不同系統(tǒng)接線方式下電壓調(diào)差率的 整定計(jì)算

陳延云 蔡 培 王 銳 戴申華

（1. 國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210031； 2. 陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031；3. 安徽省電力科學(xué)研究院，合肥 230601）

并列運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)組通常借助于電壓調(diào)差率來實(shí)現(xiàn)無功功率穩(wěn)定合理的分配。發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)差率包括自然調(diào)差率和附加調(diào)差率。自然調(diào)差率又稱靜差率，現(xiàn)代勵(lì)磁控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)增益很大，等于或近似于無差調(diào)節(jié)，其自然調(diào)差率很小，僅靠自然調(diào)差率是不能滿足機(jī)組無功功率分配要求的。為保障機(jī)組和電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，通常需要配置合適的附加調(diào)差[1]。若勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過大，當(dāng)發(fā)電機(jī)追蹤負(fù)荷無功變化時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行電壓波動(dòng)較大，從而影響電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；若勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過小，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行電壓微小的變化時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出更多的無功功率，同時(shí)對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組將會(huì)發(fā)生搶無功現(xiàn)象，不利于發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行[2]。

目前，對(duì)于電壓調(diào)差率整定的基本原則、極性選擇方面已有不少文獻(xiàn)作過討論[3-5]。對(duì)于機(jī)端直接并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，為了使無功電流能夠穩(wěn)定分配，需要一定的正調(diào)差，附加調(diào)差系數(shù)應(yīng)為正。當(dāng)兩臺(tái)及以上發(fā)變組單元在高壓側(cè)母線并列時(shí)，為了機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行，要求各個(gè)機(jī)組在并列點(diǎn)的調(diào)差系數(shù)為正調(diào)差。對(duì)于在高壓側(cè)并聯(lián)的發(fā)電機(jī)變壓器組，由于升壓變壓器電抗大，發(fā)電機(jī)無功負(fù)荷增大時(shí)，高壓母線電壓下降過多，不利于穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用負(fù)的附加調(diào)差系數(shù)以補(bǔ)償變壓器電抗。

筆者曾對(duì)國(guó)內(nèi)各區(qū)域電網(wǎng)大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的整定現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)調(diào)差系數(shù)的整定工作存在很大的隨意性，區(qū)域差異較大，定值整定范圍寬、管理不規(guī)范等問題較突出，有些機(jī)組甚至不投入附加調(diào)差環(huán)節(jié)，極大的影響了機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力。為此，對(duì)常見系統(tǒng)接線方式下的調(diào)差率整定計(jì)算進(jìn)行分析研究，為發(fā)電廠提供具有實(shí)用價(jià)值的整定計(jì)算方法，對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

1 發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線

目前，大型發(fā)電機(jī)組一般采用發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線方式，通過主變高壓側(cè)母線并列，并列點(diǎn)處的調(diào)差系數(shù)決定了各機(jī)組之間的無功分配關(guān)系和并列點(diǎn)處電壓。這種接線方式中，由于變壓器電抗大，發(fā)電機(jī)無功負(fù)荷增大時(shí)，高壓母線電壓下降過多，不利于穩(wěn)定運(yùn)行，需采用負(fù)的附加調(diào)差系數(shù)以補(bǔ)償變壓器電抗，加快高壓母線的電壓響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

1.1 整定計(jì)算

主變短路阻抗以主變?nèi)萘繛榛?，?lì)磁附加調(diào)差以發(fā)電機(jī)額定容量為基值，兩者需轉(zhuǎn)換到同一電壓等級(jí)下的有名值進(jìn)行計(jì)算。主變短路阻抗有名值發(fā)電機(jī)附加調(diào)差有名值為兩者相加后得到并列機(jī)組在有功電流為零時(shí)電壓調(diào)差率的有名值：

將式（2）化簡(jiǎn)得到

式（3）就是標(biāo)準(zhǔn)DL/T 843—2010 中給出的電壓調(diào)差率整定計(jì)算公式[6]。

1.2 算例

某火力發(fā)電廠總裝機(jī)容量為2×125MW，發(fā)電機(jī)通過主變壓器接入220kV系統(tǒng)。機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組參數(shù)

設(shè)定DT= 5%，根據(jù)式（3），計(jì)算得到調(diào)差率為-8.57%（以發(fā)電機(jī)額定容量為基值），結(jié)果符合工程應(yīng)用需求。

特別值得一提的是，對(duì)于式（3），計(jì)算主變壓器高壓側(cè)并列發(fā)電機(jī)變壓器組的調(diào)差率，涉及到主變壓器的額定電壓和額定電流。主變壓器和發(fā)電機(jī)用同一電壓側(cè)的電壓和電流，即：主變壓器用低壓側(cè)的額定電壓和電流時(shí)，發(fā)電機(jī)也用同一低壓側(cè)的額定電壓和電流，主變壓器用高壓側(cè)的額定電壓和電流時(shí)，發(fā)電機(jī)的額定電壓和電流應(yīng)折算到高壓側(cè)。

2 經(jīng)三繞組變壓器并列接線

相對(duì)于發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線方式，經(jīng)三繞組變壓器并列的接線方式較復(fù)雜，調(diào)差率設(shè)置考慮因素較多。圖1中，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)通過兩臺(tái)三繞組變壓器分別在高、中壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)接入電網(wǎng)，中壓側(cè)母線為本地負(fù)荷母線，無功需求較大。建立該并聯(lián)方式的等效電路，如圖2所示。

