發(fā)電機并網(wǎng)瞬間無功沖擊分析

陳昌山, 康曉義, 馬聖恒, 方書博

(河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636)

1 基本概況

某抽水蓄能電站總裝機容量為1?200?MW?(4×300?MW)，承擔著系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用功能。電氣接線采用發(fā)電機-變壓器組單元接線，并列點在主變低壓側(cè)。該電站采用ALSTOM公司生產(chǎn)的P320微機勵磁系統(tǒng)，勵磁調(diào)節(jié)器完全雙通道設(shè)計，2套調(diào)節(jié)器之間通過串口通信進行互檢及跟蹤，正常時一套作為主用調(diào)節(jié)器運行，另一套作為備用調(diào)節(jié)器運行，當主用調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時，將自動切換到備用調(diào)節(jié)器運行。

2套調(diào)節(jié)器從軟件到硬件上完全獨立。在自動電壓調(diào)節(jié)模式下，2套調(diào)節(jié)器分別采集不同的機端PT信號，并將采集到PT信號與電壓設(shè)定值進行比較，計算二者之間的差值，將差值信號放大后送至不同的脈沖觸發(fā)模塊TTM211，通過TTM211控制可控硅的導通角，實現(xiàn)對勵磁電流的控制，從而保持機端電壓相對恒定。

該電站采用ALTOM公司生產(chǎn)的Alspa?CSR620微機式自動準同期裝置。該裝置由CPU模塊和輸入/輸出模塊組成。同期裝置檢測機組與系統(tǒng)之間的壓差、頻差和相角差，根據(jù)頻差向調(diào)速器發(fā)出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速命令，根據(jù)壓差向勵磁系統(tǒng)發(fā)出增/減磁命令。同期裝置接線如圖1所示。

圖1 同期裝置接線

同期裝置并列點PT配置如表1所示。

表1 并列點PT配置

2 事故現(xiàn)象及原因分析

2.1 事故現(xiàn)象

2019-11-15T06:00，某電站2號機發(fā)電工況啟機，機組并列瞬間，無功功率最高達-97.22?Mvar，有功負荷約1.3?MW。

2.2 影響進相深度的可能因素

2.2.1 同期條件

發(fā)電機同期并列的理想條件：UG=UN(發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓幅值相等)，fG=fN(發(fā)電機頻率等于系統(tǒng)頻率)，δ=0?(發(fā)電機與系統(tǒng)相角差為0)。實際并列過程中，這3個條件不可能完全滿足，故允許有一定偏差，使機組既能快速并網(wǎng)，又能減少對系統(tǒng)和機組的沖擊。該電站同期裝置設(shè)定壓差限值為 ±5?%US，頻差為 ±0.05?Hz，相角差為 4°。

2.2.2 同期合閘導前時間

當頻差和壓差信號小于同期限值設(shè)定時，同期裝置給機組GCB發(fā)送同期命令。該命令在機端電壓和系統(tǒng)電壓相角重合之前發(fā)出，以確保GCB在相角差為零時同期，該提前時間約等于GCB合閘時間和合閘脈沖寬度，即我們所說的導前時間。該電站同期合閘導前時間設(shè)定值為200?ms。

2.2.3 勵磁系統(tǒng)建壓模式

在自動電壓模式下，勵磁系統(tǒng)建壓模式如圖2所示。

圖2 自動電壓模式勵磁系統(tǒng)建壓示意

圖2中，預波電壓為額定電壓的70?%；最小電壓為額定電壓的95?%；最大電壓力額定電壓的105?%；機端電壓從 70?% 上升到額定電壓需 4.29?s；機端電壓從額定值上升到105?%額定值需要0.65?s，從勵磁系統(tǒng)投入到機端電壓達到額定電壓值需要4.65?s。

2.2.4 電壓調(diào)節(jié)脈沖寬度

并列過程中，同期裝置發(fā)出調(diào)壓脈沖給勵磁自動電壓調(diào)節(jié)器，勵磁自動電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)圖2的PCA1曲線斜率調(diào)節(jié)勵磁電流，從而控制機端電壓。該裝置調(diào)壓脈沖寬度為100?ms。

