呂艷玲+張婕+高鈺婷

摘 要：針對同步發(fā)電機進相運行時會引起功角增大進而影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。首先采用MATLAB/ Simulink建立QFQS2002汽輪發(fā)電機組仿真系統(tǒng)模型，利用該模型依次模擬帶100%、80%、60%負載工況下進相運行狀態(tài)，得出單機進相的運行特點；接著依據(jù)實際電廠中該型號發(fā)電機組相同工況下進相運行試驗數(shù)據(jù)，將其與仿真結(jié)果對比，驗證了該模型的準確性；然后針對發(fā)電機帶60%負載的工況進行深度進相仿真，分析出進相過深會引起功角振蕩系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，理應(yīng)避免深度進相；最后建立多機進相系統(tǒng)仿真模型并進行進相運行仿真，分析得出多機進相可避免單機進相過深，使功角在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：

仿真模型； 試驗； 進相深度； 穩(wěn)定性分析

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.008

中圖分類號： TM 743

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）06-0039-07

Abstract：In order to solve the problem that synchronous generator leading phase operation can enlarge the power angle，which will impact system stability， firstly the type QFQS200 large turbine generator leading phase system simulation model is set up by MATLAB/Simulink software. Then with 100 %， 80% and 60% load conditions，the generator simulation model converts lagging to leading power factor state.And we can get the characteristics of single generator leading phase operation. Compared with the simulation results， the data of the same type generator unit under the same working condition， verify the accuracy of the proposed model. Afterwards， the depth in phase simulation of the generator model with 60% load is carried out， and the results show that the deeper generator in phase the more power angle oscillations is，the system stability will lose，too.Making sure generator operation under the optimal phase depth is necessary. Finally， multigenerators leading phase system simulation model is established， and the model is used to simulate the leading phase operation.It is concluded that the multimachine inphase can avoid the single unit getting deep in leading phase， and have good stability.

Keywords：simulation modeling； experiments； power syetem stability

0 引 言

隨著大容量機組的投入、地區(qū)電網(wǎng)的聯(lián)合、分布式電網(wǎng)的并入、供電電纜的廣泛使用、輸電配電線路的增加，系統(tǒng)中樞點母線電壓普遍升高，線路無功功率明顯過剩。這已經(jīng)成為電力系統(tǒng)突出的問題。過多的無功功率不僅會影響電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，還會影響設(shè)備的運行質(zhì)量。在電力系統(tǒng)中選取合適的大容量發(fā)電機組進相運行，即在保持發(fā)出有功功率不變的情況下，調(diào)節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機進入欠勵磁狀態(tài)。進相運行的機組功率因數(shù)從正轉(zhuǎn)負，向系統(tǒng)發(fā)出容性無功，進而降低系統(tǒng)運行電壓 [1]。

本文以一臺QFQS2002汽輪發(fā)電機為研究對象，利用MATLAB/Simulink軟件，建立帶有自動勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電機進相運行系統(tǒng)模型。首先，分3種工況進行仿真，與電廠相同工況運行的實際試數(shù)據(jù)相對比，驗證模型的正確性。然后，針對發(fā)電機帶有120MW負載的工況，分析進相深度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的的影響。最后，在此模型基礎(chǔ)上增加一臺汽輪發(fā)電機組，研究兩臺機組進相運行的特點與優(yōu)勢。

1 進相運行制約條件

發(fā)電機進相能力一般與本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)、特性以及冷卻方式有關(guān)。在維持有功功率恒定情況下，調(diào)節(jié)勵磁電壓，進而改變發(fā)電機的定子感應(yīng)電勢。在功率因數(shù)由正轉(zhuǎn)負的過程中，無功功率從感性轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪?。隨著勵磁電流越來越低，進相程度加深，功角越來越大，這必然會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。功角的變化會導(dǎo)致發(fā)電機端部漏磁增加，使定子端部發(fā)熱加重。發(fā)電機進相運行過程中，機端電壓也會跟著降低，一般規(guī)定最低電壓不能超過90%的額定電壓。所以進相運行要受到穩(wěn)定極限、定子鐵芯溫升、機端最低電壓的條件制約 [1]。

隨著制造工藝水平的提高與氫冷技術(shù)的大量采用，定子端部因為漏磁通的影響導(dǎo)致局部過熱不再是大容量發(fā)電機進相運行主要限制條件 [2]。在發(fā)電廠通常采用提高母線電壓的方式緩解廠用電的電壓問題，但輔助設(shè)備的增加使廠用負荷加大，即使母線提高電壓，機端電壓降低的影響也越來越大，不能忽視 [3]。功角增大可能威脅系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定，一旦機組運行在臨界區(qū)域時會影響系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，而且相鄰發(fā)電機運行方式差別較大還易引起系統(tǒng)的低頻振蕩 [1]。勵磁降低則易引起失磁保護動作。綜上分析可知，進相運行帶來的穩(wěn)定性問題主要是勵磁減小和功角增大帶來的穩(wěn)定極限問題 [2-4]。endprint

