碧口电厂机组并网瞬间无功冲击过大原因分析及处理方法

【摘要】碧口电厂机组及其励磁调节系统基本参数为：发电机型号为TS854/210-40;水轮机型号为HLA835d－LJ－419；额定容量为117650kVA；设计水头为73m；机组设计水头下额定出力为113300kW；额...

摘要：自从2009年至2010年碧口水电厂将3台机的监控系统更换为南瑞公司生产的NC2000系统，同期装置随之更换为该公司生产的SJ-12C微机准同期装置，增加了同期并网时同期装置的自动调压和调频功能后，机组开机并网瞬间无功功率最大增加至50Mar（100MW机组）,无功冲击过大直接影响到机组的稳定运行。

关键词：机组；并网；同期；参数；误差；无功；冲击

中图分类号：734.4文献标识码：A文章编号：

1、碧口电厂机组及其励磁调节系统概况

碧口电厂是白龙江流域第一座投运发电的水力发电厂，是陕西、甘肃、四川电网交汇处装机容量最大的电源点。工程以发电为主，兼有防洪。装机容量3×100MW，为大（2）型工程，主要建筑物按Ⅱ级设计。由于水电机组一次调频的响应速度及调频范围远高于火电机组，那么，作为处于电网重要地理位置、大容量、高参数水电机组在电网调峰、调频方面占有巨大优势。碧口电厂机组实现一次调频功能，不但充分满足了机组安全稳定运行的要求，而且对保障甘肃电网安全可靠运行起到了重要影响。

碧口电厂机组及其励磁调节系统基本参数为：发电机型号为TS854/210-40;水轮机型号为HLA835d－LJ－419；额定容量为117650kVA；设计水头为73m；机组设计水头下额定出力为113300kW；额定转速为150r/min；励磁调节器为南瑞公司SAVR-2000系统；同期装置为南瑞公司SJ-12C微机准同期装置。

2、SAVR-2000基本原理

励磁调节器的主要任务是维持发电机端电压恒定，为此，SAVR-2000励磁调节器需采集发电机机端三相交流电压、定子三相交流电流、转子电流等模拟量。调节器通过模拟信号板将TV二次侧电压（100V）与TA二次侧电流（5A）信号进行隔离并转换为±5V的电压脉冲信号，然后传输给CPU模块上的A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号。通常在一个周波内（20ms）进行多点采样，然后计算出机端电压等测量量。为了能准确测量有功和无功功率，需对电压及电流进行瞬态无相差采样，即可计算出有功和无功功率。

在正常运行时，DSP根据现场的操作信号进行逻辑判断，判别是否应该进入用户程序。一旦开机条件具备，应用程序运行。程序的计算模块根据工控机的控制调节方式的选择而进行计算，如按极端电压偏差进行PID调节（即恒定机端电压运行方式），则DSP转入电压偏差PID调节子模块，计算程序算出触发角，并将此角度传输至可编程逻辑芯片上的计数器产生延时脉冲，脉冲信号经放大板驱动后即完成一次调节控制。

调节器在控制调节的空闲时间，进行各种限制判别、故障检测、联机调试等工作；在双自动通道系统中，备用通道自动跟踪主通道的电压给定值和触发角。

程序执行流程：开机条件满足后进入调节和控制状态，由于调节和控制程序为中断程序调用，因此必须在主程序中进行中断操作。主程序循环执行，有定时器产生一中断信号每20ms出现一次，CPU将中断主程序的执行，转入执行中断服务程序，在中断服务程序中执行控制调节程序，如图所示。

2、机组并网瞬间无功冲击过大的危害

2.1机组并网瞬间突然出现无功功率大幅度增加,同时伴随机组声音明显异常,若机组无功升至65Mvar，将导致励磁调节器限制功能动作（强减）；

2.2机组无功冲击过大时，有时还伴随机组过流、过压保护动作，若出现转子过流会威胁其绝缘寿命，甚至导致局部绝缘击穿，迫使机组非计划停运；

2.3单机并网后无功功率大幅度增加，对系统的冲击会造成系统电压波动，影响到整个系统电源和用户的安全稳定运行，也会导致同一系统机组难易并网；若同一系统多台机组并列运行时，还会影响到其它机组的正常运行，破坏机组间的无功分配。

