大型汽輪發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)計(jì)算新方法

宋敏慧，楊華峰，李桂芬，李金香，張春莉，胡　剛

(1． 哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱　150040； 2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

大型汽輪發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)計(jì)算新方法

宋敏慧1，楊華峰2，李桂芬2，李金香2，張春莉2，胡剛2

(1． 哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱150040； 2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：闡述了常規(guī)的誤同期并網(wǎng)計(jì)算方法不適用機(jī)組輸送三個(gè)變電站，提出了新的計(jì)算方法，來(lái)計(jì)算機(jī)組輸送三個(gè)變電站的誤同期并網(wǎng)的計(jì)算。通過(guò)建立大型汽輪發(fā)電機(jī)的狀態(tài)方程及仿真模型，利用該模型實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)時(shí)的時(shí)域仿真和分析，給出電機(jī)120°和180°誤同期并網(wǎng)工況下的瞬態(tài)電流和電磁轉(zhuǎn)矩，給出了電流和電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線和最大值。

關(guān)鍵詞：誤同期并網(wǎng)；狀態(tài)方程；電磁轉(zhuǎn)矩

0引言

誤同期并網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組造成的沖擊可能比其出口發(fā)生突然短路時(shí)還要嚴(yán)重。20世紀(jì)80年代以后，美、英、德、法、意等國(guó)都對(duì)機(jī)組規(guī)定了應(yīng)承受120°誤同期并網(wǎng)的能力。當(dāng)時(shí)的電力部也根據(jù)中國(guó)實(shí)際情況，要求大機(jī)組在升壓變壓器阻抗假定為15%，連接系統(tǒng)的短路容量為43 000 MVA時(shí)，機(jī)組在保證壽命期間應(yīng)能承受180°誤并列5次，120°誤并列2次，其扭矩不應(yīng)超過(guò)其軸材料極限。聯(lián)軸器、定子鐵心機(jī)座及基礎(chǔ)螺栓等應(yīng)無(wú)顯著損壞現(xiàn)象，同時(shí)還要求運(yùn)行部門嚴(yán)格限制并列時(shí)的誤差角不超過(guò)20°。只有滿足并網(wǎng)條件方可并網(wǎng)，但在實(shí)際并網(wǎng)過(guò)程中，由于同期裝置誤發(fā)合閘脈沖、斷路器合閘時(shí)間變化、人員誤操作等原因，很容易出現(xiàn)誤同期并網(wǎng)。因此誤同期并網(wǎng)的分析計(jì)算一直是電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制部門都十分關(guān)心的問(wèn)題，制造廠對(duì)每臺(tái)機(jī)組都要進(jìn)行誤同期并網(wǎng)的分析計(jì)算，以保證機(jī)組滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

1基本數(shù)據(jù)

計(jì)算中涉及到的機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

發(fā)電機(jī)主要數(shù)據(jù)如表1所示，主變壓器及輸電線路基本參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表1　汽輪發(fā)電機(jī)主要數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

表2　主變壓器基本參數(shù)

表3　輸電線路基本參數(shù)

2數(shù)學(xué)模型及研究方法

2.1仿真模型

基于SIMSEN仿真軟件，建立了電廠系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。分別建立了電廠1號(hào)機(jī)至220 kV 1、2和3變電站及2號(hào)機(jī)至220 kV變電站4的系統(tǒng)仿真模型，發(fā)電機(jī)采用PARK方程模型，并考慮了機(jī)械軸系的耦合作用。其中，VS1～VS3：無(wú)窮大電網(wǎng)；CB1，CB2和CB31及CB32：開(kāi)關(guān)；LN11- LN31：線路阻抗；T1：主變壓器；SM1：同步發(fā)電機(jī)；G1，LPA1，LPB1，LP1，HP1：軸系質(zhì)量塊；VS1E：勵(lì)磁電壓源；GRND1和GRND2：接地阻抗；ILABC和TEM輸出結(jié)果模塊。

(a) 1號(hào)機(jī)至地點(diǎn)1、地點(diǎn)2及地點(diǎn)3 220 kV變電站

(b) 2號(hào)機(jī)至地點(diǎn)4 500 kV變電站圖1　某電站汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真模型

