燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定分析與處理

摘?要：目前，隨著我國電力企業(yè)對節(jié)能環(huán)保越來越重視，以及電網(wǎng)對電廠調(diào)峰能力更高的要求，燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠在廣東電網(wǎng)中的比例不斷增加，通過對燃機(jī)發(fā)電機(jī)和汽機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，重點研究同套機(jī)組間無功分配、機(jī)組阻尼，并分析對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的影響，為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定工作具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：勵磁系統(tǒng);調(diào)差系數(shù);動態(tài)穩(wěn)定;優(yōu)化整定

中圖分類號：TM712

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)的電力需求持續(xù)增加，電力需求量已處于世界首位。目前，國內(nèi)電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電廠種類較多，其中火力發(fā)電以燃煤為主，而燃煤發(fā)電存在許多缺點，如熱效率低、高污染以及調(diào)峰能力不足等。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是市場新環(huán)境和世界環(huán)保需求推出的新主力發(fā)電機(jī)組，其中燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組具有建設(shè)周期短、效率高、污染小等優(yōu)點在熱電聯(lián)產(chǎn)和冷點聯(lián)產(chǎn)工程中積極作用[1]，隨著電網(wǎng)對火力發(fā)電企業(yè)環(huán)保減排及調(diào)峰能力的越來越重視，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在我國火力發(fā)電力所占比例不斷增長。

燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及輔機(jī)[2]，因此一套燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為一臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)及一臺汽輪發(fā)電機(jī)，兩者通過各自的主變壓器升壓后并接在變電站，主接線如圖1所示。

燃機(jī)發(fā)電單元與汽機(jī)發(fā)電單元的容量及主變短路電抗存在較大差異，因此需要對兩臺機(jī)組發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。調(diào)差系數(shù)是勵磁系統(tǒng)中描述同步發(fā)電機(jī)無功電壓外特性的參數(shù)，其值大其值大小不但對發(fā)電機(jī)電壓和無功功率具有重要影響，也間接影響到電網(wǎng)電壓水平[3-5]。因此，對燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化計算對電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定有重要作用。

1 勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)

同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的定義如下：發(fā)電機(jī)在功率因數(shù)為0的工況下，發(fā)電機(jī)無功功率QG從0變化到額定值，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓UG隨之變化的變化率，調(diào)差系數(shù)實際是發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性曲線的直線斜率，公式如下所示：

國內(nèi)外對其中調(diào)差系數(shù)的極性有不同的規(guī)定，國內(nèi)規(guī)定向下傾斜的曲線為正調(diào)差;反之，向上傾斜的曲線為負(fù)調(diào)差，斜率水平平行于QG軸的為零調(diào)差，特性曲線如下圖2所示。國內(nèi)與國外勵磁廠家定義調(diào)差極性的方向相反，而功能意義相同，故在整定優(yōu)化調(diào)差系數(shù)時需要特別注意。

目前，廣東電網(wǎng)內(nèi)大型火力發(fā)電機(jī)組主要的接線方式為發(fā)電機(jī)—變壓器單元接線，燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽發(fā)電機(jī)組在并列點的總調(diào)差系數(shù)合理與否將影響到電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運行，若調(diào)差系數(shù)設(shè)置過大將增大電網(wǎng)運行電壓的調(diào)整幅度導(dǎo)致波動加大，降低電網(wǎng)電壓質(zhì)量，影響電網(wǎng)的安全運行;若調(diào)差系數(shù)設(shè)置過小將導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的發(fā)生較小波動時，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)率過度響應(yīng)，輸出過多的無功功率，干擾同一母線上并聯(lián)運行的其他機(jī)組的無功分配關(guān)系，增加機(jī)組的安全運行風(fēng)險。

隨著系統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，短路電流的成為新機(jī)組設(shè)計的關(guān)鍵要素，新投運機(jī)組的主變壓器的短路電抗達(dá)到15%以上，減弱機(jī)組與電網(wǎng)的聯(lián)系，使機(jī)組對電網(wǎng)電壓波動響應(yīng)的靈敏度變小。因此，對燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽發(fā)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，抵消發(fā)電單元主變壓器的部分短路電抗，降低發(fā)電單元的總調(diào)差系數(shù)，提高機(jī)組對系統(tǒng)電壓的波動靈敏度，保持并列運行的機(jī)組的總調(diào)差系數(shù)一致且均為正調(diào)差，使不同容量的機(jī)組之間無功正確分配，確保機(jī)組、電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2 調(diào)差系數(shù)對機(jī)組阻尼的影響

若調(diào)差直接疊加到勵磁系統(tǒng)主控制環(huán)，勢必會對機(jī)組的阻尼比及其動態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[6-9]。目前，在國內(nèi)外研究文獻(xiàn)中調(diào)差系統(tǒng)的極性正負(fù)對機(jī)組阻尼的影響尚未有定論，機(jī)組阻尼的增加還是減弱在調(diào)差極性的正負(fù)上存在眾多不確定因素。

