遠(yuǎn)距離高阻抗送出發(fā)電機(jī)失磁過程仿真及保護(hù)分析

張兵海蘇 燦陳 鵬王心蕊焦玉剛

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國網(wǎng)劉家峽水電廠,甘肅 臨夏 731600;3.陜西德源府谷能源有限公司,陜西 榆林 719400)

0 引言

發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接后,汽輪機(jī)(或水輪機(jī)等)繼續(xù)調(diào)升轉(zhuǎn)速的能量轉(zhuǎn)換為送出有功功率,繼續(xù)調(diào)升勵(lì)磁電流的能量則轉(zhuǎn)換為送出無功功率。有功、無功功率送出的量值與機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)相關(guān)聯(lián),在機(jī)組參數(shù)(含升壓變壓器)不變的情況下,送出系統(tǒng)的阻抗、電壓包括輸電線路、變電站設(shè)備、負(fù)荷阻抗等參數(shù)對功率的送出關(guān)系密切。當(dāng)送出系統(tǒng)阻抗大到一定程度時(shí),尤其是經(jīng)過超長輸電線路連接到超高壓或特高壓電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組,一般認(rèn)為可能存在出力受限的問題。與出力受限相對應(yīng),發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁時(shí),一般認(rèn)為按照DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》(簡稱“整定導(dǎo)則”)[1]取異步阻抗圓(簡稱“異步圓”)整定的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)可能存在無法動(dòng)作的問題。

本文通過PSCAD 仿真軟件,對這種接于超高壓或特高壓的遠(yuǎn)距離高阻抗輸電系統(tǒng),發(fā)電機(jī)失磁過程進(jìn)行仿真,對失磁后發(fā)電機(jī)機(jī)端阻抗軌跡和失磁保護(hù)整定原則進(jìn)行了分析,提出了適用于送出系統(tǒng)超高阻抗時(shí)的失磁保護(hù)異步圓整定原則。

1 發(fā)電機(jī)失磁過程分析

1.1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)狀態(tài)功率

發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接后的功率理論表達(dá)式,見式(1)和式(2)。

式中:P為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后輸出的有功功率;Q為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后輸出的無功功率;E0為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢;Us為系統(tǒng)電壓;δ為功角,即發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢與系統(tǒng)電壓之間的角度差;XdΣ為整體直軸感抗,包含發(fā)電機(jī)電抗、升壓變壓器電抗、電網(wǎng)電抗;XqΣ為整體交軸電抗,對于隱極機(jī),認(rèn)為XdΣ=XqΣ,式(1)簡化為式(2)。

由式(1)或式(2)可以看出,當(dāng)XdΣ大到一定程度時(shí),即機(jī)組與系統(tǒng)聯(lián)系較弱時(shí),發(fā)電機(jī)的出力會(huì)受限。同理,發(fā)電機(jī)失磁時(shí),發(fā)電機(jī)的進(jìn)相功率也將受影響,當(dāng)失磁保護(hù)整定為阻抗圓時(shí),面臨異步圓和靜穩(wěn)圓的選擇問題[2],整定不當(dāng)可能引起相應(yīng)故障時(shí)的保護(hù)拒動(dòng)。

1.2 發(fā)電機(jī)失磁后電量參數(shù)滑行軌跡

發(fā)電機(jī)失磁故障產(chǎn)生原因有多種,包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障、整流功率元件故障、勵(lì)磁回路短路和開路、轉(zhuǎn)子繞組短路和開路等,不同的故障部位最終對應(yīng)的故障現(xiàn)象均為轉(zhuǎn)子電壓和/或轉(zhuǎn)子電流的消失。

