抽水蓄能机组稳定运行区域分析

丁烨楠，陈灵峰，杨文道

(华东桐柏抽水蓄能发电有限责任有限公司，浙江杭州　317200)

【摘　要】　本文通过对抽水蓄能电站的发电机和电动机静稳极限的理论推导，结合某抽蓄电站机组的实际参数和运行特点，在P-Q平面上绘制出发电电动机的稳定运行区域。

【关键词】　抽水蓄能;发电电动机;静态稳定;功率圆;运行区域;限制

0　引言

抽水蓄能电站发电电动机的安全运行对保证当前电网的安全可靠运行起着越来越大的作用，因此，对其进行静态稳定分析，确定其安全运行范围，就显得尤其重要。发电电动机属于凸极机，它的纵轴和横轴磁路不完全对称，静态稳定极限的函数关系相对复杂。本文对发电电动机的静态稳定极限进行了理论推导，利用P-Q图绘制出其理论安全运行区域，并结合某抽蓄电站机组的实际参数和运行特点得到了抽水蓄能电站发电电动机的实际安全运行区域。

1　理论静稳极限的推导

抽水蓄能电站发电电动机属于凸极机，通过将其电、磁量分解为交轴分量和直轴分量可以得到发电电动机的电势方程为

式中:为发电电动机空载电动势;为机端电压;为发电电动机定子电流;ra为定子单相电阻;Xd、Xq分别为直轴、交轴同步电抗;，分别为定子电流在直轴、交轴上的分量。

可以得到的标量关系。为了得到电流关系，对图中的各个量同时除以Xd并顺时针旋转90°得到电流关系图，见图1，这是绘制发电电动机安全运行区间的基础图形。

发电电动机有功电流以及无功电流的方程为

推导得到

通过式(4)可以得到发电电动机理论上的静态稳定极限。

2　实际安全运行区域的绘制

2.1　静稳极限的绘制

以某抽水蓄能机组为例进行绘制。机组相关参数为:额定容量发电334MW，cosϕ=0.9，∠ϕN=25.84°，Xd=1.14，Xq=0.757。

(1)作坐标轴。横坐标为Ir(Q)，纵坐标为Ia(P)，原点为O。以定子额定电流IN标幺值为半径，以O点为圆心作圆弧1。

(2)以ϕN为电流方向，从O点作线段与圆弧1相交于A点，则OA=IN。从A点作与横轴的平行线，与圆弧1相交于C点。则AC为原动机的输出功率限制线。

(3)以此在横坐标上分别找到B点和D点，并以BD为直径作磁阻圆。

(4)根据式(4)，以不同的δ求出相应的Pmax值。额定电压U为1时见表1。

在B点作与横坐标夹角分别为70°、65°、60°、…、15°的射线。以表1中相应的值Pmax为纵坐标，确定各射线上对应的E、F、G、H、I各点。可得理论稳定极限，见图2。

2.2　实际运行限制

结合抽水蓄能电站的运行特点，在实际运行中需要考虑如下限制:

(1)静稳储备。为了使发电电动机具有一定的稳定储备，通常实际静稳极限是把空载电势所对应的最大功率Pmax以10%～15%进行绘制，本文选择10%Pmax。

(2)定子发热限制。由于定子发热程度与定子铜损成正比，即与定子电流的平方成正比，因此，为了使定子不致过热，定子电流不能超过额定值。

(3)转子发热限制。转子的发热与定子类似，它与励磁电流的平方成正比。要使转子不过热，励磁电流就不能长期超过其额定值运行，考虑转子的最大负荷电流进行限制。

(4)励磁调节器最小励磁电流限制。以某抽蓄电站为例，其最小励磁电流限制设定值为0.125，在励磁电流过小前抑制励磁电流的减小，防止发电机失磁运行，其对应的值为0.125倍的转子额定电流。

(5)励磁调节器功角限制。以某抽蓄电站为例，其功角限制设定值为70°，作为防止发电电动机进入失步运行的限制角。

(6)励磁调节器最大励磁电流限制。以某抽蓄电站为例，为保证励磁电流有最大的可调整裕度的同时防止电机转子过热，其最大励磁电流限制定值为1.05，其对应的值为1.05倍转子额定电流。

(7)低功率保护。某抽蓄电站在抽水工况下设有低功率保护，其设定值为30%PN，作为抽水时最小有功功率保护动作值。

(8)溅水功率。某抽蓄电站在发电和抽水工况下都设有溅水功率保护，其设定值为12%PN，作为调相工况时的最大有功功率保护动作值。

(9)发电工况最小出力设定。在实际运行中由于机械部分振动的影响，需要快速避开振动区，发电电动机并网运行后必须带170MW的有功功率运行。

(10)发电电动机实际的进相运行区间。结合某抽蓄电站机组，带不同有功功率时发电机吸收无功功率的稳定运行值见表2。同时，抽水工况下不得进相运行。

根据上述限制条件，可以分别绘制出某抽蓄电站机组发电工况和抽水工况下的P-Q图上安全稳定运行区域，见图3、图4中阴影部分。

将某抽水蓄能电站发电电动机在发电工况和抽水工况时的安全稳定运行区域合成到同一个P-Q图中，就可以得到其实际的稳定运行区域，见图5。

图5中，圆1为发电电动机的磁阻圆;弧2、弧2′为PN圆及1.05倍PN圆;曲线3、曲线3′为考虑10%PN裕度的静态稳定曲线;曲线4为实际发电运行中机组进相能力;曲线5、曲线5′为10%及12.5%励磁最小电流限制曲线;线段6为原动机出力极限;曲线7、曲线7′为转子电流额定值及励磁最大电流限制值。图中阴影区域为某抽水蓄能发电电动机的安全稳定运行区域。

3　结语

与常规水电机组相比，抽水蓄能电站发电电动机组有其特殊的运行方式和特点，因此，在考虑了实际运行中更多的因素和限制的基础上绘制的安全稳定运行区域，可以指导发电电动机在更安全的区域运行，也能为电网的安全可靠提供更加有力的支撑，同时，对其他抽水蓄能电站机组的安全稳定区域的绘制也具有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]杨嗣彭.同步电机运行方式的分析[M].成都:成都科技大学出版社，1989.

[2]姚晴林.同步发电机失磁及其保护[M].北京:机械工业出版社，1981.

作者简介:

丁烨楠(1988—　)，男，浙江杭州，本科，助理工程师，主要从事继电保护和励磁系统的检修维护工作。E-mail:690819713@qq.com

陈灵峰(1978—　)，男，浙江衢州，本科，高级工程师，主要从事继电保护和励磁系统的检修维护工作。E-mail:clf95281@163.com

杨文道(1973—　)，男，浙江衢州，本科，高级工程师，主要从事运维检修管理工作。E-mail: 13968591105@163.com