結(jié)合系統(tǒng)電網(wǎng)內(nèi)典型機(jī)組的運行狀況，分析在退出PSS后勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)對機(jī)組的阻尼影響，結(jié)果如表1所示。對表1分析可得，電網(wǎng)內(nèi)單個發(fā)電單元，在確保折算主變短路電抗后總調(diào)差值不小于5%的前提下，當(dāng)調(diào)差系數(shù)以±0.1的幅值增減時，機(jī)組的本機(jī)振蕩阻尼比的影響極小，相對于機(jī)組PSS投入后所增加的阻尼比可以近似忽略。因此，在整定機(jī)組勵磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)時，可以直接整定絕對值小于10%變化幅值的調(diào)差系數(shù)，對機(jī)組及電網(wǎng)的風(fēng)險可控，若需要整定調(diào)差系數(shù)變化的絕對值大于10%，需要對機(jī)組仿真分析及現(xiàn)場試驗驗證。

在廣東電網(wǎng)新投運的燃?xì)鈾C(jī)—蒸汽輪機(jī)組中進(jìn)行正負(fù)調(diào)差系數(shù)試驗，驗證仿真計算的有效性，試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)論一致。

按照國標(biāo)DL/T843-2010《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》對調(diào)差系數(shù)整定要求如下：當(dāng)發(fā)電機(jī)無功電流由零增加到額定無功電流時，發(fā)電機(jī)電壓變化不大于5%額定電壓，并列點調(diào)差率應(yīng)為5%～10%。綜上可以簡化為：①功率因數(shù)為0.85的發(fā)電機(jī)組，調(diào)差系數(shù)需不小于-95%;②功率因數(shù)為0.90的發(fā)電機(jī)組，調(diào)差系數(shù)需不小于-11.5%;③保證并聯(lián)相同母線下的機(jī)組調(diào)差系數(shù)相近，且并列調(diào)差率在5%～10%。

3 算例分析

本文以廣東電網(wǎng)內(nèi)新建燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽發(fā)電機(jī)組為例進(jìn)行分析，機(jī)組的設(shè)備參數(shù)如表2所示：

其中燃?xì)鈾C(jī)組（GT）采用東方電氣公司成套提供，型號為ABB UNITROL6800微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，設(shè)備默認(rèn)調(diào)差率為5%;汽輪機(jī)組（ST）采用廣州擎天公司成套提供，型號為EXC9100微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，設(shè)備默認(rèn)調(diào)差率為-3%。

通過公式DT=Uk+DUGNITNUTNIGN[10]得到燃機(jī)發(fā)電機(jī)（GT）當(dāng)前并列電壓調(diào)差率為14%，汽機(jī)發(fā)電機(jī)（ST）并列電壓調(diào)壓率為12%，可見同兩臺機(jī)組在一母線上并列點的調(diào)差率不同，燃?xì)鈾C(jī)組在并網(wǎng)運行后將發(fā)生無功交換現(xiàn)象。

根據(jù)DL/T843-2010《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》中對并列點調(diào)差系數(shù)的要求，對兩臺機(jī)組進(jìn)行調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定計算：

燃機(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)?DTGT=19.62%+DGT×1.035%

燃機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)差系數(shù)?DGT=-10%～-14%

汽機(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)?DTST=15.77%+DST×1.062%

汽機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)差系數(shù)?DST=-6%～-10%

為保證在同一母線機(jī)組并網(wǎng)點調(diào)差系數(shù)相同且無功分配穩(wěn)定，綜合考慮下對機(jī)組調(diào)差系數(shù)取較小值。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)取-10%，汽機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù)取-6%，由于兩臺機(jī)組對調(diào)差系數(shù)的定義不同，極性相反，故最終燃機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中調(diào)差系數(shù)設(shè)置為10%，汽機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)差系數(shù)設(shè)置為-6%。

4 試驗驗證

對新建機(jī)組并網(wǎng)調(diào)試期間進(jìn)行調(diào)差系數(shù)優(yōu)化驗證試驗，試驗內(nèi)容包括燃機(jī)、汽機(jī)的階躍響應(yīng)試驗和動態(tài)增磁試驗，以此驗證兩臺機(jī)組在擾動后的無功分配穩(wěn)定情況。