以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組完全短路為例,當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組突然短路后,轉(zhuǎn)子電壓Efd瞬降為零,但轉(zhuǎn)子電流Ifd有一個(gè)衰減的過程,衰減時(shí)間常數(shù)為Lrotor/Rrotor,在慣性時(shí)間Tj之前機(jī)械轉(zhuǎn)矩即汽(水)輪機(jī)動(dòng)力沒有變化,這樣發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢與系統(tǒng)電壓間功角δ逐漸增大。隨著δ增大,使cosδ變小,當(dāng)后發(fā)電機(jī)機(jī)端的阻抗軌跡由第1象限向第4象限滑過R軸,即X過零點(diǎn);當(dāng)δ=90°時(shí)發(fā)電機(jī)送出的有功功率為最大值,即機(jī)端阻抗的R值最大;當(dāng)δ繼續(xù)增大,因?yàn)閟inδ變小、cosδ增大,發(fā)電機(jī)送出的有功則開始降低、無功反方向開始數(shù)值增大;δ大于180°后,有功反向數(shù)值開始增大,無功仍為反向數(shù)值開始變小,發(fā)電機(jī)進(jìn)行失步狀態(tài)。

一般正常運(yùn)行功角δ0<45°,失磁后從δ0到90°區(qū)間,機(jī)端阻抗沿等有功圓滑行,在90°到180°區(qū)間,Ifd衰變趨于平緩,機(jī)端測量阻抗的X值近似恒值,這個(gè)過程X≈X″d,即慣性時(shí)間Tj之后功角超過180°,機(jī)組變?yōu)楫惒竭\(yùn)行。

1.3 發(fā)電機(jī)阻抗圓原理失磁保護(hù)行為分析

發(fā)電機(jī)失磁后阻抗軌跡在從第1象限沿等有功圓滑到第4象限異步運(yùn)行后,應(yīng)進(jìn)入失磁保護(hù)整定的靜穩(wěn)或異步阻抗圓,保護(hù)動(dòng)作。發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)阻抗圓見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)阻抗圓

圖1中,圓1為靜穩(wěn)阻抗圓(簡稱“靜穩(wěn)圓”),圓2為異步阻抗圓,圓1和圓2的下邊界相同,均為-Xd,圓1的上邊界為Xs,圓2的上邊界為-0.5X′d。一般建議整定為異步圓,即圓2。按異步圓整定的好處是不必考慮保護(hù)誤動(dòng)的問題,即保護(hù)裝置所配置的各種閉鎖均可以取消,如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓閉鎖、定子電壓(或/和母線電壓)閉鎖、負(fù)序電流閉鎖、反向無功閉鎖、PT 斷線閉鎖等。當(dāng)異步阻抗圓與等有功圓不相交時(shí),一般認(rèn)為應(yīng)將阻抗圓整定為靜穩(wěn)圓,靜穩(wěn)圓需要配置各種閉鎖防止誤動(dòng)。

為了防止誤動(dòng),一般發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)均整定為異步圓,但是當(dāng)阻抗滑行軌跡沒有進(jìn)入異步圓或者雖然進(jìn)入了圓內(nèi)但在圓內(nèi)滑行時(shí)間如果過短,則保護(hù)將可能拒動(dòng)。

發(fā)電機(jī)失磁后的阻抗軌跡滑入靜穩(wěn)圓沒有爭議,但在特殊參數(shù)接線方式,如超高壓或特高壓超長輸電線路時(shí),送出系統(tǒng)阻抗較大,這種情況的失磁機(jī)端測量阻抗能否可靠進(jìn)入異步圓,存在爭議。

等有功阻抗圓示意見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)等有功阻抗示意

2 發(fā)電機(jī)失磁后的阻抗變化分析

發(fā)電機(jī)瞬態(tài)阻抗表達(dá)式見式(3)[35],推導(dǎo)過程見《電機(jī)瞬態(tài)分析》。

式中:Xδ為定轉(zhuǎn)子繞組之間的漏抗;Xad為定轉(zhuǎn)子繞組主磁通回路電抗;XFδ為勵(lì)磁繞組漏抗;XDδ為阻尼繞組漏抗;ρ=js為海氏計(jì)算因子,s為轉(zhuǎn)差率;Xd、Xq為發(fā)電機(jī)同步直軸、交軸電抗;X′d、X′q為發(fā)電機(jī)暫態(tài)直軸、交軸電抗;X″d、X″q為發(fā)電機(jī)次暫態(tài)直軸、交軸電抗;T′d為發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)時(shí)間常數(shù);T″d、T″q為發(fā)電機(jī)次暫態(tài)直軸、交軸時(shí)間常數(shù)。