3、造成机组并网瞬间电压过高的原因

3.1 同期装置调压周期及调压脉冲宽度的影响

同期装置调压周期越短及调压脉冲宽度越宽时，在机组电压跟系统电压比较不满足同期条件时，同期装置会以调压周期的时间及宽度发出调压脉冲，有时系统电压较高时，会将机组电压调的较高，导致并网瞬间机组电压高而造成无功冲击， SJ-12C微机准同期装置调压脉冲的间隔由面板显示菜单整定，我厂同期装置调压周期设为推荐值2S。宽度由PID调节规律计算发出，设调压脉冲宽度为y v,当前的电压测值与理想之间差为u,即u=ug-u s,则当量关系，y v=0.1Kpv*u

Kpv为同期装置的参数调压比例项因子，推荐值为20∽30

其中u单位：0.1V

y v单位：10ms

当y v >0时，发V+脉冲，y v

通过查看同期装置参数Kpv为30，在允许值内，因此调压脉冲宽度y v 只跟u有关，当机组电压与系统电压相差越大，调压脉冲宽度越大。

3.2同期装置参数设置不合理

SJ-12C微机准同期装置采用现代控制理论对合闸相角差进行预测控制，对被同期对象的电压、频率实行变参数调节。同期参数是否正确，直接影响到机组同期并网的成败，甚至非同期并网会对机组产生过大的冲击电流和对转轴产生较大的扭转力矩，直接危机机组及系统的安全。我厂同期装置在投运前，将根据我厂机组同期数据的要求由电科院进行同期装置的校验，并设定同期参数。通过对同期装置参数检查，系统电压fs=+50.00Hz；合闸脉冲导前时间TDL=+100ms；一允许环并合闸角=20°；允许压差高限Uh=+5.000V；允许压差低限Uh=-5.000V；允许频差高限fh=+0.15Hz；允许频差低限fh=-0.15Hz；各参数值符合我厂同期参数要求。

3.3电压互感器二次电压偏差

机组大修完后，通过同期核相试验数据，机组电压与系统电压相差9.7V，（机组PT二次电压100V，系统PT二次电压就是109.7V左右）。在机组建压同期装置投入后，通过多次观察同期装置的运行情况，发现同期装置显示机组电压在99V100V变化，根据当时系统一次电压的不同而系统侧二次电压在106.5V109.7V之间变化，造成机组电压与系统电压相差加大，并且系统电压始终大于机组电压，故同期装置不断的发增压脉冲，直到电压差满足同期条件为止，当机组并网瞬间有时机端电压将由13.8kV增至最大14.2kV,导致并网瞬间无功冲击过大。

4、机组并网瞬间励磁系统调压过高的初步分析

我厂励磁系统采用的是南瑞公司生产的SAVR-2000发电机励磁调节器，本装置自2000年投运以来一直运行稳定，未出现过机组并网瞬间过电压现象（13.8kV-14.2 kV）。在更换同期装置之后，3台机组都出现机组并网瞬间无功冲击大的现象，说明跟励磁系统无关。

5、机组并网瞬间无功冲击过大处理方法：

通过上述分析机组并网瞬间无功冲击过大的原因是PT误差造成，这种误差还不能通过改变同期参数的允许压差U来解决，如果将U增大，有时可能会出现压差过大并网现象，给系统和机组带来危害。通过查看SJ-12C微机准同期装置资料，该装置可以通过装置标定来补偿系统电压与机组电压的差值，以及装置内部的相角测量误差和电压测量误差，而我厂现用的同期装置标定都是按照机组PT二次电压与系统PT二次电压均为100V进行标定的，而我厂机组PT二次电压与系统PT二次电压实际相差9.7V，需要重新进行标定。标定方法是给同期装置上电，从同期核相数据得知，系统电压和机组电压测值相差约10V，用保护测试仪给该装置分别加系统电压（110V）和机组电压(100 V)，按标定方法进行操作，标定成功后，此时机组电压与系统电压在同期装置上显示均为约100V。将同期装置恢复原接线后，经开机并网试验，机组并网瞬间发电机出口电压由标定前的14.2 kV降至13.86 kV，机组无功有50Mar降至15Mar。

参考文献

[1]黄德培.电工技术，国网电力科学研究院，2010年，10期.