张建伟，张 洋，董飞燕

（1 山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西省忻州市 035503；2 国家电网公司，北京市 100761）

大型抽水蓄能电站抽水工况下无功电压调节研究和试验

张建伟1，张 洋2，董飞燕1

（1 山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西省忻州市 035503；2 国家电网公司，北京市 100761）

抽水蓄能电站在电网中发挥着调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务，随着北方地区风电装机容量的不断增加，在正常发电模式下进行调频、调相已不能完全满足电网的需求。本文对某进口抽水蓄能机组（发电工况300MW、电动工况319.6MW抽蓄机组）发电电动机无功能力进行了分析，阐述了蓄能机组在抽水工况下无功调节的试验方法和结果，论证了发电电动机抽水工况下的无功电压调节范围，为同类型机组的抽水工况下无功电压调节能力提供了试验参考依据。

抽水蓄能；发电电动机；抽水工况；电压调节

0 引言

某抽水蓄能电站共四台抽水蓄能机组，发电工况下额定功率300MW，电动工况下额定功率319.6MW，通过单回500kV输电线路接入500kV变电站。

随着北方地区风电装机容量的不断增加，为服务坚强电网，充分发挥蓄能电站调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务，在正常发电模式下进行调频、调相已不能完全满足电网的需求，电站在抽水工况下多台机组运行已成为常态。由于电站处于电网末端，多台机组抽水时（未进行无功调节试验前）会造成500kV母线电压降低，不能满足电网电压要求，且500kV母线电压降低后厂用电压随之降低，长期运行则对相关辅助电气系统造成绝缘受损、寿命降低等不良影响。因此，亟须开展发电电动机抽水工况下无功电压调节的研究和试验。

因大型抽水蓄能电站在抽水工况下进行无功调节缺少详细的数据支撑，同时电站发电电动机为进口设备，电站针对此项问题开展了大量的专题研究和调研，会同行业内有关专家制定了详细的试验方案并于2015年4月14日选择电站2号机进行抽水工况下无功电压调节试验，目的在于通过现场试验以确定抽水蓄能机组在抽水工况下的无功电压调节能力，为电力调度部门在今后的调度工作提供试验依据，同时也为类似机组的相关试验提供参考。

1 电站电气接线及机组参数

某抽水蓄能电站装机共四台300MW机组，主接线采用四角形接线形式，发电电动机经500kV主变压器升压后接至500kV变电站。

某电站的制造厂为日本HITACHI、MITSUBISHI、TOSHIBA联营体，发电工况下额定功率为300MW（功率因数0.9），抽水工况下额定功率为319.6MW(功率因数0.975，单台机抽水运行时有功功率约为320MW；三台机抽水运行时，每台机有功功率约为315MW；四台机抽水运行时，每台机有功功率约为310MW），额定定子电压18kV，发电工况下额定定子电流10691A，抽水工况下额定定子电流10662A，发电电动机冷却方式为空冷。

励磁系统的制造厂为日本TOSHIB公司，型号为AM486DX5的励磁调节器，励磁方式为自并励，额定励磁电压为267.8V，额定励磁电流为2060A。

500kV变压器的制造厂为天威保变，型号为SSP-360000/500型变压器，额定容量为360MVA，其变比为515/18 kV。

2 发电电动机无功能力分析

2.1 发电电动机发电工况下无功试验

抽水蓄能机组发电进相无功试验机组投产初期已完成，试验在发电工况下选取有功出力为机组额定功率的40%、60%、80%、100%下的四个工况点，调节励磁电流，逐步降低励磁，使无功出力下降，直至达到试验限制条件为止，试验限制条件为：发电机定子电流最大不超过额定值，定子电压最低为0.925p.u.，定子铁芯温度小于120℃，功角值不超过70°。通过试验，确定了机组发电工况无功的主要限制因素，试验结果详见表1。

表1 2号机组发电工况无功调节数据Tab.1 No.2 generating reactive power adjustment data

2.2 发电电动机调相工况下无功试验

抽水蓄能机组调相运行时，从系统吸收少量的有功功率以维持机组正常运行，同时可调节励磁电流和励磁电压，以改变机组发电调相工况下定子电压和电流的相位关系而使机组处于迟相或进相状态，到达从系统吸收无功功率或者向系统提供无功功率的调相目的，从而调节系统的电压。试验结果详见表2。

表2 2号、4号机组调相工况下无功调节数据Tab.2 No.2 and no.4 unit generating condenser reactive power adjustment data

