PDF《燃煤机组深度调峰时进相能力分析及提升措施》

0 引言 近年来, 随着特高压交直流输电大规模投入, 光伏、 风电等新能源发电大规模接入电网, 电网结 构发生重大改变.

由于光伏、 风电等新能源电源几 乎不参与电网的调峰, 其输出功率随风速和光照变 化, 为尽可能消纳新能源电源, 电网中需留有足够 的储备容量, 应对新能源电源的波动[1-4] ;

此外, 大规 模交直流输电投运后, 输送功率一般都有几百万千 瓦, 是当前最大发电机组容量的好几倍, 一旦发生 特高压设备故障停运, 电网瞬间失去几百万千瓦的 有功输出, 这将对电网造成较大的冲击, 极有可能 引起更大规模的故障[5-6] .这种新的电网结构对调 度的运行方式提出挑战, 尤其在电网低负荷期间, 为尽可能消纳新能源电源和特高压输电电量, 对受 电侧的火电机组调峰能力提出新的要求, 需要机组 DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2019.01.018 ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― 收稿日期: 2017?12?04 基金项目: 国网总部科技项目 (521001160005) . 燃煤机组深度调峰时进相能力分析及提升措施 解兵1 , 徐珂1 , 罗凯明2 , 周前1 , 赵静波1 (1. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 南京 211102;

2. 国网江苏省电力有限公司调度控制中心, 南京 210024) 摘要:文章根据发电机组进相试验中限制因素情况, 分析燃煤发电机组深度调峰时进相限制因 素, 通过一起深度调峰下机组进相试验验证限制因素情况, 并根据限制因素情况, 提出提升深度调 峰下机组进相能力的措施.指出深度调峰机组进相时主要限制因素为厂用电压, 其次为机端电压、 静稳极限, 抬高电网电压或切换厂用电至启备变可有效提升深度调峰机组进相能力.通过深度调 峰进相试验得出: 电网电压一致的情况下, 机组进相能力跟有功呈线性关系, 有功降低, 进相能力增 强, 为深度调峰机组进相运行提供理论和实证依据. 关键词: 深度调峰;

进相能力;

限制因素;

能力提升 Leading Phase Capacity Analysis and Improvement Measures of Coal?fired Units in the Deep Peak?regulation XIE Bing1 , XU Ke1 , LUO Kaiming2 , ZHOU Qian1 , ZHAO Jingbo1 (1. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Research Institute, Nanjing 211102, China;

2. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Dispatch and Control Center, Nanjing 210024, China) Abstract: In this paper, the leading phase limiting factors of coal?fired units in the deep peak?regulation in accordance with the limiting factors in the leading phase test of the generating unit. The measures on improving the leading phase capacity of the unit at deep peak regulation are proposed though the limiting factors of the leading phase limiting factors of the unit and in accordance with the limiting factors. It is pointed out that the main limiting factors at the deep peak regulating unit is mainly the auxiliary power voltage, then stator voltage and static stability limit, and elevation of grid voltage or switching auxiliary power plant to start transformer can effectively enhance the leading phase capacity in the deep peak ? regulation. It is concluded through the leading phase test of the deep peak regulation that under identical grid voltage, the leading phase capacity of the unit shows linear relationship with active power.The lower the active power is, the higher the leading capacity is, which provides theoretical and true base for the leading phase operation of the deep peak regulation. Keywords: deep peak?regulation;

leading phase capacity;

limiting factors;

capacity improvement 第40卷第1期: 0097-0102 2019年2月 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor &

Reactive Power Compensation Vol.40, No.1: 0097-0102 Feb.

