汽輪發(fā)電機失磁異步運行仿真分析

張建濤，胡 剛

(哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

汽輪發(fā)電機失磁異步運行仿真分析

張建濤，胡 剛

(哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

指出汽輪發(fā)電機失磁異步運行可以減小起停機成本，而且對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有重要意義。采用Simulink軟件搭建了汽輪發(fā)電機失磁異步運行的仿真模型，仿真得到了勵磁回路短路和開路兩種失磁情況下的電機動態(tài)特性，為汽輪發(fā)電機的失磁保護及運行控制提供了依據(jù)。

汽輪發(fā)電機；失磁；異步運行；仿真

0 引言

汽輪發(fā)電機失磁異步運行，是指發(fā)電機失去勵磁后仍輸出一定的有功功率，以低轉(zhuǎn)差率與電網(wǎng)并聯(lián)運行的一種特殊運行技術(shù)。發(fā)電機突然地部分或全部失磁，是發(fā)電機勵磁回路常見的故障之一。大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障的種類很多，其中以誤操作、檢修維修不良、失磁保護誤動作等居多。多數(shù)失磁故障是能夠快速排除的。因此，當發(fā)電機出現(xiàn)失磁故障時，若能允許短時異步運行，電氣人員便可藉此機會尋找失磁原因，迅速消除失磁故障，恢復勵磁實現(xiàn)再同步，恢復電機正常運行[1-3]。

當發(fā)電機失磁后，如果采取立即解列以至停機的措施，并不是最好的方法。對于大容量的機組，突然切機、甩負荷對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是不利的，對發(fā)電機本身的壽命也是有影響的。如果發(fā)電機所處的電網(wǎng)，有一定的無功儲備，經(jīng)過計算，確定發(fā)電機失磁異步運行不會危機系統(tǒng)的穩(wěn)定，也不會影響電機本身的安全運行，則可以允許發(fā)電機失磁異步運行一段時間。這對于減少用戶停電、確保供電可靠、提高電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行是具有重要意義的[3]。

20世紀80年代，在電科院的指導和推動下，以試驗研究所為主，聯(lián)合調(diào)度部門、發(fā)電廠共同配合，并邀請高等院校參加，在一批100 MW、125 MW和200 MW汽輪發(fā)電機組上進行了失磁異步運行試驗，積累了很多經(jīng)驗和研究成果?！捌呶濉逼陂g，哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計所對國產(chǎn)化300/600 MW汽輪發(fā)電機失磁后異步運行進行了研究，開發(fā)了相應的計算程序。但由于當時技術(shù)手段限制，采用了很多的假設(shè)，比如發(fā)電機鐵磁材料的非線性、定子結(jié)構(gòu)形式等。近年來，有些高校采用機網(wǎng)耦合的有限元法對發(fā)電機失磁異步運行方面進行了研究，但耗時較長，不適用于工程應用。因此，筆者采用Matlab/Simulink軟件建立汽輪發(fā)電機失磁異步運行的仿真模型，分析電機失磁后的動態(tài)行為。

1 失磁異步運行的基本原理

由電機理論可知，汽輪發(fā)電機的直軸和交軸同步電抗近似相等。當發(fā)電機并網(wǎng)運行時，其輸出電磁功率可用下式表示

其中Pe為電磁功率，U為電網(wǎng)電壓，δ為功角，xd為直軸同步電抗。Ed為勵磁磁勢在定子中所感應的同步電勢。

以發(fā)電機短路失磁為例。在失磁瞬間，轉(zhuǎn)子仍處于同步運行狀態(tài)。雖然轉(zhuǎn)子電壓變?yōu)?，但由于磁通不能突變，轉(zhuǎn)子電流將近似地按指數(shù)規(guī)律衰減。于是Ed也逐漸減小，而端電壓與電網(wǎng)保持不變，則發(fā)電機電磁功率減小。由于原動機所供給的機械功率不變，故轉(zhuǎn)子逐漸加速，功角隨之增大，以自動補償Ed的下降，而使電磁功率Pe與機械功率Pm保持平衡。這個過程可用功角特性曲線加以描述，如圖1所示。失磁后，由于Ed下降，功角特性按1、2、3、4依次下移。顯然，功角特性下降到2時，電機尚不會失步，只是功角δ1由增大到δ2，仍保持Pe與Pm的平衡。當功角特性下降到曲線3時，功角δ增大到靜態(tài)穩(wěn)定極限90°，發(fā)電機處于臨界失步狀態(tài)。之后，隨著Ed繼續(xù)下降，功角特性繼續(xù)下移如曲線4所示，則原動機的機械功率大于發(fā)電機輸出的電磁功率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)差率升高，平均異步轉(zhuǎn)矩增大，發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)，直至平均異步轉(zhuǎn)矩與輸入機械功率相等，電機進入穩(wěn)態(tài)異步運行狀態(tài)[1]。

