楊 勇,周光厚,吳弘玲,何 偉,鄒應(yīng)冬

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司,德陽 618000)

0 引言

在某些國家和地區(qū),電網(wǎng)建設(shè)相對(duì)落后,線路老化嚴(yán)重,輸電損耗大;輸電通道不足,與周邊電網(wǎng)的互聯(lián)互通程度也不高,用電高峰期的“電荒”現(xiàn)象凸顯。因此,這些地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性相對(duì)較差,電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)范圍較大。為了適應(yīng)電網(wǎng)的特殊運(yùn)行需求,電力公司通常要求發(fā)電機(jī)在超出IEC和GB標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電壓和頻率安全運(yùn)行范圍外長期或短時(shí)運(yùn)行。然而,電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng),將直接影響到發(fā)電機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行,主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:

(1) 電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)可能會(huì)引起發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組溫度過高,損傷繞組絕緣,進(jìn)而影響機(jī)組的使用壽命;

(2) 電網(wǎng)電壓的升高會(huì)使機(jī)組勵(lì)磁電流增大,發(fā)電機(jī)定子鐵心磁密和損耗也會(huì)相應(yīng)增加,長期過磁通運(yùn)行也會(huì)大幅增加鐵心燒損的風(fēng)險(xiǎn);

(3) 電網(wǎng)頻率的波動(dòng)幅度過大可能會(huì)造成機(jī)組失步振蕩;

(4) 機(jī)組長期超速運(yùn)行和轉(zhuǎn)速頻繁變化將會(huì)對(duì)相關(guān)部件的動(dòng)力特性及疲勞壽命有一定影響。

經(jīng)常超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍運(yùn)行,無疑對(duì)大型發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。本文將結(jié)合某電力公司提出的技術(shù)要求,以某水輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)對(duì)其運(yùn)行溫度、運(yùn)行穩(wěn)定性、部件的動(dòng)力特性及疲勞壽命影響進(jìn)行研究和分析。

1 發(fā)電機(jī)VF運(yùn)行區(qū)域及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

1．1 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的發(fā)電機(jī)電壓和頻率運(yùn)行限值

IEC 60034-1和IEC 60034-3標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的發(fā)電機(jī)電壓和頻率運(yùn)行限值如圖1所示。發(fā)電機(jī)應(yīng)能夠在A區(qū)域內(nèi)(電壓偏差±5%,頻率偏差±2%)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)電機(jī)溫度和溫升限值僅適用于額定運(yùn)行點(diǎn)(額定容量、額定電壓、額定頻率)。但當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在A區(qū)域邊界或B區(qū)域時(shí),其溫升或溫度可能會(huì)比A區(qū)域更高,應(yīng)在運(yùn)行持續(xù)時(shí)間、運(yùn)行頻次等方面加以限制,或者采取矯正措施(例如降低發(fā)電機(jī)組輸出)以避免發(fā)電機(jī)組溫度過高而影響繞組絕緣壽命。

圖1 IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的發(fā)電機(jī)電壓和頻率的運(yùn)行限值

1．2 某水輪發(fā)電機(jī)的電壓和頻率運(yùn)行區(qū)域

圖2陰影區(qū)域是電力公司針對(duì)某水輪發(fā)電機(jī)提出的電壓和頻率的連續(xù)運(yùn)行區(qū)域。

圖2 某水輪發(fā)電機(jī)電壓和頻率的運(yùn)行限值

從圖2可以看出,該水輪發(fā)電機(jī)的電壓和頻率運(yùn)行范圍已超出了IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的范圍。

2 針對(duì)擴(kuò)大發(fā)電機(jī)電壓和頻率運(yùn)行范圍可采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

如果按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行上述水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì),在超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍運(yùn)行時(shí),定轉(zhuǎn)子溫升會(huì)升高,在最惡劣的運(yùn)行工況(電網(wǎng)電壓維持額定,電網(wǎng)頻率偏差-6%)時(shí),轉(zhuǎn)子繞組的溫升將上升約20 K,已接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值,將直接影響機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命。

為了滿足電力公司增大電壓和頻率運(yùn)行范圍的要求以及保證水輪發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí),可以采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。

在機(jī)組運(yùn)行溫升及磁密水平控制方面的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)措施有:

(1) 增加磁極線圈匝數(shù)來降低轉(zhuǎn)子電密,從而降低轉(zhuǎn)子溫升;

(2) 優(yōu)化定子線棒參數(shù)(如增加股線數(shù)或股線規(guī)格)來降低定子繞組溫升;

(3) 確保機(jī)組在超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全運(yùn)行區(qū)域時(shí),定轉(zhuǎn)子磁密處于合理的范圍,避免達(dá)到材料的磁飽和區(qū)域,降低過磁通風(fēng)險(xiǎn)。

在提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性方面的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)措施有:

(1) 適當(dāng)增大短路比(即減小直軸同步電抗),可提高水輪發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性,發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)狀態(tài)(充電運(yùn)行和進(jìn)相運(yùn)行)下的穩(wěn)定性也會(huì)提高;

(2) 適當(dāng)減小直軸瞬變電抗,能提高水輪發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性;

(3) 適當(dāng)增大機(jī)組飛輪力矩,也能一定程度提高水輪發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

在部件的動(dòng)力特性和疲勞壽命方面,計(jì)算時(shí)綜合考慮了電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)的范圍及頻次的影響,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)考慮足夠的剛強(qiáng)度和足夠的安全系數(shù),緊固件連接牢靠,在超出標(biāo)準(zhǔn)范圍超速運(yùn)行時(shí)不發(fā)生有害變形,并確保部件疲勞壽命達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求[1]。