對于外部短路故障,當(dāng)t=0.0 s時(shí),發(fā)電機(jī)阻抗X=X″d;當(dāng)t=T″d時(shí),X=X′d。

對于失磁故障,當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組短路失磁,在Ifd衰變過程中,X由負(fù)荷感抗衰降約為反向X″d;滑差階段,X=Xd(ρ)+jXq(ρ),隨著轉(zhuǎn)差率的波動(dòng),阻抗呈現(xiàn)為不規(guī)則圓軌跡。當(dāng)轉(zhuǎn)差率s穩(wěn)定時(shí),如調(diào)速器可靠調(diào)節(jié),軌跡阻抗圓接近于正圓;如不考慮調(diào)速器的作用,即當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm不變時(shí),轉(zhuǎn)速將越來越快,s越來越大,這種情況軌跡圓則越滑越小且越接近于葫蘆狀。因?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩的存在,軌跡圓均偏于第4象限,即軌跡圓的R平均值為正。根據(jù)簡化的計(jì)算可知,s接近或等于0時(shí),X=-Xd;對于汽輪機(jī)來說,s最高按-0.1考慮(不考慮轉(zhuǎn)速超過3 300 r/min情況,因?yàn)檫@種情況有超速保護(hù)在起作用),對于算例的機(jī)組參數(shù),滑差圓的最小阻抗(不考慮負(fù)號,下同)X=-0.1Xd≈-X″d。

對于轉(zhuǎn)子繞組開路失磁,開路斷口將產(chǎn)生過電壓,同時(shí)Ifd瞬變?yōu)榱?對于滅磁開關(guān)誤分,相當(dāng)于轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)滅磁電阻短路,Ifd衰變時(shí)長與完全短路不同;對于調(diào)節(jié)器故障,如果功率元件完全關(guān)閉,則相當(dāng)于轉(zhuǎn)子繞組開路,如果是功率元件交流短路,則為關(guān)閉和短路交叉狀態(tài)。

失磁故障形式的不同,影響的僅是異步過程,對機(jī)端測量阻抗的滑行圓區(qū)域認(rèn)為影響可忽略,對阻抗影響較大的因素主要是機(jī)組參數(shù)和失磁前的負(fù)載程度,即功角δ和初相角φ。根據(jù)分析,負(fù)載大小對滑差s數(shù)值影響較大,因此如果機(jī)組送出系統(tǒng)的阻抗較大,則進(jìn)入保護(hù)異步圓可能略晚。因?yàn)槭Т藕髾C(jī)端阻抗阻抗反向最大值是穩(wěn)定的,即為-Xd,不同的是反向最小阻抗,因此本文主要對反向最小阻抗影響較大的失磁形式即完全短路失磁進(jìn)行研究仿真。

3 PSCAD建模仿真計(jì)算分析

3.1 仿真模型搭建

與Matlab不同,PSCAD 是專用于電力系統(tǒng)仿真的工具,可以通過圖形化的組合,搭建所要計(jì)算的機(jī)組或電網(wǎng)模型,對各種異常、短路故障等進(jìn)行仿真計(jì)算。本文以660 MW 機(jī)組并網(wǎng)到500 k V 電網(wǎng)示例搭建模型,見圖3。計(jì)算和仿真[5]以某火電廠某臺(tái)機(jī)組為案例,涉及的設(shè)備和系統(tǒng)參數(shù)為:

