小型潍柴柴油发电机组功率不足原因分析
孙伟庆+徐宏涛
摘 要：发电机功率自动跟踪系统自动退出现象一直影响机组安全稳定可靠挂网运行，严重时引起降负荷、跳机等事故，功率自动跟踪自动退出发生时发电机录波器没有记录，因此依据DCS数据波形分析，从机组CCSP1、CCSP2、 CCSP3送至DCS有功功率、一次调频、调节级压力、无功功率、电网频率、机组频率、励磁电流、励磁电压、机端电压、机端电流等影像有功功率因数入手，通过不断的分析研究，采取措施进行预防，最终找到功率自动跟踪自动退出的根源。
关键词：波动分析；有功功率；无功功率；自动退出；措施
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.167
十里泉发电厂装有两台330MW机组（#6机组、#7机组）一台140MW供热机组，330MW机组主励励磁为哈尔滨JL-1434型励磁机，DCS系统为GE新华XDPS-400E型控制系统，2013年以来已有数十次AGC、CCS自动系统强制退出，机组降负荷等事故的发生，对机组安全稳定可靠挂网运行产生很大影响，对此问题不断分析研究采取措施来提高机组运行可靠性；机组有功功率分别由三块0.2级功率变送器CCSP1、CCSP2、CCSP3分别送至热控DCS01柜61号DPU 2号站1号卡16点、0号卡16点、2号卡1点的三个独立卡件上，并取中间值做为机组实时有功功率值使用。无功功率以三台并网的发电机以AVC无功自动调节系统根据发电机PQ曲线特性按照等功率因数原则下发指令分配无功负荷的。
1 机组自动退出现象
1.1 #7机组功率波动
2015年1月20日10点52分38秒（因受到DCS系统采样时间500ms约束无法细致分析只能截取到此时间间隔）#7机组AGC未投CCS投入状态，运行人员反应#7机有功功率突然波动十几MW，波动时影响发电机功率CCS自动跟踪退出，查询DCS数据。（详见表1）
1.2 #5、#6、#7机组功率波动
2015年2月3日0点37分14秒#7机组AGC未投CCS投入状态，发电机功率波动时影响CCS自动跟踪退出，查询DCS数据CCSP1为270.64MW，CCSP2为270.16MW，CCSP3为270.37MW， 0点37分14秒突然变为CCSP1为306.50MW，CCSP2為343.15MW，CCSP3为314.53MW；#7机无功41.26Mvar突然升高至110.53Mvar，突变幅度69.27Mvar；#7发电机励磁电流1844.90A升高至1910.36A。#6机组AGC投入状态，发电机功率波动时影响AGC自动跟踪退出，查询数据分析CCSP1为253.16MW，CCSP2为253.13MW，CCSP3为253.16MW，0点37分14秒突然变为CCSP1为244.71MW，CCSP2为243.39MW，CCSP3为246.48MW；#6机无功29.66Mvar突然升高至97.28Mvar，突变幅度67.62Mvar；#6发电机励磁电流1723.83A升高至1792.49A。#5机组CCS投入状态，发电机功率波动时影响CCS自动跟踪退出，查询数据分析CCSP1为101.16MW，CCSP2为101.52MW，CCSP3为101.39MW，0点37分14秒突然变为CCSP1为99.55MW，CCSP2为99.11MW，CCSP3为103.65MW；#5机无功9.62Mvar突然升高至12.31Mvar，突变幅度2.69Mvar；#5发电机励磁电流1035.72A升高至1050.38A，波动发生时3台机组功率自动跟踪全部退出。（详见表2）
1.3 #5机组功率波动
2015年2月3日17点37分20秒#5机组CCS投入状态，发电机功率波动发生时#5机组CCS自动跟踪自动退出，查询DCS数据。（详见表3）。
1.4 #7机组功率波动
2015年3月12日18点53分50秒，#7机组AGC未投CCS投入状态，运行人员反应#7机有功功率突然波动十几MW，波动时影响发电机功率CCS自动跟踪退出，查询DCS数据。（详见表4）
2 影响因数
2.1 机务分析
