励磁系统调差系数优化整定存在的风险分析_张俊峰

０ 引言
南方 电 网 是 一 个 交 直 流 并 联 运 行 的 超 高 压 、 远 距离 、 大容量送电的互联电网 。 近年来 ， 南方电网出 现了多次 ５ ０ ０ｋ Ｖ 电压跌落导致多回直流同时闭锁 的情况 ， 严重威胁到电网的安全稳定运行 ， 电网动态 无功支撑不足成了电网电压稳定问题中亟待解决的 问题 。 发电 机 作 为 电 网 的 重 要 无 功 支 撑 电 源 ， 如何挖 掘发电机的动态无 功 支 撑 能 力 ， 对系统电压稳定有
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；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ４ １ １ １ ３ ２ ０ １ ５ ０ ３ ３ ０ － － － －
（ ） ２ ０ １ ５， ３ ９ ２ ０
］ ２ ４ － 。 特 性 曲 线 如 图 １ 所 示， 为负 ， 称为负调 差 ［ 图中 。 ， 为机组零无功时对应的机端电压 实际应用中 ＵＧ ０
图 ２ 考虑励磁的单机无穷大系统 Ｆ ｉ ． ２ Ｅ ｘ ｃ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｅ ｄ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｇ ｇ ｉ ｎ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｂ ｕ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｙ
运行中的同步发电机的调差实际上是自然调差 和励磁附加调差共同作用的结果 。 由于采用半导体 励磁系统 的 同 步 发 电 机 组 的 自 然 调 差 系 数 近 似 于 工程应用中常将 其 忽 略 ， 文中提到的发电机调差 ０， 仅指发电机励磁调节器设定的调差 。 调差 可 等 效 为 发 电 机 内 部 电 抗 ， 如果设定调差 为负调差 ， 则发电机内部电抗等效为负值 ， 这样发电 机与系统的联系电 抗 将 减 小 ， 发电机对系统电压跌 落的感知变得更加灵敏 ， 因此 ， 对系统动态无功支撑 力度将大大加强 。 图 ３ 所示为模拟电网北郊站三永 中开关拒动故障 ， 广蓄电厂机组采用不同调差系数 下的无功出力曲线 。 可见 ， 采用 －１ ０％ 的负调差后 ， 机组的无功出力约 为 无 调 差 的 ２ 倍 ， 机组对电网的 无功支撑力度大幅提高 。 １ ４ ２
调差 在 励 磁 系 统 主 环 中 的 叠 加 位 置 如 图 ２ 所 示， 直接叠加到励磁系统主控制环的给定值上 ， 这也 体现了调差的重 要 性 。 如 果 采 用 负 调 差 ， 从无功电 流的叠加效果来看相当于正反馈的效果 。 图中 ： Ｕｒ ｅ ｆ 为给定电压幅 值 ； Ｐ Ｉ Ｄ 为 励 磁 系 统 比 例—积 分—微 分 控制 算 法 ； Ｉ Ｕｔ 为 机 端 电 压 幅 Ｆ Ｄ 为 励 磁 电 流 幅 值； 值； Ｐ 为有功功率 ； Ｑ 为无功功率 ； ω 为发电机转速 。
· 工程应用 ·
由于无功电流的测 量 比 较 麻 烦 ， 所以通常直接采用 无功功率代替无功电流 。 国外主流励磁调节器厂家 但功能意义一 对调差极性的定义 和 国 内 正 好 相 反无功功率曲线 ｏ ｗ ｅ ｒ Ｆ ｉ ． ３ Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｏ ｆ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｅ ｄ ｕ ｎ ｉ ｔ １ ｐ ｇ Ｇ ｕ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｐ ｕ ｍ ｅ ｄ Ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｅ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｇ
１］ 。国内外机组普遍采用了负 调 差 技 着重要 意 义 ［ 以提高 对 机 组 无 功 出 力 的 挖 掘 。 例 如 ： 术， Ａ Ｂ Ｂ公