2 發(fā)電機進相運行系統(tǒng)仿真分析

2.1 建立模型

以最具代表性的QFQS2002大型汽輪發(fā)電機為研究對象，基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立發(fā)電機模型。發(fā)電機的基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)進相運行技術(shù)要求：參加進相運行的機組必須投運具備低勵限制功能的勵磁調(diào)節(jié)裝置，按要求進行整定，再經(jīng)過實際校核后方可投運。另外相鄰遲相運行機組亦需投入勵磁調(diào)節(jié)裝置 [5]。因此在進行進相運行仿真分析過程中，汽輪發(fā)電機的勵磁部分將采用簡單可靠的自并勵方式，并加裝自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

為了保持有功功率不變，假定原動機的出力不變，對于機械轉(zhuǎn)矩輸入設(shè)置為常數(shù)，并通過變壓器與無窮大系統(tǒng)連接。通過在勵磁電壓調(diào)節(jié)模塊中降低勵磁電壓，實現(xiàn)進相運行。仿真模型如圖1所示。

2.2 單機進相運行仿真分析

利用已經(jīng)建立的同步發(fā)電機進相運行系統(tǒng)仿真模型，分別對發(fā)電機帶有功功率P為200MW、P為160MW、P為120MW 3種工況，進行進相仿真，分析各電氣量參數(shù)變化過程。在仿真過程中，設(shè)置額定轉(zhuǎn)矩輸入，且保持不變，總仿真時間為30s。當(dāng)t=15s時，勵磁電壓均減小0.02pu（標(biāo)幺值），使發(fā)電機進入進相運行狀態(tài)。忽略系統(tǒng)前期不穩(wěn)定的過程，從系統(tǒng)穩(wěn)定運行后開始記錄，將3種工況仿真結(jié)果進行對比。仿真結(jié)果如圖2至圖7所示。

從圖2～圖7可以看出，仿真開始5s后，系統(tǒng)已經(jīng)進入穩(wěn)定，此時發(fā)電機屬于常規(guī)的遲相運行狀態(tài)。發(fā)電機發(fā)出有功功率分別為1pu、0.8pu、0.6pu，并向系統(tǒng)發(fā)出無功功率分別為0.05pu、0.1pu、0.15pu，在t=15s時降低勵磁電壓，大約經(jīng)過3s左右，振蕩減小，各電氣量再次趨于穩(wěn)定。

當(dāng)有功功率為200MW（即P=1pu）時，可以分析出有功功率基本維持在1pu，無功功率從0.05pu降到-0.12pu，功角由54.6°升高到60.8°，定子電流約增加幅度2%，定子電壓降低幅度約為3%。

當(dāng)有功功率為160MW（即P=0.8pu）時，有功功率0.8pu仍不變，無功功率從0.1pu降到-0.247pu，功角由45°升到61°，定子電流增加幅度約為5%，定子電壓降低幅度約為4%。

同樣，還可以得到有功功率為120MW（即P=0.6pu）時，有功功率不變，無功功率從0.15pu降到-0.38pu，功角由36°升到66.5°，定子電流增加幅度約為12%，定子電壓降低幅度約為6%。

從以上3種工況仿真結(jié)果對比得出，發(fā)電機帶60%負載進相運行，吸收的無功功率最大，功角增加的幅度最大；帶100%負載進相運行，吸收的無功功率最少，功角增加的幅度最小。分析得出，要加深發(fā)電機進相深度，可以通過適當(dāng)降低有功功率來實現(xiàn)，但同時需要考慮功角的變化，以免超出靜態(tài)穩(wěn)定極限。

3 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

根據(jù)電網(wǎng)安全性評價，電網(wǎng)中容量在200MW及以上機組應(yīng)該具備進相運行能力的有關(guān)要求，對某發(fā)電廠5#機組QFQS2002發(fā)電機進行了運用型進相運行的試驗。試驗全程監(jiān)測并記錄，配合SAVR200型微機式自動勵磁調(diào)節(jié)器，并事先將低勵磁限制值整定好。試驗分三種工況進行：

①工況1，發(fā)電機帶200MW有功功率，無功功率由遲相10Mvar降到進相-30Mvar試驗；

②工況2，發(fā)電機帶160MW有功功率，無功功率由遲相10Mvar降到進相-37.5Mvar試驗；

③工況3，發(fā)電機帶120MW有功功率，無功功率由遲相10Mvar降到進相-45Mvar試驗。

試驗與仿真結(jié)果對比如表2所示。

試驗對有功功率、無功功率、機端電壓、定子電流、功角以及功率因數(shù)這五種電氣參數(shù)進行觀測，從試驗數(shù)據(jù)來看，同步發(fā)電機進相后機端電壓降低、定子電流增大、功率因數(shù)變負，各種電氣參數(shù)變化規(guī)律與理論相符。進相試驗中功角作為重點觀察對象，可以看出功角一直保持在70°范圍以內(nèi)，發(fā)電機運行安全 [6-10]。