2.3 发电电动机调相工况下无功能力分析

抽水蓄能机组抽水运行时，作为同步电动机从电网吸收有功，同时吸收无功。抽水蓄能机组抽水工况下设计值额定功率为319.6MW，功率因数0.975。机组抽水运行吸收的有功功率不可调整，其最大功率以水泵水轮机导叶最优开度控制，保证效率最高。因此设备厂家设置了机组抽水工况运行的无功功率范围是6～–6Mvar。机组抽水运行时，电流由电网流向机组，在线路上会产生功率损耗和电压降落，以电站高压出线端为参考，电压降落见式（1）。

式中：P、Q——电站端三相有功、无功；

U——电站母线电压。

当机组抽水负载运行时，吸收有功越多电压降低也越大，当3台机组抽水运行时500kV母线电压降低明显。同时，机组抽水主变压器负载运行消耗了一部分电网无功，大量无功功率通过线路远距离输送也会造成电压损耗。因此，为提高抽水工况下500kV母线电压，需进行抽水工况下无功调节，通过额定功率和功率因数数值，可理论计算出无功调节最大约为72Mvar。

通过分析发电电动机发电工况、调相工况各项试验的数据，可得出抽水蓄能机组抽水工况下发出无功能力的主要限制因素有：发电电动机定子铁芯端部温升、发电电动机定子绕组温升、发电电动机定子电压及机组厂用段电压升高等，由于试验机组不带厂用电，因此厂用电压的升高不作为机组发出无功能力的限制因素。在试验过程中，应密切关注机组的相关运行参数变化情况，如发电电动机定子铁芯端部及线圈温度变化、机端电压、机端电流、励磁电压和励磁电流等变化情况。

3 发电电动机抽水工况无功能力试验

3.1 运行试验条件

3.1.1 抽水蓄能机组运行状态

（1）机抽水蓄能机组在抽水工况下正常运行，考虑机组在抽水工况下的运行初期有缓慢温升现象，试验在机组温度平稳后开始试验。

（2）主变压器高低压侧母线电压、厂用电母线电压应该正常范围内。

（3）发电电动机电气量、非电气量等状态量的指示应完整、准确。如定子端部铁芯和金属结构件的温度测点应准确完整。

（4）发电电动机冷却系统运行正常。

（5）自动发电控制（AGC）等其他调节发电电动机有功功率的功能组件退出运行。

（6）自动电压控制（AVC）退出，励磁调节器以外的其他影响电动机无功功率调节的功能组件及限制环节应退出或取消，无功功率应能平滑、稳定调节。

（7）其他陪试机组在试验过程中，应维持其原有工况不变。

3.1.2 励磁调节器（AVR）

（1）励磁调节器性能应符合有关规范、规定的技术要求。

（2）励磁调节器过励限制环节模型框图、逻辑说明、参数计算及调整方法等相关技术资料齐全。

（3）励磁调节器过励限制功能应完好。

（4）励磁调节器相关调节、限制、保护功能正常投入。

3.1.3 发电电动机、变压器保护

（1）发电电动机、变压器保护运行正常。

（2）试验期间失磁保护投入方式根据具体情况确定，确保试验期间机组安全。

3.1.4 电网运行条件

（1）由调度安排试验所需的运行工况（三台抽水）。

（2）涉网安全稳定措施按调度批复方案执行。

3.2 试验具体步骤

选取试验发电电动机在有功出力为310MW工况下进行试验:

（1）机组运行在抽水工况下，且机组铁芯等各部件温度平稳后试验开始。

（2）试验机有功出力维持不变，厂用电维持正常运行方式，自动励磁调节器投入。

（3）调节励磁电流，逐步增大励磁，使机组无功出力增加，在Q=0附近开始记录初始运行参数；以后每当无功出力增加5kvar左右记录一次运行参数，每点稳定5～10min（视温度变化情况而定）。

