机的功角计算公式为

(1) 定子电流和厂用母线电压对发电机组进相深度的限制。通过梳理历年试验报告,新疆区域发电机组在满负荷工况下水电机组进相运行深度相对于火电机组较深,约44%水电机组进相深度最大值受定子电流的限制。在75%P_n、50%P_n、0%P_n三种工况下,约47%水电机组进相深度最大值受厂用母线电压水平限制。

(2) 定子电流和转子电流对发电机组进相深度的限制。鉴于在满负荷工况下水电机组进相运行深度最大值受定子电流的限制,在约0%P_n工况下,转子电流成为限制新建机组进相深度的主导因素。由历年试验报告可知,该情况较少。

(3) 定子电流和定子电压对发电机组进相深度的限制。鉴于在满负荷工况下水电机组进相运行深度最大值受定子电流的限制,在75%P_n、50%P_n、0%P_n三种工况下,定子电压成为限制新建机组进相深度的主导因素,由历年试验报告可知,该情况也较少。

(4) 系统电压水平对发电机组进相深度的限制。鉴于系统处于大负荷工况、试验负荷满足条件,系统电压值略低且随着机组的进相深度逐渐降低,系统电压值达到电压下限成为限制机组进相深度的主导因素。如波波娜水电站1#~3#机组装机容量均为50 MW,在100%P_n、75%P_n、50%P_n、0%P_n四种工况下,随着机组进相深度的加深,220 kV系统电压达到省调规定的下限值234 kV,成为限制新建机组进相深度的主导因素;温泉水电站1#~3#机组装机容量均为45 MW,省调当时下发220 kV母线下限值为234 kV;恰甫其海水电站1#~4#机组装机容量均为80 MW,省调当时下发220 kV母线下限值为232 kV;吉林台水电站1#~4#机组装机容量均为125 MW,省调当时下发220 kV母线下限值230 kV。表1为新疆地区部分水电机组进相试验结果汇总表。

(1) 厂用母线电压对发电机组进相深度的限制。通过梳理历年试验报告可知,新疆区域火电机组在100%P_n、75%P_n、50%P_n三种工况下随着机组进相深度的加深,厂用电电压水平已成为限制机组进相深度的主导因素。厂用母线电压水平低约占57%。华能轮台2#机组装机容量均为350 MW,在100%P_n、75%P_n、50%P_n三种工况下,随着机组的进相深度加深,400 V厂用电电压达到下限值360 kV,成为限制新建机组进相深度的主导因素;金川热电1#~2#机组,装机容量均为135 MW;绿原电厂1#~2#机组装机容量均为135 MW;屯富电厂1#~2#机组装机容量均为135 MW等。建议按照电网实际运行工况对主变压器、高厂变压器档位进行调节,升高厂用电母线电压值,提高机组的最大进相深度水平。

(2) 系统电压水平对发电机组进相深度的限制。当系统处于大负荷工况,虽然试验负荷满足条件,但系统电压值略低,部分区域电网结构薄弱,系统短路容量较小;随着机组的进相深度逐渐降低,系统电压值达到电压下限成为限制机组进相深度的主导因素。哈密天光电厂5#~6#机组装机容量均为135 MW,在100%P_n、75%P_n、50%P_n三种工况下,随着机组进相深度的加深,220 kV系统电压达到省调规定的下限值230 kV,成为限制新建机组进相深度的主导因素;徐矿热电1#机组装机容量均为200 MW,省调当时下发220 kV母线下限值235 kV;和丰赛尔电厂1#~2#机组装机容量均为300 MW,省调当时下发220 kV母线下限值228 kV等。若按照系统处于小负荷工况下开展试验,机组的进相深度略有提升;建议在开展发电机进相涉网试验时,省调(地调)优化机组所在区域的电网运行方式,对进相电源点和开机台数做优化选择和合理配置,按照系统处于小负荷工况下开展试验,提高系统运行电压水平、增加系统无功储备,为试验提供合适的条件,提高机组的最大进相深度。

(3) 发电机组功角对进相深度的限制。进相试验原则上在发电机自带厂用电电源的方式下进行,对系统特别要求的电站可考虑在自带厂用电和备用电源方式下进行试验。新疆区域火电厂普遍采用发电机自带厂用电电源的方式下进行试验,发电机组在100%P_n、75%P_n、50%P_n三种工况下进相深度受功角限制的情况非常罕见,主要是厂用电电压受限制。按照国调要求,为提高机组进相深度对如下电厂相关机组进相运行试验采用启动备用电源带厂用电的方式进行。国电哈密电厂1#~2#机组装机容量均为660 MW,在100%P_n、75%P_n、50%P_n三种工况下,发电机组功角限制条件成为主导限制因素,导致机组三种工况下进相深度均受功角的影响;国投哈密电厂1#~2#机组装机容量均为660 MW,以及国网能源哈密煤电1#~2#机组装机容量均为660 MW,在100%P_n、75%P_n两种工况下,发电机组功角限制条件成为主导限制因素,导致机组三种工况下进相深度均受功角的影响。

(4) 转子电压下限值对发电机组进相运行能力的限制。发电机组的进相运行深度限制值与发电机失磁保护定值相配合,开展进相运行试验需要密切注意机组的转子电压变化情况,转子电压过低可能导致发电机组失磁保护动作,影响机组的安全稳定运行。国投哈密电厂1#~2#机组装机容量均为660 MW,国网能源哈密煤电1#~2#机组装机容量均为660 MW,在50%P_n工况下,发电机组转子电压逼近发电机失磁保护转子低电压定值,为了保证机组安全稳定运行,停止进相试验,转子电压下限值成为发电机组进相运行的限制条件。表2为新疆地区部分火电机组进相试验结果汇总表。