电机电 压 变 化 不 大 于 ５％ 额 定 电 压 。 可 简 化 计 算 对 于 功 率 因 数 为 ０． 调差须大于 为： ８ ５ 的 机 组， 对于 功 率 因 数 为 ０． 调差须大于 －９． ５％ ； ９ 的 机 组， 。 －１ １． ５％ 以上计算结果以调差绝对值不大于其主 变压器短路电抗值为前提 。 ／ ／ 最新的 标 准 Ｇ Ｂ Ｔ ７ ４ ０ ９和 Ｄ Ｌ Ｔ ８ ４ ３对励磁 系统调差的整定范 围 进 行 了 修 改 ， 从 ±１ ０％ 修 改 为 ， 。 这也充分体现了电网对调差的新需求 ±１ ５％ 广东 电 网 作 为 南 方 电 网 的 大 型 受 端 电 网 ， 电网 无功支撑不足问 题 严 重 。 通 过 调 查 发 现 ， 广东电网 内机组以零调差为主 ， 调差系数的整定相对较杂乱 ， 没有发挥出发电机的负调差调节能力 。 为了在广东 电网推广负调差技 术 ， 本文对发电机组采用负调差 后存在的风险 ， 以及 对 电 网 安 全 稳 定 的 影 响 进 行 了 全面的梳理 和 分 析 ， 包 括： 调差对机组间的无功分 配、 机组阻尼 ， 以及 Ｐ 的 Ｓ Ｓ和自动电压控制（ ＡＶ Ｃ） 影响 ， 并给出广东电 网 机 组 调 差 优 化 整 定 的 推 广 应 用经验 。
尼极性的正负上 ， 即调差是会增加还是减弱机组的 阻尼 ， 结论不一 ， 因为调差对机组阻尼的影响数学表 受到影响的因素太多 ， 在极性正负上存在 达式复杂 ， 不确定性 。 既然 调 差 会 影 响 机 组 的 阻 尼 ， 且极性具有时变 性， 那么是否可以避开这个极性正负的问题 ， 而去关 注调差对机组阻尼影响的具体数量级的大小？本文 从这一角度进行了量化研究 。 对广 东 电 网 内 的 所 有 机 组 进 行 统 计 计 算 ， 分析 计算过程中排除了 调差对 机 组 阻 尼 的 影 响 大 小 ， ， 退出机组 Ｐ 仅分析调差对机组阻 Ｐ Ｓ Ｓ 的影响 （ Ｓ Ｓ） 尼的影响 ， 结果如表 １ 所示 。 统计分析结果表明 ： 在 调差绝对值不大于 其 主 变 压 器 短 路 电 抗 的 前 提 下 ， 调差系数变化 ±０． １ 对机组的本机振 荡 模 式 阻 尼 比 的影响 在 １％ 以 内 ， 与Ｐ Ｓ Ｓ提供的阻尼比不在一个 数量级 。 为验证以 上 仿 真 计 算 结 果 的 有 效 性 ， 在广 东电网内选取了 １ １个电厂的机组进行了负调差试 试验结果与仿真计算结论一致 。 验，
第３ ９卷 第２ ０ 期 ２ ０ １ ５年１ ０月２ ５日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９Ｎ ｏ ． ２ ０Ｏ ｃ ｔ ． ２ ５， ２ ０ １ ５
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ７ ５ ０ ０ Ａ Ｅ Ｐ Ｓ ２ ０ １ ４ １ １ １ ３ ０ １ ４
励磁系统调差系数优化整定存在的风险分析
张俊峰１，李 鹏２，苏寅生２，李智欢２
图 １ 调差特性曲线 Ｆ ｉ ． １ Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｍ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｇ ｐ
２ 调差对机组间无功分配的影响
为了使并列运行的各发电机组按其容量向系统 实现 无 功 功 率 在 各 机 组 间 稳 定 合 理 提供无功功率 ， 的分配 ， 在励磁控制器中 ， 设有调差环节来改变发电 机电压调节特性斜率 。 对于扩大单元接线方式的电 厂， 即多台机组共用一台主变压器 ， 必须采用正调差 调差系数一般设定为 来实现 厂 内 机 组 并 列 运 行 ， ［ ］ 目前这种接线方式在小水电站仍有 采 ３％ ～５％ ５－６ ， 用。 目前 ， 电厂普遍采用单元接线方式 ， 即一台发电 机和一台主变压器 作 为 一 个 发 电 单 元 ， 多个发电单 ， ， 元在主变压器高压侧并列运行 因此 电厂的多个发 电单元之间也存在无功功率分配问题 。 对于一个发 电单元来讲 ， 其总调 差 为 发 电 机 调 差 与 主 变 压 器 短 路电抗之 和 ， 主变压器的短路电抗一般为１ ５％ 左 因此 ， 即使发电机没有设置 调 差 ， 即 调 差 为 ０， 一 右， 个发电单元的总调 差 等 于 主 变 压 器 的 短 路 电 抗 ， 为 可并列运行 ， 这也是调差未被重视的主要原 正调差 ， 因之一 。 