1、2、3、4分別為不同的功角特性曲線，Pm為機械功率，Pjp為平均異步轉(zhuǎn)矩，s為轉(zhuǎn)差率圖1 發(fā)電機失磁后功角特性

2 失磁異步運行的仿真模型

2.1 基本假設(shè)

采用Simulink軟件建立汽輪發(fā)電機失磁異步運行的仿真模型，為了簡化問題，需要做如下假設(shè)：

1) 忽略電機磁場變化，假定電機在失磁過程中電磁參數(shù)保持不變；

2) 不考慮汽缸的調(diào)節(jié)作用，假定失磁過程中的機械輸入功率不變；

3) 電機與無窮大電網(wǎng)相連，并且電網(wǎng)無功容量充足。

2.2 仿真模型

根據(jù)以上假設(shè)，建立汽輪發(fā)電機失磁異步運行

的仿真模型，如圖2所示。

圖2 汽輪發(fā)電機失磁異步運行仿真模型

發(fā)電機發(fā)生失磁故障的類型很多，像開路失磁、部分失磁，經(jīng)消弧線圈失磁、短路失磁等。針對兩種極端情況，即完全開路和短路失磁進行仿真分析。

發(fā)電機發(fā)生短路失磁后，轉(zhuǎn)子外施電壓為0，在仿真中可以用階躍變化的電壓信號模塊實現(xiàn)這一過程，而發(fā)生開路失磁后，轉(zhuǎn)子電流為0，轉(zhuǎn)子電阻相當于無窮大。根據(jù)這一原則，在勵磁回路中添加一控制開關(guān)，如圖3所示。當發(fā)生開路失磁后，轉(zhuǎn)子回路接入一外部電阻Rex(Rex=1 000Rf)，從而實現(xiàn)開路失磁工況的模擬。

圖3 勵磁回路模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電機基本數(shù)據(jù)

以一臺350 MW汽輪發(fā)電機為例，分析其發(fā)生失磁故障后的動態(tài)響應過程，表1為電機基本數(shù)據(jù)。

表1 電機基本數(shù)據(jù)

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述仿真模型，可以仿真不同失磁情況的電機動態(tài)性能。圖4為帶額定負載時發(fā)生短路失磁后的異步運行情況。失磁前，電機帶額定負載運行，在5s的時候轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路失磁。從圖上可以看出，失磁后，發(fā)電機輸出功率發(fā)生波動，最大幅值可達到額定的1.5倍，但平均值基本與額定功率相等。發(fā)電機由發(fā)出無功變?yōu)槲諢o功，定子電流有效值發(fā)生變化，勵磁電流變?yōu)榻蛔冸娏?，頻率為定子電流波動頻率的一半，定子電流達額定電流的1.28倍。所以失磁后需關(guān)注定子線棒的發(fā)熱情況。功角也在-200°與+200°間波動。電機轉(zhuǎn)速以一定周期波動。

圖4 短路失磁仿真結(jié)果

圖5為電機發(fā)生開路失磁后的仿真結(jié)果。電機故障前帶額定負載正常運行，5 s時發(fā)生開路失磁，轉(zhuǎn)速上升，無功功率由正變負，表明從電網(wǎng)吸收無功來給電機勵磁，在7 s左右電機已進入穩(wěn)態(tài)異步運行階段。故障發(fā)生后，電流、功率及轉(zhuǎn)速波動很大，波動周期較短路失磁的小，機組運行很不穩(wěn)定。因此，發(fā)生開路失磁后，需要減小汽輪機的進汽量，降低電機輸出。

圖5 開路失磁仿真結(jié)果

4 結(jié)語

筆者采用Simulink軟件，構(gòu)建了汽輪發(fā)電機失磁異步運行的仿真模型，仿真得到了勵磁回路短路和開路兩種失磁情況下的電機動態(tài)特性，得出結(jié)論如下：

1) 由于發(fā)生失磁后，電機有功功率、轉(zhuǎn)速波動大，需要迅速減小有功輸出，以免引起電機振動過大；

2) 由于失磁后電機由發(fā)出無功變?yōu)槲諢o功，需要注意電網(wǎng)中無功功率容量是否足夠，以免拉低電網(wǎng)電壓；

3) 電機失磁異步運行后，相當于進入進相運行狀態(tài)，端部發(fā)熱嚴重，需要關(guān)注邊端鐵心發(fā)熱情況。

[1] 姚晴林.同步發(fā)電機失磁及其保護[M].北京：機械工業(yè)出版社,1981.