圖1 發(fā)電機(jī)經(jīng)過三繞組變壓器并列運(yùn)行

圖2 等效電路

U11、U21分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，U2、U3分別為35kV 和220kV 母線電壓，I11、I12、I13、I21、I22、I23分別為發(fā)電機(jī)和變壓器的無功電流。由于變壓器的兩端電壓相角差和電阻很小，所以變壓器的電壓損耗近似用無功電流在阻抗上的電壓降來代替。

根據(jù)圖2，有以下四個(gè)公式成立：

聯(lián)立式（5）至式（7），消去I12、I13，可得出U10的計(jì)算公式：

由式（4）和式（8），可得#1 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓：

設(shè)#1 機(jī)組調(diào)差系數(shù)為XC1，#2 機(jī)組調(diào)差系數(shù)為XC2，Uref1為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給定值，綜合考慮調(diào)差環(huán)節(jié)的影響，可得#1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出偏差為

若此時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)增益為KA，則由式（10），可得出勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出的勵(lì)磁電壓EFD1為

同理，可得到#2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出的勵(lì)磁電壓EFD2為

2.1 調(diào)差率設(shè)置對(duì)無功平衡影響分析

取中間量X′1、X′2：

1）設(shè)置方式一：XC1＜X1′，且XC2＜X2′

此時(shí)在#1 發(fā)電機(jī)和#2 發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流ΔI，從式（11）可見，EFD1有一個(gè)正的增量，同時(shí)，EFD2有一個(gè)負(fù)的增量，而EFD1的增大和EFD2的減小將導(dǎo)致ΔI繼續(xù)增大，最終出現(xiàn)#2 發(fā)電機(jī)深度進(jìn)相，#1 發(fā)電機(jī)不斷發(fā)無功的不穩(wěn)定現(xiàn)象，直至#2發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制動(dòng)作或#1 發(fā)電機(jī)過勵(lì)限制動(dòng)作。所以，這種設(shè)置是不允許的。

2）設(shè)置方式二：XC1＞X1′，且XC2＜X2′，或XC1＜X1′，且XC2＞X2′

這里我們以XC1＞X1′，且XC2＜X2′為例來分析該調(diào)差設(shè)置的最終結(jié)果。如果此時(shí)因?yàn)槟撤N原因在#1 發(fā)電機(jī)和#2 發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生環(huán)流ΔI，從公式（11）可見，EFD1有一個(gè)負(fù)的增量，同時(shí)，EFD2也有一個(gè)負(fù)的增量，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)都在降低電壓，這樣的結(jié)果就是母線電壓迅速下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，這種設(shè)置也是不允許的。

3）設(shè)置方式三：XC1＞X1′，且XC2＞X2′

如果此時(shí)在#1 發(fā)電機(jī)和#2 發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流ΔI，從公式（11）可見，EFD1有一個(gè)負(fù)的增量，同時(shí)，EFD2有一個(gè)正的增量，而EFD1減小和EFD2增大導(dǎo)致ΔI減小，這個(gè)環(huán)流越來越小，最終兩臺(tái)機(jī)組通過平衡無功分配直至穩(wěn)定，設(shè)置合理。

4）整定計(jì)算

設(shè)期望得到并列點(diǎn)的調(diào)差率為X，則XC1、XC2的計(jì)算公式為（計(jì)算過程應(yīng)將阻抗值折算到同一個(gè)標(biāo)幺系統(tǒng)下）：

如果XC1和XC2設(shè)置過大，則勵(lì)磁電壓對(duì)無功變化將十分敏感。工程實(shí)踐和相關(guān)分析計(jì)算推薦電壓調(diào)差率整定為3%～5%（以發(fā)電機(jī)額定無功功率為基值）。

2.2 算例

某熱電廠有兩臺(tái)機(jī)組通過三繞組變壓器并列運(yùn)行，機(jī)組容量63MVA，主變?nèi)萘?3MVA，調(diào)差系數(shù)初始整定值#1 機(jī)組為-3%，#2 機(jī)組為-4%。當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)2 號(hào)發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制動(dòng)作，1 號(hào)發(fā)電機(jī)無功出力增大，無功分配不穩(wěn)定。

表2 主變壓器短路電抗

根據(jù)機(jī)組參數(shù)可計(jì)算得到：

顯然屬于前文分析的調(diào)差設(shè)置類型之中的第二種（XC1＞1X′，且XC2＜2X′），是一種不正確的設(shè)置，所以出現(xiàn)了搶無功現(xiàn)象。

為了避免出現(xiàn)搶無功現(xiàn)象，將兩臺(tái)機(jī)組的調(diào)差系數(shù)設(shè)置為零，則其等效調(diào)差為3.42%，為正調(diào)差，更改調(diào)差整定值后，機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)無功調(diào)節(jié)正常，調(diào)差設(shè)置正確。

3 結(jié)論

并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，并列點(diǎn)的電壓調(diào)差率整定需綜合考慮發(fā)電機(jī)的自然調(diào)差、附加調(diào)差和主變壓器壓降等因素。對(duì)于發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線方式，標(biāo)準(zhǔn)DL/T 843—2010 中給出的整定計(jì)算公式具有很好的工程實(shí)用價(jià)值，但計(jì)算時(shí)主變壓器和發(fā)電機(jī)參數(shù)必須采用同一電壓側(cè)的電壓和電流。經(jīng)三繞組變壓器并列的接線方式，調(diào)差率設(shè)置不能簡(jiǎn)單的補(bǔ)償變壓器阻抗，要充分考慮高、中壓側(cè)的協(xié)調(diào)問題。本文針對(duì)上述兩種系統(tǒng)接線方式提出了整定計(jì)算方法，并通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了方法的有效性，希望能為類似接線的機(jī)組提供參考。

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