2019 ???????? ?? ???????? ?? 系统应用研究 ・ ・

97 2019年第1期 电力电容器与无功补偿 第40卷 具备深度调峰运行能力, 即机组有功在 40% 额定有 功及以下的运行方式[7-8] .另一方面, 随着特高压输 电线路及城市电缆的大规模投入, 电网的容性无功 不断增长, 在电网低负荷期间, 高电压问题日益突 出, 需要发电机组通过进相运行吸收电网过剩无功, 降低电网运行电压, 提高电网运行安全可靠性.而 且从电网低负荷时机组进相运行数据看, 电网无功 形势越来越严峻, 需要机组具备更深的进相能力[9] . 由此可见, 当前电网形式下, 在电网低负荷期 间, 不但要求火电机组进行深度调峰, 而且要求深度 调峰机组进相运行, 且进相深度越深越好.目前, 根 据进相试验导则规定[10-11] , 火电机组的进相试验一般 是在 50% 额定有功及以上工况下开展, 火电机组深 度调峰工况下的进相能力仍不确定, 有必要通过分 析、 试验等手段获得机组深度调峰下机组进相能力, 为电网低负荷期间电网无功潮流的理论计算、 调度 运行方式安排及深度调峰机组进相运行等提供依据. 本文从火电机组正常有功下机组进相限制因 素情况, 分析深度调峰工况下可能出现的限制因素, 并通过火电机组深度调峰进相试验验证进相时出现 的限制因素, 最后提出改进的技术措施, 提升试验时 深度调峰机组的进相能力, 使得深度调峰机组能够 发挥其应有的进相能力, 提升电网运行安全水平.

1 火电机组深度调峰时进相限制因素分析 1.1 静稳限制 一般发电机在设计时的 P-Q 曲线的无功下限 由静稳限制确定, 见图 1. 图1 发电机P-Q曲线图 Fig.

1 P-Q curve diagram of generator 静稳限制在进相试验中通过控制功角在一定范 围内来实现, 对于隐极机的极限功角为 90°, 试验中 为保留一定的裕度, 控制功角小于 70°;

对于凸极机, 静稳的极限功角是一条随有功变化的曲线, 可通过 dP/dδ=0 计算得出不同有功下极限功角, 进相试验中 保留一定的裕度[12-13] .由于凸极机一般为水轮机, 水 轮机具备调相功能, 已经在调相工况下开展进相试 验, 本文所提的深度调峰机组特指有功在 40%PN 及 以下运行的火电机组, 均为隐极发电机.图1中, 直线AB 代表功角为 90°的工况, AC 代表功角为 70°的 工况.如果发电机功角达到 90°, 同步发电机将失去 同步, 引起电网电压、 频率大幅扰动, 严重时甚至引 起电网一系列故障.从图

1 可看出, 随着发电机组 深度调峰, 有功逐渐降低, 功角 70°时的无功与功角 90°时的无功越来越逼近, 如果此时仍然只是控制功 角为 70°, 机组深度调峰进相运行的无功裕度将比较 小, 一旦电网发生波动, 功角很容易超过 70°, 并很快 达到 90°, 引起运行风险.因此, 对于深度调峰机组, 除了控制功角不大于 70°外, 无功还得留有一定裕 度.建议离功角为 90°时的极限无功保留

10 % 额定 无功功率的裕度, 对应于图

1 中直线 FG. 隐极发电机功角[12] 的表达式为 δ = arctan( P Q + U2 Xd ) (1) 式中: P 为有功;

Q 为无功;

U 为机端电压;

Xd 为同步 电抗. 可推导出功角为 90° 时的极限无功功率为 Q = -U2 Xd (2) 从式 (2) 可见, 极限无功主要跟机端电压 U 和 同步电抗 Xd 有关.由于机组进相时, 随着进相深度 加深, 机端电压是不断下降的, 再加上同步电抗在 机组运行区间有一定的饱和度, 因此计算极限无功 还应考虑机端压降和同步电抗饱和影响.根据试 验导则, 进相过程中机端电压控制在 90%UN 以上, 因此极限无功计算也应以 90%UN 计算, 同时为保留 一定的裕度, 同步电抗采用不饱和值. 1.2 厂用电压 进相试验导则[10-11] 的颁布规范了进相试验的方 法, 发电机组进相试验中有 90% 以上的情况是受厂 用电压的限制, 达到了机组进相能力, 发电机组厂 用电接线见图 2. 一般发电机组厂用电系统比较复杂, 有的火电 机组的高压厂用系统还分

