0引言

抽水蓄能機組作為電網調峰填谷、調頻調壓的關鍵設備,其動態(tài)無功支撐能力對高比例新能源并網系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有重要影響[1]。傳統(tǒng)設計中,抽水工況下機組的無功調節(jié)范圍通常限制在±6 Mvar,難以滿足新能源并網后電網對電壓快速調節(jié)的需求[2]。近年來,國內外學者通過仿真分析指出,抽水工況下機組可通過勵磁系統(tǒng)優(yōu)化拓展無功增發(fā)能力,但缺乏現(xiàn)場試驗驗證[3-4]。某抽水蓄能電站4× 300 MW機組在多機抽水時,500kv母線電壓較空載降低約5kv,亟須通過無功增發(fā)提升電壓水平。

本文以該電站#2機組為研究對象,開展抽水工況下無功調節(jié)特性試驗,分析無功增發(fā)對電壓、勵磁參數(shù)及溫度的影響,明確限制因素,可為同類機組的安全運行與電網電壓調節(jié)提供技術參考。

1 設備概況

某抽水蓄能電站裝機容量4× 300 MW,主接線采用四角形接線,發(fā)電電動機經500 kv主變壓器升壓后接入500kv變電站。電氣一次主接線如圖1所示。此次試驗機組(#2)為日本HITACHI-MIT5UBI5HI-TO5HIBA聯(lián)營體制造,型號為F5300-2,冷卻方式為空冷;發(fā)電工況額定功率300 MW(功率因數(shù)0.9),抽水工況額定功率319.6 MW(功率因數(shù)0.975),額定定子電壓18 kv,定子電流10 662 A(抽水工況)。勵磁系統(tǒng)采用 日本TO5HIBA公司AM486DX5型勵磁調節(jié)器, 自并勵方式,額定勵磁電壓267.8v,勵磁電流2060A。主變壓器為天威保變55P-360000/500型,額定容量360 MvA,變比515/18 kv。機組主要參數(shù)如表1所示。

2 無功調節(jié)能力分析

2.1 已有工況無功調節(jié)特性回顧

#2機組投產初期已完成發(fā)電工況和調相工況無功試驗。發(fā)電工況下,選取120、180、240、300MW四個有功點,調節(jié)勵磁使無功從額定值逐步降低至限制條件,結果顯示無功調節(jié)下限受定子電壓和定子電流限制,300 MW時最小無功為-79Mvar(定子電流達額定值),500 kv母線電壓每變化10 Mvar對應0.58~0.62 kv波動,如表2所示。

調相工況下,機組無功調節(jié)范圍為+83~-115Mvar,500 kv母線電壓每變化10 Mvar對應0.5 kv波動[5]。

2.2抽水工況無功調節(jié)需求與限制因素

抽水工況下,機組作為同步電動機從電網吸收有功功率(不可調),同時吸收無功功率(設計值±6Mvar),導致母線電壓降落。根據(jù)電路理論,線路電壓降落Δu計算如式(1)所示:

式中:P、Q分別為電站端有功功率(MW)、無功功率(Mvar);R、X分別為線路電阻(Ω)、電抗(Ω);u為母線電壓(kv)。

當機組抽水運行時,P為負值(吸收有功),若Q也為負值(吸收無功),將導致母線電壓顯著降低。

當三臺機組抽水時(每臺315MW),500kv母線電壓較空載降低約5 kv,需通過增發(fā)無功提升電壓。理論分析表明,抽水工況無功調節(jié)的主要限制因素包括:1)定子電壓(≤1.05 p.u.);2)定子鐵芯及繞組溫度 (≤ 120℃);3)勵磁系統(tǒng)過勵限制 (勵磁電流≤2 060 A);4)額定功率因數(shù)(0.975)。通過調節(jié)勵磁電流可改變無功出力,當無功從吸收轉為發(fā)出時,定子電流減小,電壓降落減小,從而可以提升母線電壓。

3抽水工況無功調節(jié)試驗方案

3.1 試驗條件

3.1.1機組與系統(tǒng)狀態(tài)

試驗選取#2機在抽水工況下運行,有功功率穩(wěn)定在310 MW(四臺機抽水時的典型負荷),機組鐵芯溫度平穩(wěn)(運行≥2 h);勵磁調節(jié)器投入自動模式,自動電壓控制 (AutomatiCvoltageControl,AvC)退出,過勵限制功能正常投入;主變壓器及機組保護按規(guī)程投入,失磁保護采用“跳閘閉鎖+告警”模式,確保試驗安全。電網條件由調度協(xié)調,試驗期間保持三臺機組抽水(總有功945 MW),500 kv母線電壓初始值515 kv,涉網穩(wěn)定措施按調度批復執(zhí)行,避免試驗對電網造成沖擊。

3.1.2測試參數(shù)與儀器

試驗監(jiān)測參數(shù)包括:定子電壓(uab、ubC、uaC)、定子電流(Iab、IbC、IaC)、有功功率(P)、無功功率(Q)、功率因數(shù)(Cos φ)、勵磁電壓(uf)、勵磁電流(If)、定子鐵芯及繞組溫度、500 kv母線電壓。測試儀器采用0.2級精度的功率分析儀和溫度巡檢儀,數(shù)據(jù)通過機組監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)實時記錄,采樣頻率1 Hz。