通过以上数据分析这几次功率波动时间为2 ～ 4 S，图1一次调频、调节级压力、转速值均未发生太大波动，当输出功率发生波动时，由于持续时间短，汽轮发电机组的输入机械功率来不及反应，在波动过程中汽轮机调节汽门开度保持不变，汽轮机调速系统未响应发电机有功功率发生的波动，可以排除汽轮机及调速系统问题。
2.2 电气分析
以上图表数据中可以看出功率几次波动都有机组无功功率突然增大的明显特征，机组电压略微降低电流增加频率保持不变，励磁电流随即增加后又恢复的变化特性，机组功率自动跟踪退出主要原因为无功突然变化所致，在分析之前先来了解下什么是无功功率。
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。在具有电感（或电容）的电路里，电感（或电容）在半周期的时间里把电源的能量变成磁场（或电场）的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场（或电场）能量送还给电源。
无功功率就是指电力系统中用于电磁能量转换的那一部分功率，无功功率在电源和负载之间来回传递而不被消耗，就像一个LC震荡电路，充了电的电容向电感放电，电感将电能变成磁场能量，电容放电终止时，电感中的磁场能量又会转变成电能向电容充电变成电场能量，周而复始，这其中传递的就是“无功功率”。
现在问题已经比较清楚了，改变发电机的励磁电流，就可以改变定子的感应电势，增大励磁电流就可以使感应电势大于端电压（电动机的端电压永远大于感应电势），从而使发电机的电流超前于端电压，使发电机发出无功功率。而表中数据说明无功功率突然增加的同时发电机的励磁电流并未增加多少！图4中励磁电流波动并不明显说明不是励磁调节器控制的结果。endprint
电力系统的某一时间，负载“消耗”的无功是和发电机“发出”的无功平衡的。一台机多带了无功，其他机组的无功负荷就会下降。当负载无功功率增大时，无功电流的增量就会在发电机的电樞反应中起到“去磁作用”，使发电机的感应电势降低，从而造成系统电压下降，严格的说是降低电压下达到新的平衡点而已，发电机无功功率突然增加并带有电压小幅波动也能说明此问题。
在排除测量误差因数外，以及当时运行人员的反应厂内电气设备中没有任何操作，和励磁电流随即增加后又恢复也能说明变化特性，参考图5图6线路录波器波形分析应该是靠近电厂处电网外部设备引起的，（远处设备应考虑谐波影像）有需要建立交变磁场和感应磁通的设备吸收网上无功所致。
比如带电投入空载变压器时，会产生励磁涌流，其值可达6～8倍额定电流。励磁涌流开始衰减较快，一般经0.5～1秒即减到0.25～0.5倍额定电流值，上图中发电机无功曲线的波形逐渐回落也能说明，但全部衰减时间较长，中小变压器约几秒，大型变压器可达10～20秒，（例如图4中无功衰减时间在8秒左右）变压器消耗的感性无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3，送电时无功突然大出额定时的几倍，这也是3台发电机无功及励磁电流同时升高几秒后振荡收窄回落恢复接近原无功数的数值，的原因之一。再如220kV线路100kM容性无功功率充电功率为13.2Mvar左右，线路送电如同巨大电容充电，吸收容性无功也类似变压器可以参考表5计算无功功率。
2.3 测量影响
测量为什么出现大幅度波动，先来了解下同步发电机的功角特性，功角特性指发电机的有功功率（P）、无功功率（Q）与发电机电抗（Xd、Xq）、内电动势（Ed）、机端电压（U）和功角（δ）的关系特性。
第二项与Ed和δ无关，它代表发电机维持一定端电压U所需励磁的无功功率。因为Ed = U*Costδ + Id*Xd，故Q = Ed*Id – Id2*Xd，即供给电网的无功功率等于主磁通转换的无功功率减去电枢绕组电感的无功损耗。由此可见，增加发电机的励磁电流（即加大Ed），便可增大发电机的无功输出。
通过以上表中数据可以看到励磁电流增加并不明显，无功反而增加很多，当电网系统波动进入发电机定子后发电机进入暂态过程，这时的功角δ增大，定子的旋转磁场转速下降，由于转子巨大机械能储备，转矩不可能瞬间下降，储备的转矩动能释放产生的功角增量，就是有功负荷的波动部分。