圖3 發(fā)電機(jī)組失磁故障仿真計(jì)算模型

發(fā)電機(jī):汽輪發(fā)電機(jī),額定容量660 MW,額定電壓20 k V,額定電流21.17 kA,cosφ=0.9,Xd″=0.223 86/0.243 33(飽和/不飽和值),Xd′=0.293 50/0.333 52(飽和/不飽和值),Xd=2.496 24,T″d0=0.046 s,T′d0=8.728 s,T′d=1.026 s,T″d=0.035 s,TJ=3.51;主變壓器參數(shù)為:Se=810 MVA,額定電壓20/525 k V,短路阻抗XT=0.158 7;系統(tǒng)等效參數(shù)為:SB=1 000 MVA,UB=525 k V,X1max=0.16,X1min=0.33。

示例中的電廠共有4臺(tái)機(jī)組,通過250 km 的雙回500 k V 線路到某500 k V 變電站,經(jīng)串補(bǔ)電容后再經(jīng)近200 km 的四回500 k V 線路并入主電網(wǎng),系統(tǒng)參數(shù)已等效到電廠500 k V 母線,因此仿真計(jì)算時(shí)不再考慮線路阻抗和串補(bǔ)影響等。

機(jī)組和電網(wǎng)均按最小方式運(yùn)行考慮,廠內(nèi)按1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行考慮。因PSCAD 不能直接測量阻抗,因此由功率和電壓測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)機(jī)端測量阻抗與功率的轉(zhuǎn)換關(guān)系,見式(4)。

式中:U、I為機(jī)端電壓、機(jī)端電流,S為視在功率。

式(4)在PSCAD 中的模型應(yīng)用,見圖4。設(shè)置失磁保護(hù)異步阻抗圓動(dòng)作元件,模型見圖5。圖5中的失磁保護(hù)異步阻抗圓模塊中設(shè)置為:圓心為(0,-1.332)p.u.、半徑為1.164 p.u.,閉鎖電壓為0.85 p.u.,保護(hù)延時(shí)為1.0 s。

圖4 功率與阻抗轉(zhuǎn)換模型

圖5 失磁保護(hù)模型

3.2 發(fā)電機(jī)重載工況自動(dòng)控制模式仿真

故障仿真設(shè)置的初始時(shí)刻為t0=50.0 s,t0之前的時(shí)間為軟件初始化后的不穩(wěn)定階段,需要等各電氣輸出參數(shù)穩(wěn)定并到達(dá)期望數(shù)值后才可以開始仿真。按故障前發(fā)電機(jī)重載考慮,通過調(diào)整勵(lì)調(diào)節(jié)器磁模塊和質(zhì)量模塊(也可使用汽或水輪機(jī)+調(diào)速器模塊)置數(shù),使模型中發(fā)電機(jī)出力達(dá)到要求值。計(jì)算時(shí)有功送出為P≈576 MW、無功送出Q≈56.7 MVAR,仿真結(jié)果顯示,失磁后的發(fā)電機(jī)最大進(jìn)相無功為約-375 MVAR,失磁后5.4 s阻抗軌跡進(jìn)入異步圓內(nèi),動(dòng)作后的軟件錄波見圖6。

圖6 失磁后發(fā)電機(jī)參數(shù)運(yùn)行變化過程

圖6中,FIELD VOLTAGE 為轉(zhuǎn)子電壓(單位:p.u.,對應(yīng)空載額定轉(zhuǎn)子電壓),P、Q為機(jī)端有功、無功功率(正為送出,單位:MW、Mvar);X、R為機(jī)端測量阻抗(單位:p.u.,對應(yīng)額定阻抗),UG為機(jī)端線電壓(單位:k V),Loadangle為功角(單位:°);w為轉(zhuǎn)速、GTM為機(jī)械轉(zhuǎn)矩控制參數(shù),單位均為p.u.,對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速;Loss_of_exc_pro_output為模擬的失磁保護(hù)輸出(值1表示保護(hù)動(dòng)作)。