（1）階躍響應(yīng)試驗。試驗前燃機(jī)發(fā)電機(jī)（GT）工況為：P=295.72MW、Q=76.29Mvar、Ug=16.43kV，汽機(jī)發(fā)電機(jī)（ST）工況為：P=151.29MW、Q=32.95Mvar、Ug=15.92kV。在燃機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器中設(shè)定+2%額定電壓的階躍量，進(jìn)行機(jī)端電壓-2.0%階躍時，燃機(jī)發(fā)電機(jī)組有功功率波動的峰值達(dá)到了38.79MW，約為額定有功的11.52%，振蕩3周后收斂，振蕩頻率為1.0～1.1Hz之間，擾動收斂后勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)平穩(wěn)無搶無功現(xiàn)象。階躍試驗結(jié)束后燃機(jī)無d功功率下降至Q=3.38Mvar，汽機(jī)無功功率上升至Q=6222Mvar。220kV母線電壓由232.36kV變化為231.12kV，試驗數(shù)據(jù)見表3，波形圖如圖3所示。

（2）動態(tài)增磁試驗。試驗前燃機(jī)發(fā)電機(jī)（GT）工況為：P=293.55MW、Q=76.21Mvar、Ug=16.40kV，汽機(jī)發(fā)電機(jī)（ST）工況為：P=152.31MW、Q=32.96Mvar、Ug=15.94kV。在汽機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器在自動方式下增磁，將機(jī)端電壓給定值Uref由101.1%上升至102.1%，燃機(jī)、汽機(jī)在試驗中無功功率調(diào)節(jié)平穩(wěn)、連續(xù)，勵磁電壓無明顯晃動和異常信號，機(jī)組電壓保持正常。試驗后，汽機(jī)無功功率Q=53.37Mvar，燃機(jī)無功功率Q=60.33Mvar，220kV母線電壓由232.30kV變化為232.39kV，試驗數(shù)據(jù)見表4。

從上述圖3、表3、表4可以看出燃?xì)狻羝麢C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定后，提高了兩臺發(fā)電機(jī)的無功電壓調(diào)節(jié)潛力，燃?xì)鈾C(jī)組（GT）進(jìn)行2%下階躍擾動后，無功功率正常波動，機(jī)組阻尼正常，燃機(jī)、汽機(jī)間的無功功率分配均衡，搶無功現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，參數(shù)優(yōu)化后減少了系統(tǒng)電壓的波動幅度，改善機(jī)組與電網(wǎng)之間的電壓水平。由此可以說明優(yōu)化后燃?xì)狻羝麢C(jī)組勵磁系統(tǒng)的無功功率調(diào)整方向及無功功率分配均衡，機(jī)組運行穩(wěn)定，證明了本文優(yōu)化整定的正確性。

結(jié)論

本文分析了燃?xì)狻羝麢C(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定對系統(tǒng)電網(wǎng)的影響。結(jié)合廣東電網(wǎng)內(nèi)新建燃?xì)狻羝麢C(jī)組的實際情況，其中同一母線并網(wǎng)點的主變壓器短路電抗相差較大（個別燃機(jī)組的主變壓器短路電抗為20%），將同一套機(jī)組勵磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)從0改為負(fù)值，以此補(bǔ)償升壓變壓器的電壓降，調(diào)整后總體風(fēng)險可控，考慮到燃?xì)狻羝麢C(jī)組無功功率分配的穩(wěn)定情況，并列點的總調(diào)差系數(shù)應(yīng)整定一致，從而避免機(jī)組之間無功功率分配不均的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]米國富.燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用[J].廣西電力建設(shè)科技信息，2005（4）：18-19.

[2]謝哲.現(xiàn)階段我國微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展與應(yīng)用推廣[J].科技與創(chuàng)新，2018（8）：160-161.

[3]朱桂萍，王樹民.電能質(zhì)量質(zhì)量控制技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26（19）：28-31.

[4]邱軍，梁才浩.電廠電壓無功控制策略和實現(xiàn)方式[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2004，16（2）：69-72.

[5]李志恒，付紅軍，孫建華，等.電廠側(cè)自動電壓控制系統(tǒng)電壓控制策略的改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（9）：96-99.

[6]霍承祥，劉取，劉增煌.勵磁系統(tǒng)附加調(diào)差對發(fā)電機(jī)阻尼特性影響的機(jī)制分析及試驗[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，33（10）：59-63.

[7]程林，孫元章，賈宇，等.發(fā)電機(jī)勵磁控制中負(fù)荷補(bǔ)償對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（25）：32-37.

[8]孫元章，賈宇，程林，等.發(fā)電機(jī)勵磁控制中負(fù)荷補(bǔ)償系數(shù)優(yōu)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26（33）：20-24.

[9]張俊峰，李鵬，蘇寅生，李智歡.勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定存在的風(fēng)險分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（20）：141-145，151.

[10]DL/T843—2010.《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》[S].北京：中國電力出版社，2011，4.

作者簡介：馬明銳（1986—?），男，工程碩士，中級工程師，研究方向：電力電子及發(fā)電機(jī)勵磁。