（4）继续以缓慢速度增大励磁电流，读取各点数据，直至达到试验限制条件为止。

（5）在试验中应注意以下条件：

1）试验定子电压不得高于1.02Pu（18.36kV）。

2）定子线槽/绕组温度＜120℃，定子铁芯温度＜120℃，定子端部铁芯及各金属结构件温度＜120℃。

3）冷风温度应保持在运行规程允许范围内。

4）机组的振动值在运行要求的范围内，并不出现明显的变化。

5）整个试验过程应在制造厂家的P-Q数据曲线内进行。

6）整个试验过程达到抽水工况下的额定功率因数。

（6）进行试验中发生机组失去同步后的紧急应对措施：试验中，如果发生电动机失步等异常现象，则由试验总指挥下令将机组解列。

（7）在试验中应密切注意发电电动机各温度测点的温度变化情况，当温度升高较快时需特别注意。定子铁芯温度限制值按运行规程及相关规定执行。

（8）试验中利用机组监控系统（SCADA）的信号监测机组及电网的各相关电气参数。试验过程中需记录如下数据：

定子电压Uab、Ubc、Uac（kV）；

定子电流Iab、Ibc、Iac（kA）；

有功功率P（MW）；

无功功率Q（Mvar）；

功率因数cosφ；

励磁电压Uf（V）；

励磁电流If（A）；

端部铁芯及金属构件温度；

冷风温度。

试验中：测取定子电流、定子电压、发电电动机有功功率、无功功率、转子电流、转子电压、主变高压侧电压、发电电动机定子铁芯及线圈各温度测点的变化情况。试验人员及值守人员应严格监视机组盘表的变化情况，以防超出机组的稳定极限和设定的试验限制值。

4 试验结果分析

抽水蓄能机组在抽水工况下，功率为–310MW下的试验过程中，2号机在试验机组无功为0附近的工况点开始记录各测试量。随着机组励磁调节器逐步升高励磁，发电电动机无功功率从0.3Mvar开始逐步升高并由零无功状态进入发出无功运行状态；当机组发出无功至发电电动机无功功率70Mvar时，功率因数达到抽水工况下的额定值，停止试验。

在发电机有功出力–310MW下无功试验过程中，电站500kV电压从515.4kV升高到518.3kV，升高了2.9kV；发电电动机定子电压由17.19kV升到18.08kV，发电电动机定子电压由额定电压的95.5%升至其额定电压的100.4%；发电电动机定子电流随机组发出无功量增加而减小，发电电动机定子电流在由10475A降到10189A；发电电动机励磁电压由150.2V升到185.0V，升高了35.3V；同时相应的发电电动机励磁电流由1487A升到1796A，升高了309A。

此工况试验期间，发电电动机定子铁芯各监测点温度始终在机组正常运行的允许范围内，且各点温度值远离铁芯温度限制值，对机组的进相运行没有影响。试验期间定子铁芯各监测点温度变化不大。试验过程中定子铁芯各测点温度最大不高于50℃，定子线圈各测点温度最大不高于75℃，均在正常允许范围内。试验部分结果详见表3。

表3 2号机组抽水工况下无功调节数据Tab.3 No.2 pumping reactive power adjustment data

5 试验结论

电站2号发电电动机在有功功率P= –310MW工况下的发出无功量为70Mvar。试验发电机在电动工况下的发出无功量受发电机额定功率因数0.975的条件限制，无功出力每升高1万kvar，相应的其500kV母线电压升高约为0.4kV左右。同时也证明，大型抽水蓄能电站在设计满足的范围内可在抽水工况下进行无功调节。

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张建伟（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：水电站技术管理等。E-mail：88511745@qq.com

张 洋（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：电网、水电站安全技术管理等。E-mail：97237372@qq.com

董飞燕（1983—），女，本科，工程师，主要研究方向：水电站安全管理等。E-mail：286089653@qq.com

Pumped Storage Unit Under the Working Condition of Pumping Reactive Voltage Regulating Research and Experiment

ZHANG Jianwei1,ZHANG Yang2,DONG Feiyan1
(1 Shanxi xilongchi pumped storage power station Co.,Ltd.Xinzhou Shanxi,035503,China; 2 State Grid Corporation of China,Beijing 100761,China)

The functionality played by a pumped-storage power station in a power grid includes peak load regulation,peak load shaving,frequency regulation,condensing,and emergency standby.However,as the installed capacity of wind farm increases in northern China,frequency regulation and condensing in normal generation mode no longer fully satisfy the power grid needs.This paper provides an analysis of the reactive power capability of an imported pump storage unit(a unit with a generator operation mode of 300MW and a motor operation mode of 319.6MW).The reactive power regulation test process and results of the storage unit in pumping operation are described and the reactive power voltage regulation range is verified for generator-motor pumping mode.The work provides a valuable reference to reactive power voltage regulation capability of similar units in pumping operation.

pumped storage; generator motor; working condition of pumping; voltage regulation

TV734

A 学科代码：570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.009