雖然,通過優(yōu)化電磁和結(jié)構(gòu)參數(shù),可以在一定程度上擴(kuò)大水輪發(fā)電機(jī)電壓和頻率的運(yùn)行范圍,且將定轉(zhuǎn)子溫升控制在合理范圍內(nèi),但是會(huì)增加發(fā)電機(jī)的有效材料和生產(chǎn)制造成本。

通過對(duì)某水輪發(fā)電機(jī)采取相應(yīng)的綜合優(yōu)化措施后,其基本參數(shù)如表1所示。

表1 某水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

3 電壓和頻率的波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響

本節(jié)以上述水輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)圖2運(yùn)行區(qū)域邊界上各點(diǎn)進(jìn)行溫度或溫升計(jì)算分析。詳細(xì)的計(jì)算工況如圖3所示。各計(jì)算工況水輪發(fā)電機(jī)額定出力(額定容量225 MVA,額定功率因數(shù)0.80)維持不變。

根據(jù)該水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的分析計(jì)算結(jié)果,在額定負(fù)載運(yùn)行工況(工況點(diǎn)1)下,發(fā)電機(jī)定子繞組溫升為40 K,轉(zhuǎn)子繞組平均溫升為62.1 K,如圖4所示。

圖4 額定負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)繞組溫度場計(jì)算結(jié)果

定轉(zhuǎn)子繞組的銅耗與其電流平方成正比,在散熱條件不變的情況下,定轉(zhuǎn)子繞組的溫升可近似按照與電流的平方成正比進(jìn)行推算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)電網(wǎng)電壓維持額定,且頻率偏差-6%時(shí)(工況點(diǎn)12),發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流最大,此工況下轉(zhuǎn)子繞組平均溫升較額定負(fù)載上升約20%,但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且有一定裕度;當(dāng)電網(wǎng)電壓偏差-5%時(shí),發(fā)電機(jī)定子電流最大,定子繞組溫升較額定負(fù)載上升約10%,溫升裕度較大。

通過不同運(yùn)行工況點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,可得出在電網(wǎng)頻率恒定,電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響規(guī)律,如圖5(a)所示;在電網(wǎng)電壓恒定,頻率波動(dòng)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響規(guī)律,如圖5(b)所示。

圖5 電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)對(duì)繞組溫升的影響

通過上述分析可以看出,電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)溫升的限制主要在轉(zhuǎn)子方面。發(fā)電機(jī)組應(yīng)盡量避免在電網(wǎng)電壓較高且頻率負(fù)偏差時(shí)長期運(yùn)行,防止轉(zhuǎn)子繞組溫度過高,損傷絕緣,進(jìn)而減小機(jī)組的使用壽命。

當(dāng)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫度較高時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行限制性運(yùn)行,例如減小機(jī)組無功輸出,從而減小勵(lì)磁電流,但發(fā)電機(jī)組在無功減小時(shí),功角會(huì)逐漸增大,尤其在發(fā)電機(jī)組在進(jìn)相運(yùn)行時(shí),穩(wěn)定性會(huì)變差。

4 頻率波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

本節(jié)建立了上述水輪發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)耦合仿真計(jì)算模型,如圖6所示。在維持發(fā)電機(jī)組額定出力(額定有功功率、額定功率因數(shù))的情況下,通過控制電網(wǎng)頻率參數(shù)變化,完成了在電網(wǎng)頻率變化時(shí)發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)運(yùn)行過程的仿真。

圖6 某水輪發(fā)電機(jī)網(wǎng)機(jī)耦合仿真模型

電網(wǎng)頻率單次1 Hz波動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)有功、無功、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速、功角的變化曲線如圖7所示。

圖7 電網(wǎng)頻率小幅變化對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的影響

仿真結(jié)果表明:在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)組能夠維持額定出力,轉(zhuǎn)速隨電網(wǎng)頻率變化而變化,最終穩(wěn)定在與電網(wǎng)頻率相對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速。由于發(fā)電機(jī)端電壓不變,電網(wǎng)頻率增大時(shí),勵(lì)磁電流減小;電網(wǎng)頻率減小時(shí),勵(lì)磁電流增大。頻率波動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)功角影響較小。但發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速的振蕩幅度與頻率波動(dòng)幅度正相關(guān);當(dāng)頻率波動(dòng)幅度較大時(shí),將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組失步振蕩。

5 結(jié)論

(1) 電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)對(duì)大型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度、運(yùn)行穩(wěn)定性、部件動(dòng)力特性及疲勞壽命會(huì)產(chǎn)生較大的影響。結(jié)合電力公司針對(duì)某水輪發(fā)電機(jī)組提出的特殊運(yùn)行需求,本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施,但往往會(huì)使機(jī)組的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造成本增加。

(2) 本文通過有限元分析計(jì)算和暫態(tài)過渡過程仿真分析的方法,對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)對(duì)某水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度和穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明,該發(fā)電機(jī)在采取相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施后,定轉(zhuǎn)子繞組溫升明顯降低且有一定的裕度,運(yùn)行穩(wěn)定性較好。

(3) 鑒于以上分析,建議大型發(fā)電機(jī)組在IEC和GB標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電壓和頻率安全運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行。若機(jī)組經(jīng)常超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定區(qū)域運(yùn)行,電站運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)相應(yīng)增加機(jī)組的檢修頻次和力度,并加強(qiáng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。此外發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓和頻率偏差較大的情況下運(yùn)行時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)限制措施,例如適當(dāng)減小機(jī)組無功輸出,從而減小勵(lì)磁電流。