原来发电机运行在功角δa，发出有功为Pema，无功功率为Qa，增加机组有功功率，使功角增为δb，随着功角增大，有功功率便增加，Pema无功功率随功角增大而减小，由Qa变到Qb，|Qa|<|Qb|，由此可知，有功功率增大越多，无功减少越多，反之无功增加越多有功减少；发电机暂态过程中静态电枢电流的直轴分量（无功性质）的电枢反应，不影响主磁场的分布；电枢电流的交轴分量（有功性质）的电枢反应，则使主磁场畸变，即定子合成磁场的轴线相对于主磁极磁场轴线偏移一个角度，这个角度就近似等于功角δ。电枢电流的交轴分量愈大，磁场畸变愈大，功角δ也就愈大。
机组有功功率波动波形被发电机CCSP1、CCSP2、CCSP3有功功率变送器在不同时间所采样，（已知发电机有功功率变送器响应周期小于400ms）3块变送器的采样并不是同一周波时间内所采集的，所以在图2和图4中看到先有一块变送器采样的时间点与功率向下波动周波点一致，此时产生了功率降低的数据，也就是直轴电枢反应（无功）用的磁势多了，磁势分给交轴电枢反应来实现有功的部分就少了，有功功率下降，被其中一块变送器采集，加上系统外设备瞬间吸收大量无功，电枢反应磁势发生欠磁变化，影响系统电压小幅下降，AVC系统增加励磁，增加电枢反应磁势，此时系统外设备吸收无功开始衰减，直轴电枢反应（无功）用的磁势少了，磁势分给交轴电枢反应来实现有功的部分就多了，有功功率升高又被变送器所采集，因此形成采样功率，也就是图1至图4中3个有功功率数值大小及增减不一致的根本原因。
上面讲到电力系统中用于电磁能量转换的那一部分功率叫做无功功率，它在电源和负载之间来回传递而不被消耗，经过系统外设备吸收无功逐渐衰减直到饱和平衡，发电机无功逐步降低恢复到接近原来的稳定值。
2.4 电网无功突增量
2015年1月20日10点52分38秒#5机2.25Mvar、#6机8.3 Mvar、#7机13.37 Mvar合计无功增加23.92 Mvar。
2015年2月3日0点37分14秒#5机2.69Mvar、#6机67.62 Mvar、#7机69.27 Mvar合计无功增加139.58 Mvar。
2015年2月3日17点37分20秒#5机1.17 Mvar合计无功增加1.17 Mvar，此次网外无功增加不大没有影响#6、#7机组。
2015年3月12日18点50分50秒#7机无功增加13.06Mvar。
3 解决方案
正常情况下发电机组跟踪调度AGC下达的有功负荷指令来调整发电机的运行功率，为了机组安全可靠运行，防止P1、P2、P3功率变送器出现坏损及电气元件异常而波及到发电机所带的真实负荷，在P1、P2、P3三个功率采集点上加入了3取1并取中间值做为机组实时有功功率值使用，为了可靠期间并加入功率波动幅值限制（10MW）出现异常并退出负荷自动跟踪系统。2013年以来已有数十次因为有功功率波动而使AGC、CCS自动系统强制退出，并伴有机组降负荷等事故的发生，为此建议在有功功率波动幅值逻辑判断的条件上增加无功功率变化的判断量，例如：有功功率波动幅值超限时并判断无功是否波动过大的条件，有功功率波动的同时无功也变化即为电网系统设备正常操作，不予退出AGC、CCS自动；反之退出。 无功功率波动幅值定值计算可参考2.4电网无功突增量进行。
2015年2月3日17点37分20秒#5机1.17 Mvar合计无功增加1.17 Mvar，此次只影响#5机没有影响#6、#7机组。当210十叶线出现图5中电流异常畸变时原因参考图7，#5机组在系统中最近，并且无功只有1.17 Mvar，#5机组满足了无功要求，所以#6、#7机组没有影响。
4 结束语
在搜集资料形成研究观点以及修改的过程中，发现许多问题比如#6、#7机组DCS系统的GPS对时问题（相差几十秒），再如2015年2月3日0点37分14秒#6、#7机组同一时刻却功率相反等许多细小问题，由于分析数据有限在此不好妄下结论。
参考文献：
[1]汤蕴，史乃编著.电机学（国家重点教材）[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]周善龙主编，谭兴强副主编.热工仪表及自动控制系统[M].化学工业出版社，2012.
[3]刘取主编.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].中国电力出版社，2007.
[4]高有权等编著.发电机变压器继电保护设计及整定计算[M].中国电力出版社，2011.endprint