10 kV 段和

6 kV 段, 低压 厂用母线则分得更细, 一类负荷对应一台低厂变. 对于燃煤机组, 锅炉和汽机系统的用电量占全厂厂 用负荷的 70% 以上, 锅炉系统中较大的负荷有一次 风机、 送风机、 引风机和磨煤机, 这些辅机的负荷大 小与机组所需的煤粉量、 燃烧所需要的空气、 产生 的烟气量有着直接的关联, 因此与机组的有功运行 工况直接相关.汽机系统的辅机主要是循环水泵、 凝・・98 2019年第1期 (总第181期) 泵和闭冷泵, 其大小通常与机组工况无关, 波动很小. 图2 发电机组厂用电接线示意图 Fig.

2 Wiring diagram of auxiliary power of generator unit 当火电机组深度调峰时, 锅炉系统负荷几乎是 线性减小, 汽机系统负荷则变化很小, 再加上几乎 不变的照明系统等其他负荷, 这就导致了整体厂用 负荷下降的幅度要小于有功下降的幅度.深度调 峰机组进相运行时, 随着无功降低, 厂用电压仍然 可能成为限制因素. 1.3 机端电压 从发电机空载特性曲线可知, 随着励磁电流降 低, 机端电压下降.并网后随着机组进相深度加 深, 励磁电流降低, 同样机端电压也随之下降, 下降 的幅度、 速度跟所在电网的位置、 厂用负荷以及各 级变压器分接头设置等有关.发电机进相试验中, 机端电压下降至 90%UN 的情况较少, 主要因为大部 分机组厂用电压首先达到限额.表1为某

300 MW 机组不同有功下机组进相能力及对应的限制因素. 表1 某机组不同有功下进相能力 Table

1 Leading phase capacity of certain unit at different active power P/MW

300 225

150 Q/Mvar -62 -74 -85 Uab/kV 18.46 18.50 18.47 U400V/V 360.5 361.2 360.6 从表

1 可见, 当400 V 厂用电受限时, 机端电压 在18.46~18.50 kV 之间, 最大偏差仅为 0.2%UN, 由 此可见机端电压跟厂用电压有很好的关联性.如 果改变高厂变分接头位置, 很可能

3 种有功工况的 限制因素均为机端电压.因此, 对于深度调峰机 组, 如果厂变分接头位置没有变化, 机端电压和厂 用电压均有可能受限, 哪个先达限可参考正常有功 下进相运行时的限制因素情况, 机端电压也是深度 调峰机组进相时的限制因素. 1.4 定子电流 当有功为额定时机组进相运行, 由于机端电压 下降, 定子电流有升高至额定电流的可能.但当发 电机组深度调峰时, 有功处于较低水平, 从图

1 发 电机 PQ 曲线图来看, 定子电流限制因素确定的圆 弧BD, 继续以 O 为圆心, OB 为半径往下画圆, 低负 荷时, 这个圆要远低于由功角 70°确定的直线 AC, 因此当深度调峰机组进相运行时, 静稳限制要先于 定子电流, 定子电流不构成限制因素. 1.5 励磁电流 随着发电机进相逐渐加深, 励磁电流逐渐下 降, 不会引起转子过热问题.一般发电厂保护中控 制励磁电流不小于额定励磁电流的 10%, 避免出现 失磁情况, 对应于图