2.2研究方法及狀態(tài)方程

2.2.1計(jì)算方法

2.2.2狀態(tài)方程

SIMSEN仿真軟件計(jì)算發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)的狀態(tài)方程。在dq0坐標(biāo)系中同步電機(jī)的電壓方程為[2]：

Udq0=Cψdq0+RIdq0

(1)

式中，Udq0為定子、轉(zhuǎn)子和阻尼繞組的端電壓列矩陣；Idq0為電流列矩陣。

(2)

(3)

R為定子、轉(zhuǎn)子和阻尼繞組的電阻矩陣：

(4)

C為系數(shù)矩陣：

(5)

ψdq0為磁鏈列矩陣：

ψdq0=XIdq0

(6)

其中

(7)

(8)

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

(9)

式中，H為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)；θ為轉(zhuǎn)子位置角；Tm為輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。Te=xqiqid-xdidiq+xadifdiq+xadikdiq-xaqikqid(10)

采用4階龍格-庫(kù)塔法進(jìn)行疊代計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果

圖2～5分別給出了電廠1號(hào)機(jī)至地點(diǎn)1、地點(diǎn)2和地點(diǎn)3 220 kV變電站和2號(hào)機(jī)至地點(diǎn)4 500 kV變電站在120°和180°誤同期并網(wǎng)時(shí)的ia-t，ib-t,ic-t,Tem-t的曲線，給出了各變量的最大值見(jiàn)表4。

表4　最大值(標(biāo)么值)

注：電流以額定電流有效值IN為基值，電磁轉(zhuǎn)矩以額定容量SN對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為基值。

圖2　1號(hào)機(jī)120°誤同期并網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)程

圖3　2號(hào)機(jī)120°誤同期并網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)程

圖4　1號(hào)機(jī)180°誤同期并網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)程

圖5　2號(hào)機(jī)180°誤同期并網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)程

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)院提供的詳細(xì)數(shù)據(jù)，使得我們?cè)谟?jì)算誤同期并網(wǎng)的計(jì)算中有了新的突破，獲得了一種大型汽輪發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)計(jì)算的新方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)論：

1) 新方法可以更準(zhǔn)確計(jì)算多輸電線路的誤同期并網(wǎng)的計(jì)算。

2) 從結(jié)果數(shù)據(jù)表中可以看出，線路阻抗不同、支路數(shù)不同1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)參數(shù)相同的情況下計(jì)算發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)電流峰值結(jié)果相差不是很大，但電磁轉(zhuǎn)矩明顯不同。

3) 從結(jié)果圖中也可以看出2號(hào)機(jī)的幅值衰減程度明顯要快于1號(hào)機(jī)，這說(shuō)明線路阻抗和支路數(shù)對(duì)結(jié)果有一定的影響。

4) 從結(jié)果數(shù)據(jù)表中電磁轉(zhuǎn)矩最大值看，120°誤同期并網(wǎng)時(shí)比突然時(shí)大，而從電流最大值看，120°誤同期并網(wǎng)時(shí)比突然短路時(shí)大，電流和轉(zhuǎn)矩大小比機(jī)端突然短路故障還大，故當(dāng)機(jī)組發(fā)生誤同期并網(wǎng)故障時(shí)，如果是最不利的誤差角，對(duì)電機(jī)造成的損壞程度，可能不亞于機(jī)端突然短路故障。

5) 從計(jì)算中可以得出180°誤同期并網(wǎng)電流大于120°誤同期并網(wǎng)。

以上分析結(jié)果為提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)為機(jī)組某些特殊運(yùn)行方案可行性及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要依據(jù)，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行能力。

參考文獻(xiàn)

[1]湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]湯蘊(yùn)璆.交流電機(jī)動(dòng)態(tài)分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]陳文純.電機(jī)瞬變過(guò)程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

作者簡(jiǎn)介：

宋敏慧，1984年生，女，2007年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，工程師，現(xiàn)任于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，大電機(jī)研究所電機(jī)室，從事電機(jī)電磁研究工作。