3.2 試驗步驟

第一步,初始狀態(tài)確認。機組穩(wěn)定運行在抽水工況,有功功率310 MW,無功功率0.3 Mvar(接近零無功),記錄初始參數(shù):定子電壓17.19kv,定子電流10 475 A,勵磁電壓150.2 v,勵磁電流1 487 A,500 kv母線電壓515.4 kv。

第二步,無功調節(jié)過程。手動逐步升高勵磁電流,使機組無功功率從0.3 Mvar開始增發(fā),每增加約5 Mvar記錄一次數(shù)據(jù),穩(wěn)定時間5~10 min(確保溫度穩(wěn)定);重點監(jiān)測定子電壓 (≤1.05 p.u.)、鐵芯溫度(≤120℃)及勵磁電流(≤2 060 A)。

第三步,試驗終止條件。當機組無功功率達到70 Mvar時,功率因數(shù)降至0.975(額定值),停止試驗,記錄此時的各項參數(shù):定子電壓18.08 kv,定子電流10189 A,勵磁電壓185.0 v,勵磁電流1 796 A,500 kv母線電壓518.3 kv。

4試驗結果與分析

4.1 無功調節(jié)范圍與電壓響應特性

為驗證抽水蓄能機組在抽水工況下的無功調節(jié)能力及對系統(tǒng)電壓的支撐特性,采取了無功功率從0.3 Mvar逐步增至70 Mvar的調節(jié)試驗,實測數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知,隨著感性無功功率從0.3 Mvar增至70.0Mvar,定子電壓從17.19kv升至18.08kv,對應 額定 電壓 (18kv)的標 幺值從0.955p.u.升至1.004p.u.,均未超過GB/T 7064—2017《隱極同步發(fā)電機技術要求》規(guī)定的1.05p.u.上限值,表明定子電壓調節(jié)在安全范圍內。定子電流從10 475 A降至10189A,降幅為2.73%(286A)。其變化機理為:同步電動機定子電流可分解為有功電流分量(Ia)與無功電流分量(Ir),滿足關系式I=√Ia2+Ir2。試驗中機組有功功率基本穩(wěn)定(308.5~310.8 MW),Ia變化較小;而感性無功功率增加導致Ir增大,根據(jù)矢量合成原理,總電流I降低,符合同步電動機“無功電流補償有功電流”的運行特性。

500 kv母線電壓隨無功增發(fā)呈線性上升趨勢:

從515.4 kv升至518.3 kv,總增幅2.9 kv。通過線性擬合計算得電壓調節(jié)靈敏度為每10 Mvar上升0.42 kv,即每增發(fā)10Mvar感性無功,母線電壓平均升高0.42kv。該結果與基于系統(tǒng)等值電路參數(shù)(短路容量1250MvA)計算的理論靈敏度(0.4 kv/10 Mvar)偏差僅5%,驗證了系統(tǒng)電壓響應特性的準確性。

4.2 關鍵參數(shù)變化分析

勵磁參數(shù)方面,勵磁電壓從150.2 v升至185.0 v(升高34.8 v),勵磁電流從1 487 A升至1 796 A(升高309 A),均未達到額定值(267.8 v、2 060 A),表明勵磁系統(tǒng)仍有調節(jié)余量。溫度監(jiān)測顯示,定子鐵芯最高溫度50℃,繞組最高溫度75℃,冷風溫度32℃,均遠低于120℃的限制值,溫度變化率≤0.5℃/min,機組熱穩(wěn)定性能良好。

此外,由于試驗終止于無功功率70 Mvar,此時功率因數(shù)為0.975(額定值),而非受限于定子電壓或溫度。這是因為設備廠家在勵磁調節(jié)器中設置了抽水工況下的功率因數(shù)下限(0.975),以保證水泵水輪機的穩(wěn)定運行。若解除該限制,理論上可進一步增發(fā)無功,但需結合水泵水輪機的水力穩(wěn)定性和機組振動特性綜合評估。

5 結論

本文通過現(xiàn)場試驗研究了300 MW抽水蓄能機組抽水工況下的無功調節(jié)特性,主要結論如下:該機組在抽水工況下可穩(wěn)定增發(fā)0~70 Mvar無功,功率因數(shù)從1.000降至0.975 ,調節(jié)過程中各參數(shù)均在安全范圍內 ,驗證了抽水工況下無功調節(jié)的可行性;無功增發(fā)對電壓的影響顯著 ,每增發(fā)10 Mvar無功 ,500 kv母線電壓平均升高0.42 kv ,定子電壓升高約0. 13 kv ,可為電網電壓調節(jié)提供有效支撐;機組無功調節(jié)的主要限制因素為額定功率因數(shù) ,而非定子電壓、溫度或勵磁系統(tǒng) ,后續(xù)可通過優(yōu)化勵磁限制參數(shù)進一步拓展調節(jié)范圍。

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《機電信息》2025年第24期第4篇