1 中弧线 MN.对于火电机组, 由于锅炉特性, 深度调峰时有功不可能降得太低. 对于 30% 额定有功下, 一般不会出现励磁电流降至 额定的 10%.但试验中, 为避免励磁电流降得过低 引起失磁保护误动作, 失磁保护应退出投信号, 同 时应监视励磁电流数值. 1.6 温度 发电机组进相运行时, 由于端部漏磁, 可能出 现端部温度达到限值的情况, 一般出现在早期空冷 机组, 在满负荷试验时进相运行, 因温度过高限制 机组进相能力.但后来厂家采用氢气冷却, 并且加 强端部铁心结构件设计, 考虑发电机进相需求, 在 铁心端部加装铜屏蔽、 磁屏蔽, 减少端部漏磁的影 响.因此, 采用新型结构的发电机在进相运行时温 度达到上限的情况很少出现. 此外, 发电机温度受限时常出现在有功功率最 大的运行工况, 根据发电机进相试验结果, 随着有 功降低, 最深进相工况的最高温度逐步下降.对于 深度调峰机组, 有功低于 50%PN, 定子电流远小于额 定电流, 再加上发电机厂家在设计发电机时针对端 部漏磁采取铜屏蔽、 磁屏蔽等措施, 温度在调相机 进相试验时应不构成限制因素. 1.7 失磁保护 发电机组进相试验时, 失磁保护是必须校核的 工作[12-15] , 避免机组进相运行至失磁保护区域, 引起 失磁保护动作.通常发变组失磁保护判据有静稳 边界阻抗圆和异步边界阻抗圆, 进行失磁保护校核 时, 首先根据式 (3) 计算出不同运行工况下阻抗值, 并在 R-X 平面与失磁保护阻抗圆同时标出.若阻 抗值进入阻抗圆内, 则该运行工况将引起失磁保护 动作, 需要修改试验工况. 解兵, 等 燃煤机组深度调峰时进相能力分析及提升措施 ・ ・

99 2019年第1期 电力电容器与无功补偿 第40卷ìí?????R=UI?P S = U2 ?P P2 + Q2 X = U I ? Q S = U2 ?Q P2 + Q2 (3) 从式 (3) 可以看出, 随着有功 P 降低, R 也随之 降低, 进相运行时机组更容易进入失磁保护区域, 因此深度调峰机组进相运行时应重点关注失磁保 护定值, 必要时为避免失磁保护误动作可在试验中 退出失磁保护投信号.

2 实例分析 2.1 深度调峰进相试验工况计算 发电机进相运行时, 首先应计算出计划开展的 进相工况, 并在此基础上进行电网暂态稳定的计 算.由于机端电压、 厂用电压跟电厂变压器分接头 位置、 所处的电网位置以及电网运行工况等有关, 计算比较复杂, 而且准确度较低, 定子电流、 温度在 深度调峰机组进相中不构成限制因素, 励磁电流的 监视较简单, 且从图

1 看达到限制的可能性较小, 因此发电机进相运行工况主要根据静稳限制计算 的, 实际进相试验时着重关注厂用电压、 机端电压 及静稳限制.以某

630 MW 机组 A 为实例, 计算进 相工况开展进相试验, 机组 A 的基本参数见表 2. 表2 机组A基本参数 Table

2 Basic parameters of unit A 参数名称 额定容量/MVA 额定功率/MW 定子电流/kA 定子电压/kV 额定励磁电压/V 额定励磁电流/A 直轴同步电抗/p.u. 直轴暂态电抗/p.u. 参数值

700 6

300 20.207

20 427

4 317 2.26 0.279 根据式 (1) 可计算出某一有功下不同无功的功 角, 计算时, 同步电抗采用不饱和值, 深度调峰有功 为40%PN, 计算结果见表 3. 表3 机组A深度调峰进相计算工况 Table

3 Leading phase calculation condition of deep peak?regulation in unit A P/MW

250 250

250 250

250 Q/Mvar

51 0 -51 -121 -219 δ/(°) 34.7 38.9 44.0 53.0 70.0 根据式 (2) , 可计算出机端电压为 9................