[2] 周德貴, 鞏德林. 同步發(fā)電機運行技術(shù)與實踐[M].2版.中國電力出版社, 1995.

[3] 汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2000.

·信息點滴·

能源互聯(lián)網(wǎng)時代清潔能源裝備前景廣闊

能源互聯(lián)網(wǎng)是解決國家能源環(huán)保命題的必由之路，其領(lǐng)域主要可以包括傳統(tǒng)煤電燃氣的清潔高效利用、高耗能動力設(shè)備裝置的節(jié)能降耗、風電光伏可再生能源的利用、分布式能源的廣泛利用、新能源汽車和儲能的應用、電力系統(tǒng)的智能化互聯(lián)網(wǎng)化。

從特定意義上說，所謂能源互聯(lián)網(wǎng)就是把以上六者有機串聯(lián)融合起來的紐帶。能源互聯(lián)網(wǎng)是個價值經(jīng)濟體: 安全穩(wěn)定、可靠高效、節(jié)能環(huán)保。構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，服務人類社會可持續(xù)發(fā)展，針對當前能源利用現(xiàn)狀，國家電網(wǎng)公司董事長、黨組書記劉振亞指出，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)最需要加快能源變革、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而完成這兩點最根本的出路是實現(xiàn)清潔替代和電能替代。清潔替代要求未來清潔能源代替化石能源，而電能替代則要求在能源消費模式上實現(xiàn)以電代煤、以電代油。“清潔能源、新能源、可再生能源是未來能源行業(yè)的主力軍，取代傳統(tǒng)能源是大勢所趨，積極發(fā)展清潔能源對于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進經(jīng)濟轉(zhuǎn)型有巨大幫助?！睂＜曳治霰硎?。同時，清潔能源項目能夠帶動大量基礎(chǔ)設(shè)備產(chǎn)業(yè)投資、拉動國民經(jīng)濟增長，并能有效降低環(huán)境污染、為環(huán)保工作作出巨大貢獻。

在國務院常務會議上強調(diào)大力發(fā)展清潔能源，開工建設(shè)一批風電、水電、光伏發(fā)電及沿海核電項目。會議要求，要做好項目前期工作，完善和落實配套政策，改革投融資機制，吸引更多社會資本參與，促進項目順利實施。業(yè)內(nèi)專家認為，清潔能源是能源使用以及發(fā)展的新趨勢，未來發(fā)展?jié)摿薮?。中投顧問能源行業(yè)研究員宛學智在接受采訪時表示，大力發(fā)展清潔能源裝備是國家層面確定的宏觀戰(zhàn)略，有關(guān)部門、地方政府已經(jīng)制定多項扶持舉措力促清潔能源行業(yè)的發(fā)展，并對積極生產(chǎn)和使用清潔能源的企業(yè)及民眾進行獎勵，隨著稅收、財政、產(chǎn)業(yè)、融資、并網(wǎng)、土地等各方面政策逐漸完善，我國清潔能源裝備消費占比將不斷攀升。而接下來金融細分政策或?qū)C布出臺，這將會使清潔能源裝備有望走入千家萬戶。在引入民資上還需要進一步激發(fā)民間資本參與的熱情，使民間資本進入清潔能源行業(yè)的道路更加順暢，以此來推動民間資本對清潔能源裝備領(lǐng)域發(fā)展的潛力。

國家能源局局長吳新雄在2014年全國能源工作會議上曾強調(diào)，2014年國家能源局將大力發(fā)展清潔能源，促進能源綠色發(fā)展。

專家建議，未來我國裝備業(yè)的出口仍將面臨較大的壓力。因為隨著國外的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移或者升級，更多的高能耗或者高污染、有重大危險源的裝備制造，要么被淘汰，要么向國外轉(zhuǎn)移，會使市場的需求度降低，因此國內(nèi)的裝備制造業(yè)應該向高端化發(fā)展，加大清潔能源裝備的開發(fā)力度，形成水電、核電、燃氣、風電、太陽能“新五電”并舉的清潔能源裝備研制能力。要不斷開拓進取，力爭有更大的作為，讓新能源裝備成為拉動我國經(jīng)濟發(fā)展的新引擎。建議政府財政撥款建立“清潔技術(shù)與新能源裝備發(fā)展基金”，主要用于開發(fā)所需科研費用補貼，支持中小企業(yè)投資清潔技術(shù)與新能源裝備。

20140404

張建濤，女，1983年生，2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機與電器專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電機設(shè)計及電機電磁場分析。