随着电网容量的扩大 ， 考虑到短路电流的因素 ， 新投运机组的主变压器短路 电 抗 达 到 ２ 机 ０％ 以 上 ， 组与电网之间的联 系 变 弱 ， 导致机组对电网电压跌 对电网的无功支撑力度也相 落感知的灵敏度变 小 ， 对减弱 。 因此 ， 电网需要发电机组采用负调差 ， 抵消 一部分主变压器短 路 电 抗 ， 使得一个发电单元的总 调差减小 ， 以提高机组对电网电压响应的灵敏度 ， 同 时保持一个发电单 元 的 总 调 差 为 正 调 差 ， 即可实现 电厂的多个发电单元间的并列运行 。
３ 调差对动态稳定的影响
３． １ 调差对阻尼的影响 若调 差 直 接 叠 加 到 励 磁 系 统 主 控 制 环 ， 势必会 ［ ７ １ － 对机组的阻尼比及其 动 态 稳 定 性 产 生 影 响 ３］。 目 前相关文献关注的重点大都集中在调差影响机组阻
张俊峰 ， 等 励磁系统调差系数优化整定存在的风险分析
司对于采用单元接 线 的 机 组 ， 推荐调差设定为负调 差， 且机组的总调差 （ 调差系数和主变压器短路电抗 的总和 ） 为 ３％ ～８％ 。 上海电网 机 组 负 调 差 的 整 定 情况为 ： 对于 主 变 压 器 漏 抗 大 于 ２ 调差 ０％ 的 机 组 ， 整定为 －１ 对于主 变 压 器 漏 抗 为 １ ０％ 左右 ； ８％ 的 机 组， 调差整定为 －６％ 左右 。 浙江电网机组负调差整 定情况为 ： 从主变压器高压侧并列点看进去 ， 机组的 总调差为 ７％ ～８％ 。 中 国 电 力 科 学 研 究 院 建 议 主 变压器高压 侧 并 列 点 的 总 调 差 值 不 小 于 ５％ ， 并建 类似于电力系统稳 议对调差环节的输 出 设 置 限 幅 ， ） 。 定器 （ 模型的输出限幅功能 Ｐ Ｓ Ｓ ／ Ｄ Ｌ Ｔ ８ ４ ３—２ ０ １ ０ 标 准 对 调 差 整 定 规 定 如 下： 当发电机无功电流 由 零 增 加 到 额 定 无 功 电 流 时 ， 发
（ １．广东电网有限责任公司电力科学研究院 ，广东省广州市 ５ １ ０ ０ ８ ０； ） ２．中国南方电网电力调度控制中心 ，广东省广州市 ５ １ ０ ６ ２ ３
摘要 ：目前广东电网 “ 八交八直 ” 的受电通道中 ， 负荷超 ８ ０ＧＷ 的特大型受端电网的电压稳定问题 突出 ， 电网动态无功支撑不足成了电网电压稳定问题中亟待 解 决 的 问 题 。 发 电 机 作 为 电 网 的 重 要 无功电源 ， 有丰富的无功储备可以挖掘 ， 且不用增加投资 。 为 更 大 限 度 地 调 用 发 电 机 的 无 功 资 源 ， 发挥负调差在提高机组无功出力中的作用 ， 文中就采用负调差对 机 组 的 安 全 稳 定 运 行 带 来 的 潜 在 ， 风险进行了全面梳理和研究 重点研究了调差对机组间无功 分 配 、 机 组 阻 尼， 以及对电力系统稳定 ） 器（ 和自动电压控制 （ 的影响 。 结合广 东 电 网 的 实 际 情 况 ， 给出了调差系数从０变化到 Ｐ Ｓ Ｓ ＡＶ Ｃ） 为发电机组的调差优化整定工作提供了借鉴 。 －１ ０％ 对机组及电网的稳定影响风险可控的结论 ， 关键词 ：电压稳定 ；无功支撑 ；调差系数 ；动态稳定 ；优化整定
对已完成pss试验的机组目前的补偿设计一般是把pss的有补偿特性设计在90100之间大部分都在滞后轴010范围以内若把机组的调差系数从0变为10则pss的有补偿特性在低频段的最大滞后角将变为在滞后轴30附近距标准要求使本机振荡频率的力矩矢量滞后轴030在0320hz频率的力矩矢量滞后轴在超前20至滞后45之间的最大滞后角45仍有15的裕度即仍满足标准及pss导则的要求
１ 励磁系统调差
调差 的 定 义 如 下 ： 同步发电机在功率因数等于 无功电流从 ０ 变化到 额 定 值 时 ， 发电机 ０ 的情况下 ， 端电压变化的变化率 。 调差表征发电机电压调节特 ， 性（ 其 中Ｉ 曲 线 的 斜 率， ＵＧ ＝ｆ（ Ｉ Ｑ） Ｑ 为无功电流） 国内对调差的极性 规 定 如 下 ： 向下倾斜的特性曲线 （ 即电压随无功负 荷 增 加 而 下 降 ） 的 调 差 系 数 为 正， 称为正调差 ； 反之 ， 向上倾斜的特性曲线的调差系数