將X、R置于同一坐標(biāo)平面的阻抗滑行軌跡見圖7。根據(jù)計(jì)算所使用的參數(shù),畫在同一坐標(biāo)平面的100%等有功圓與異步阻抗圓見圖7。

圖7 機(jī)械轉(zhuǎn)矩自動(dòng)模式重載工況滑行軌跡

圓心坐標(biāo)為:Dy=Xs=XT +Xsmin=0.386

圓半徑為:r=Dx

異步阻抗圓坐標(biāo)為:Dx=0

由圖7可看出,等有功圓與異步圓雖不交叉,但異步后阻抗軌跡仍可以可靠進(jìn)入異步圓,但存在周期性進(jìn)出異步圓的現(xiàn)象,因此保護(hù)的整定延時(shí)不宜太長。

3.3 發(fā)電機(jī)重載工況恒機(jī)械轉(zhuǎn)矩模式仿真

故障前機(jī)組出力負(fù)荷保持不變,將機(jī)械轉(zhuǎn)矩改恒值控制,即汽輪機(jī)(或水輪機(jī))原動(dòng)力不變,則完全失磁的滑行軌跡見圖8。

圖8 機(jī)械轉(zhuǎn)矩恒值控制模式滑行軌跡

從圖8可看出,因?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩為恒值,失磁后機(jī)組進(jìn)入異步狀態(tài)后,轉(zhuǎn)速越來越快,阻抗圓是逐漸收縮的形態(tài),軌跡在異步圓的穿越時(shí)間更短。

3.4 發(fā)電機(jī)輕載自動(dòng)控制模式仿真

機(jī)械轉(zhuǎn)矩控制方式為自動(dòng)調(diào)節(jié)方式,將故障前機(jī)組出力負(fù)荷改為輕載,計(jì)算時(shí)有功送出為P≈211 MW、無功送出Q≈36 Mvar,則完全失磁滑行軌跡見圖9。

圖9 機(jī)械轉(zhuǎn)矩自動(dòng)模式輕載工況滑行軌跡

從圖9可看出,機(jī)組輕載工況自動(dòng)控制模式失磁后,阻抗軌跡滑入異步圓的時(shí)間稍晚,停留時(shí)間也稍長。

4 結(jié)論

并列到交流電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組,如果正常運(yùn)行機(jī)組出力不受限,則失磁保護(hù)不論等有功圓與異步圓是否相交,根據(jù)仿真結(jié)果,異步圓的失磁保護(hù)均能動(dòng)作出口。當(dāng)失磁保護(hù)阻抗圓整定選取為靜穩(wěn)圓時(shí),應(yīng)注意設(shè)置必要的閉鎖條件,包括機(jī)端電壓(或系統(tǒng)電壓)、PT 斷線、轉(zhuǎn)子電壓、負(fù)序電流、無功方向等,防止保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)取為異步圓時(shí),這些閉鎖條件可以取消。

當(dāng)機(jī)組與系統(tǒng)聯(lián)系阻抗超級大時(shí),機(jī)組失磁后阻抗滑行軌跡不呈現(xiàn)為圓特性,滑行貼近縱軸時(shí)不再異步滑行,但仍可進(jìn)入異步阻抗圓。保護(hù)延時(shí)延時(shí)不宜取值過大,按本文參數(shù)仿真計(jì)算的保護(hù)動(dòng)作脈沖為2.6 s,綜合考慮認(rèn)為,保護(hù)延時(shí)不應(yīng)大于1.0 s。閉鎖機(jī)端電壓取0.85 p.u.已可可靠閉鎖/開放失磁保護(hù),調(diào)升到0.9 p.u.必要性不大。阻抗圓的下邊界取Xd,已滿足各種情況的失磁故障,調(diào)升到Xd+0.5X′d的必要性不大。