2.3 合閘瞬間無功沖擊具體原因分析

2.3.1 同期合閘導前時間的分析

若同期合閘導前時間大于或小于GCB合閘時間，均會造成同期時機端電壓和系統(tǒng)電壓相角差不為零，時間偏差越大，相角差越大。

檢查GCB合閘回路，未發(fā)現(xiàn)異常。查看GCB出廠試驗報告，GCB合閘時間為35.7?ms。

查看2017年GCB試驗報告，GCB合閘時間為36.7?ms左右，二者合閘時間如表2所示。對比二者試驗數(shù)據(jù)可知，GCB合閘時間未發(fā)生明顯變化。而合閘脈沖寬度為標準的100?ms，由此可知，同期合閘導前時間基本不變。根據(jù)機組長期運行積累的數(shù)據(jù)可知，同期合閘導前時間設(shè)置是合適的。若導前時間設(shè)置不合適，會導致同期時相角差偏大，相角差偏大主要會引起有功功率沖擊，使機組軸系受到?jīng)_擊。從當時機組同期過程來看，有功功率幾乎為零，機組振動和擺度未發(fā)生明顯變化,因此，可以忽略導前時間和相角差對機組進相過深的影響。

2.3.2 電壓調(diào)節(jié)脈沖寬度的分析

該電站同期裝置向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)送的電壓調(diào)節(jié)脈沖周期為 3?s，脈沖寬度為 100?ms。

脈沖周期和寬度影響AVR的調(diào)壓效果。當同期裝置檢測到機端電壓和系統(tǒng)電壓存在偏差時，同期裝置發(fā)出增/減磁命令，勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)該命令輸出一個4～20?mA量給脈沖觸發(fā)模塊TTM211。脈沖觸發(fā)模塊根據(jù)該模擬量控制晶閘管的導通角，從而控制機端電壓。若脈沖周期和寬度設(shè)置不合適，將會影響勵磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)響應速度或造成超調(diào)。根據(jù)2017年勵磁系統(tǒng)復核性試驗結(jié)果可知，電壓調(diào)節(jié)脈沖周期和寬度是合適的。

2.3.3 機端電壓和系統(tǒng)電壓壓差的分析

壓差的存在主要會引起無功沖擊，機端電壓小于系統(tǒng)電壓時，吸收無功；機端電壓大于系統(tǒng)電壓時，機組發(fā)出無功；偏差越大，無功沖擊越大。從監(jiān)控歷史曲線可以看出，并網(wǎng)時機端電壓只有17.76?kV，而系統(tǒng)電壓為 18.18?kV。

根據(jù)文獻[4]，當待并機組和系統(tǒng)側(cè)只有電壓幅值不同時，機組出口斷路器合閘時，流過發(fā)電機的沖擊電流標幺值為：

根據(jù)文獻[5]，沖擊電流最大瞬時值為：

沖擊電流ICJ為感性電流，故可計算得最大無功功率：

上式中，10.713是發(fā)電機額定電流有名值，單位kA，18是發(fā)電機額定電壓有名值，單位kV。根據(jù)上述公式計算出來的無功值與監(jiān)控歷史記錄值非常接近。

綜上所述，此次進相深度過深是由于并網(wǎng)時的電壓偏差過大導致。機組在升壓過程中，同期裝置檢測到壓差、頻差在限定值范圍內(nèi)，又恰好捕捉到了第一個并網(wǎng)時機，所以機組快速并網(wǎng)了。從監(jiān)控歷史記錄可知，從發(fā)出投入勵磁系統(tǒng)命令到機組同期并網(wǎng)時間只有5?s，機端電壓升到額定值需要4.65?s，即正在升壓過程中，機組就并網(wǎng)了。由于機端電壓小于系統(tǒng)電壓，并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生了無功沖擊，該無功沖擊電流對發(fā)電機起助磁作用，對系統(tǒng)起去磁作用。

3 故障處置

根據(jù)以往的運行情況統(tǒng)計，只出現(xiàn)過2次并網(wǎng)瞬間機組吸收大量無功的情況。且都是在勵磁系統(tǒng)投入后幾秒鐘之內(nèi)快速并網(wǎng)。

機組并網(wǎng)瞬間，雖然機組進相深度沒有達到勵磁低勵限制動作值-131?Mvar，但定子繞組端部機械強度最弱，這種沖擊日積月累會對發(fā)電機造成致命傷害，應采取措施減小沖擊電流對其造成的危害。

為了減少并網(wǎng)瞬間的無功沖擊，又不影響并網(wǎng)速度，對壓差范圍重新設(shè)置，將壓差范圍改為±4?%。這樣既能避免上述極端情況的發(fā)生，又能減少機組受到的沖擊。通過觀察發(fā)現(xiàn)，重新修改同期裝置壓差參數(shù)后，機組并網(wǎng)時吸收的無功明顯減少，最低降到了-5.8?Mvar。