將仿真與試驗結(jié)果對比可以看出兩者存在一些誤差：定子電壓仿真結(jié)果略高于試驗結(jié)果，最大誤差為2.98%；定子電流仿真結(jié)果略低于試驗結(jié)果，最大誤差為-5.25%；功角的走勢與試驗值相符；有功功率和無功功率與試驗值比較幾乎一致。由此驗證了該仿真模型的準確性與實用性。

4 進相深度及穩(wěn)定性分析

繼模型準確性驗證完成，接下來利用該模型研究發(fā)電機的最大進相深度?；谇拔牡姆治?，在同步發(fā)電機帶有功功率120MW即P=0.6pu的工況下，進行最大進相深度的仿真分析，尋找該工況下進相穩(wěn)定運行的勵磁電壓最小值，以及吸收無功功率的最大值 [11-13]。在系統(tǒng)仿真模型中設(shè)置總仿真時間為100s，勵磁電壓為階梯式變化，在t=20s時降低勵磁電壓0.05pu，使系統(tǒng)迅速進入進相狀態(tài)。之后每隔20s等幅度降低一次，降低幅度為0.01pu，觀察各電氣量參數(shù)變化，仿真結(jié)果如圖8～圖11所示。

從上面仿真結(jié)果中可以看到，在0s

從圖中10可以看到，功角上升到100°，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，此時發(fā)電機發(fā)出的無功功率達到-0.7pu，即從系統(tǒng)吸收無功功率為114Mvar，定子電流增加30%，機端電壓降低10%。

當(dāng)t=80s即勵磁電壓降低到0.91pu時，系統(tǒng)無法繼續(xù)維持穩(wěn)定，開始振蕩。如果再繼續(xù)降低勵磁可能引發(fā)系統(tǒng)失步，此時為進相極限。故建議對實際機組采取進相運行過程中，勵磁電壓要始終大于該值。

從電壓的角度來看，在發(fā)生振蕩之前，t=60s，勵磁電壓為0.92pu，機端電壓降至10600V，此時電壓下降了10%，發(fā)電廠的廠用電一般由機端電壓母線接入，前文已闡述過，廠用電壓降低最多不能超過10%，所以電壓已經(jīng)達到極限。

從功角的角度來看，發(fā)生振蕩之前，t=60s，勵磁電壓為0.92pu，發(fā)電機功角為107°，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行。雖然在自動勵磁調(diào)節(jié)器的輔助作用下，靜態(tài)穩(wěn)定極限范圍擴大了，但是進相運行之后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度較低，此時發(fā)電機失穩(wěn)的風(fēng)險很高。

按照運行規(guī)范要求，接有自動勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電機組靜穩(wěn)極限功角可大于90°。但從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性考慮，應(yīng)保留一定的安全裕度。故采取進相運行功角也應(yīng)在90°范圍內(nèi) [2，6]。

仿真過程中進行到t=40s時，勵磁電壓降低到0.93pu，功角約為87°，系統(tǒng)有足夠的安全裕度，此時電壓降低幅度8%，無功功率-0.6pu，約吸收73.8Mvar，既符合對進相運行機組的要求，也能達到減少系統(tǒng)無功降低機端電壓的要求。

所以綜合上述分析，對于發(fā)電機帶有功功率120MW時實施進相運行，勵磁電壓降到0.93pu吸收無功功率73.8Mvar是最大進相深度

5 多機進相系統(tǒng)仿真分析

在同一發(fā)電廠內(nèi)，其中進相運行的機組吸收系統(tǒng)無功，正常運行的其他發(fā)電機組就會補發(fā)這部分的無功，使最后輸送到系統(tǒng)的無功功率總量無變化，降低了進相運行發(fā)電機組的電壓調(diào)節(jié)效果 [8]。如果能讓多臺機組共同進相運行，既可以有效避免單機進相過深，還能緩解其他機組進行補發(fā)的現(xiàn)象 [14-16]。由此在原有模型基礎(chǔ)上搭建兩臺機組進相運行仿真模型。

采用相同類型的汽輪發(fā)電機組，經(jīng)由不同的變壓器與電網(wǎng)相連，通過設(shè)置輸電線路的參數(shù)，來實現(xiàn)電氣距離的改變。兩臺發(fā)電機組進相運行仿真系統(tǒng)模型圖如圖11所示。