新疆区域自备电厂装机容量比重较大,电厂无功负荷需求较大,大多数电厂属于高耗能电解铝产业。系统电压普遍偏低,无功功率储备严重不足,倒吸电网侧无功功率现象尤为突出。在一定程度上发电机机端电压跟进相运行无功功率的二次方根呈现下降变化。为保证电厂辅机设备的安全稳定运行,机端电压和厂用电电压水平成为限制机组进相运行深度的限制条件;自备电厂机组进相运行试验深度较浅,甚至出现个别自备电厂无法开展进相运行试验。新疆神火煤电有限公司1#发电机装机容量为350 MW,1#发电机在350 MW负荷下,发电机最大进相运行深度为-50 Mvar,受厂用6.3 kV母线电压限值的制约。发电机在262 MW、175 MW负荷下,发电机最大进相运行深度分别为-65 Mvar、-80 Mvar,也受厂用6.3 kV母线电压限值的制约。伊犁新天煤化工有限责任公司1#、2#发电机装机容量为2×50 MW,1#发电机在50.0 MW负荷下,发电机最大进相运行深度为-11 Mvar,受发电机端电压限值的制约。发电机在37.5 MW、25.0 MW负荷下,发电机最大进相运行深度分别为-13 Mvar、-14 Mvar,也受发电机机端电压限值的制约。2#发电机在50.0 MW负荷下,发电机最大进相运行深度-10 Mvar,受发电机机端电压限值的制约。发电机在37.5 MW、25.0 MW负荷下,发电机最大进相运行深度分别为-12 Mvar、-13 Mvar,也受发电机机端电压限值的制约。上述两台机组在三种工况下机端电压均降低约9.45 kV,制约机组的进相深度。建议按照小负荷运行方式,同一电厂合理安排几台机组同时运行,适时选择合适的电网运行方式,动态调整负荷,适时配置合适容量的无功补偿装置,增加系统的无功功率储备,为试验机组提供合理的试验工况,提高发电机组的进相运行深度。表3为新疆地区部分自备电机组进相试验结果汇总表。

根据PSCAD软件仿真,25 s、40 s、55 s、70 s时刻对励磁机输入励磁电流的变化量分别为1.5 A、0.403 A、2.2 A、1.1 A,发电机输入的励磁电压和输出的励磁电流如图4所示。由图4可见,励磁电压和电流波动的大小与输入变化量的大小成正比,其中在55 s时波动最大。随着变化量的不断输入,发电机的励磁电压和电流不断减小,进而实现减磁来完成发电机在有功功率为70 MW的进相试验仿真。因机组的温升不可测,故忽略其影响。

进相试验仿真过程中有功功率和无功功率变化波形^[4]如图5所示。由图5可知,发电机输出有功功率在励磁电压变化时出现较大波动,但各工况都能达到稳定运行,稳定后的有功功率只有轻微变化。无功随励磁电压逐步降低,由10.8 Mvar下降到最大进相深度-20.1 Mvar,满足发电机从迟相运行到进相运行的进相试验仿真要求。

图6为进相试验过程中发电机功角变化波形。由图6可以看出,发电机功角随着进相深度的加深由36.1°增加到51.7°,满足进相试验中功角不大于70°的要求。

(1) 新疆区域所属发电机组水电机组相对火电机组进相运行深度较深。在发电机自带厂用电源的方式进行试验时,水电机组在100%P_n工况下进相运行深度主要受定子电流的限制,其余工况下主要受厂用母线电压、系统电压水平、转子电流、定子电压等限制;火电机组在100%P_n、75%P_n、50%P_n三种工况下进相运行深度主要受厂用母线电压和系统电压水平限制。建议按照电网实际运行工况对主变压器、高厂变压器档位进行调节,升高厂用电母线电压值,提高机组的最大进相深度水平;针对水电机组在额定功率下达到最大进相深度时功率因数达到0.95占比偏低的问题,开展机组进相运行试验时,兼顾功率因数对发电机组的运行要求。

(2) 针对系统电压水平低限制机组的进相深度的工况,建议开展发电机进相涉网试验时,省调、地调优化机组所在区域的电网运行方式,对进相电源点和开机台数做优化选择和合理配置,按照系统处于小负荷工况下开展试验,适时提高系统运行电压水平,增加系统无功储备,为试验提供合适的条件,提高机组的最大进相深度。

(3) 鉴于现有电网结构和系统无功电压水平、发电企业开展机组进相运行试验积极性不高的状况,为进一步挖掘现有发电机组的进相运行深度,提升新疆区域所属发电机组的辅助服务能力,更好地优化电力资源配置、保障电力系统安全稳定运行,提高发电企业试验的积极性,需建立长效的机组进相运行辅助服务补偿机制,设立常态化指标监测体系,区域所属未能提供辅助作用的进相机组需缴纳辅助服务费用,区域所属发挥重要辅助作用的进相机组给予更多的补偿奖励。

(4) 鉴于新疆区域所属发电机组单机进相运行受定子电流、厂用母线电压、系统电压水平、转子电流、定子电压等限制条件,现有电压等级、系统电压水平、装机容量、网架结构、大容量机组不断投运等,建议充分利用并网发电机的调压能力,实现多机协调进相运行,对于减少设备投资、保证电网的电能质量、提高电力系统稳定运行水平等有着重要意义。从长远来看,多机协调进相运行将成为一种配套超高压,远距离现代电网的实用调压手段。

(5) 建立一套完整的机组进相运行管理数据库,对数据进行统一维护和管理。进相管理数据库可对电网进相运行管理、厂网协调管理、丰富电网运行数据库、提高电网管控能力等起到重要作用。同时,该数据库较大程度上为多机进相研究和试验开展提供数据支撑和分析,较大程度上能为全网进相调压运行管理的规范化发挥重要作用。