本次仿真過程中，首先取編號為00的機組進相運行，另一臺編號為01的機組保持遲相運行狀態(tài)。兩臺機組均帶有額定功率，設(shè)置總仿真時間為50s，在15s時降低勵磁電壓0.01pu，編號00發(fā)電機轉(zhuǎn)入進相運行狀態(tài)，編號01發(fā)電機組不作改變。經(jīng)過一小段時間波動，整個系統(tǒng)進入穩(wěn)定。調(diào)節(jié)勵磁電壓后，兩臺發(fā)電機分別處于不同的運行狀態(tài)下，將兩臺機組相同電氣量的參數(shù)變化數(shù)據(jù)放在一起比較，各電氣量變化曲線如圖13～圖15所示。

仿真結(jié)果表明：遲相運行的機組發(fā)出有功功率和無功功率。進相運行的機組發(fā)出有功功率，并吸收系統(tǒng)無功功率。發(fā)電機組運行方式產(chǎn)生差別后，遲相運行的機組會增發(fā)一部分無功功率，輸入到系統(tǒng)的無功功率總量改變甚少，相當(dāng)于補償進相機組吸收的無功功率，系統(tǒng)電壓降低幅度很小，調(diào)節(jié)電壓效果差。可以看出兩臺機組運行方式不同導(dǎo)致功角相差較大，存在發(fā)生電氣振蕩的可能，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。

然后利用上面模型進行兩臺機組在額定工況下同時進相的仿真分析，設(shè)置總仿真時間仍為35s，在15s時同時調(diào)節(jié)勵磁電壓，使兩臺發(fā)電機組勵磁電壓均從1pu降低0.02pu，兩臺機組進入進相運行狀態(tài)。經(jīng)小波動后，系統(tǒng)進入穩(wěn)定。仿真結(jié)果如圖16～20所示。

從仿真結(jié)果來看，兩臺發(fā)電機有功功率基本一致，無功功率降低幅度相差不多，輸入電網(wǎng)電壓一致，定子電流因為電氣距離的影響，而有較為明顯的差別?？傮w上，各電氣量參數(shù)變化趨勢正確，且與單機進相變化規(guī)律相符。

仿真結(jié)果顯示，從系統(tǒng)吸收的無功功率累計約0.8pu（即98.4Mvar），機端電壓下降1000V（即降低8%）。與單機額定工況下采取進相運行相比較，單機進相勵磁電壓降低0.04pu，吸收無功功率0.295（即24Mvar），電壓下降300V，僅從進相深度角度考慮，單機進相勵磁電壓降低過多，吸收無功較少，電壓調(diào)節(jié)效果不如多機進相明顯。

一般來說，負荷低谷時系統(tǒng)無功功率過剩，電壓也較高，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度增大，而多臺機組同時進相運行則會使電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性下降，因此應(yīng)該更加注意監(jiān)測各電氣量參數(shù)的變化，及時增加勵磁將發(fā)電機轉(zhuǎn)入遲相運行狀態(tài)，以免發(fā)生失穩(wěn)或失步的現(xiàn)象 [17-22]。仿真過程中，功角從45°增加至65°幅度不是很大，發(fā)電機仍在安全運行區(qū)域。

綜上，多機進相時既要注意相鄰發(fā)電機組補發(fā)無功的現(xiàn)象，也要注意進相運行的機組電氣量參數(shù)變化的監(jiān)測。多機進相運行相比單機進相運行，不僅能夠避免單機進相過深導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定裕度減小的風(fēng)險，而且多臺機組共同吸收系統(tǒng)無功功率，降低系統(tǒng)運行電壓，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響更小。

6 結(jié) 論

本文以型號為QFQS2002的200MW汽輪發(fā)電機為研究對象，利用MATLAB/Simulink軟件平臺，建立了較為細致的仿真模型，并在三種工況下進行進相運行分析，且與省內(nèi)某廠的同型號機組進相運行的試驗數(shù)據(jù)做了對比分析，分析了發(fā)電機帶120MW有功功率時進相深度的影響，以及發(fā)電機帶額定有功功率下兩臺發(fā)電機機組進相運行的特點，結(jié)論如下：

1）仿真與試驗結(jié)果對比，驗證所建立的發(fā)電機進相運行系統(tǒng)仿真模型合理，分析方法正確。

2）要提高發(fā)電機進相深度，可以用適當(dāng)降低有功功率來實現(xiàn)。從電氣角度來看，機端電壓降低對廠用電的影響和功角增大使暫態(tài)穩(wěn)定性降低，這兩方面確實限制了機組的進相深度。

3）多臺機組并聯(lián)運行時若僅一臺進相，同一電廠內(nèi)的其他機組可能會補發(fā)這部分無功，抵消進相運行的效果。如果多臺機組同時進相，可以避免單個機組進相過深，對電壓調(diào)節(jié)效果更顯著。

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（編輯：關(guān) 毅）endprint