呂艷玲， 戈寶軍

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080)

大型汽輪發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷失磁模型建立與分析

呂艷玲， 戈寶軍

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080)

大型汽輪發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷失磁分析中，首先建立大型汽輪發(fā)電機(jī)從失磁到失磁后有功功率調(diào)節(jié)過程的仿真模型，然后通過對(duì)QFQS－200－2失磁到有功功率調(diào)節(jié)全過程進(jìn)行仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析，證明該大型汽輪發(fā)電機(jī)從失磁到有功功率調(diào)節(jié)過程的仿真模型的正確性，最后對(duì)QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)帶不同比例有功功率負(fù)荷發(fā)生失磁故障進(jìn)行分析，分析了該電機(jī)失磁后定子電流、定子電壓、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、輸出的有功、無功的變化，以及失磁后立刻減少所帶有功功率負(fù)荷后上述各輸出量的變化，為大型汽輪發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)荷發(fā)生失磁故障，提供有功功率調(diào)節(jié)量值。

汽輪發(fā)電機(jī);失磁;調(diào)節(jié);有功功率;仿真分析

0引言

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁出現(xiàn)故障可能會(huì)導(dǎo)致其失磁，失磁故障后會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失去同步，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，發(fā)電機(jī)將從電網(wǎng)吸收大量的無功功率;失磁故障后若系統(tǒng)無功儲(chǔ)備不足，系統(tǒng)電壓將降低，可能使相鄰某些點(diǎn)電壓低于允許值，破壞負(fù)荷與電源之間穩(wěn)定運(yùn)行，甚至使系統(tǒng)電壓崩潰;失磁故障后定子電流增大，可能造成其他發(fā)電機(jī)、變壓器或線路過載，后備保護(hù)動(dòng)作，增大故障波及范圍［1］。

除了要研究與改進(jìn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，提高其運(yùn)行的可靠性以及減少運(yùn)行中誤操作，來防止發(fā)電機(jī)失磁故障發(fā)生外，還應(yīng)該研究當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障時(shí)，防止發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，而是讓其迅速從較大的額定有功負(fù)荷降低到使發(fā)電機(jī)能夠快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步或同步運(yùn)行狀態(tài)的有功負(fù)荷，以此為運(yùn)行人員爭取處理失磁故障的時(shí)間;并且在失磁故障消除后，發(fā)電機(jī)能夠很快地恢復(fù)額定有功負(fù)荷運(yùn)行，保證電力用戶的供電可靠性。

在研究失磁的文獻(xiàn)中，研究失磁保護(hù)的較多［2－4］，也有一些文獻(xiàn)研究了失磁過程分析［5－9］，但是當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)荷發(fā)生失磁故障時(shí)，為了避免發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，按照規(guī)范要求，在短時(shí)間內(nèi)使發(fā)電機(jī)立即自動(dòng)減負(fù)荷，有功功率在30 s時(shí)減到額定值的0.6倍，并在2min內(nèi)減到額定值的0.4倍，定子和轉(zhuǎn)子電流不大于1.0～1.1倍額定值，允許運(yùn)行10 min［10］。但目前還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的模型來分析失磁有功負(fù)荷調(diào)節(jié)全過程。200 MW機(jī)組是我國生產(chǎn)的汽輪機(jī)組的主力機(jī)組，因此保證國產(chǎn)200 MW汽輪發(fā)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是電力科研人員與運(yùn)行人員的主要任務(wù)之一。建立一套能夠準(zhǔn)確分析大型汽輪發(fā)電機(jī)從失磁到失磁故障排除后恢復(fù)運(yùn)行的有功負(fù)荷調(diào)節(jié)全過程的仿真模型，然后從仿真分析與試驗(yàn)分析的角度分別對(duì)QFQS－200汽輪發(fā)電機(jī)失磁后，有功功率調(diào)節(jié)全過程中定子轉(zhuǎn)子等各輸出量的變化進(jìn)行分析，對(duì)200MW汽輪機(jī)的失磁異步運(yùn)行分析有很重要的意義。

1 失磁故障系統(tǒng)仿真模型的建立

1.1 汽輪發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

發(fā)電機(jī)的失磁過程是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電暫態(tài)過程，在此過程中，轉(zhuǎn)速是變化的。由于派克方程的系數(shù)與轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此它是一組變系數(shù)的微分方程，這給分析帶來困難。為方便定量分析發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子上各電氣參量的變化規(guī)律，基于以下簡化條件進(jìn)行數(shù)學(xué)分析:

1)發(fā)電機(jī)為理想電機(jī)，正方向的規(guī)定為定子繞組采用發(fā)電機(jī)慣例，即以輸出電流作為電流的正方向，定子各相繞組通過正向電流時(shí)，產(chǎn)生負(fù)值磁鏈;勵(lì)磁繞組和阻尼繞組采用電動(dòng)機(jī)慣例，即以輸入電流為電流的正方向，繞組通過正向電流時(shí)，產(chǎn)生正值磁鏈;驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩規(guī)定為正［11］;

2)發(fā)電機(jī)與無限大系統(tǒng)母線相聯(lián)，母線電壓恒定不變;

3)勵(lì)磁電壓由失磁前的額定電壓按正比例減小，即勵(lì)磁繞組通過放電電阻短路失磁。

發(fā)電機(jī)失磁動(dòng)態(tài)過程中，定、轉(zhuǎn)子的電壓方程:

磁鏈方程:

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程:

式中:p為微分算子d/d t;ω為轉(zhuǎn)子角速度;δ為功角;ψ為磁鏈;L為自感;M為互感，其角標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的繞組;Hj為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分總的慣性常數(shù);Tm為原動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

采用的是可控硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)［12］，發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁回路電壓方程為

式中，R為勵(lì)磁電阻與滅磁電阻之和。

1.3 故障系統(tǒng)仿真模型

為了實(shí)現(xiàn)模型的通用性，在系統(tǒng)仿真模型中，首先根據(jù)同步發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部電磁關(guān)系和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，建立汽輪發(fā)電機(jī)的模型，然后根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的約束條件輸入勵(lì)磁電壓信號(hào)，利用Matlab/SIMULINK的交互式仿真集成環(huán)境，構(gòu)建了失磁故障系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 失磁故障系統(tǒng)仿真模型的驗(yàn)證

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

為了驗(yàn)證上述建立的仿真模型的正確性，對(duì)QFQS200－2汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行失磁過程仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，該發(fā)電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

2.2 QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)失磁仿真分析

利用上述建立的失磁故障仿真模型，對(duì)QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載PN和40MVar的無功功率(33%QN)進(jìn)行失磁故障分析，勵(lì)磁系統(tǒng)在運(yùn)行20 s開始失磁，立即減小輸出有功功率，9 s使發(fā)電機(jī)帶60%PN，10s時(shí)使發(fā)電機(jī)輸出有功功率減小到50%，11 s使發(fā)電機(jī)輸出有功功率減小到40%，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，失磁開始到完全失磁，穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行時(shí)定子電流增加到1.05倍額定電流，電機(jī)吸收無功功率，失磁過程中產(chǎn)生最大的滑差為2.5%，阻尼條的渦流明顯增加達(dá)到0.2倍額定電流，調(diào)節(jié)有功功率后11 s左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述仿真分析的正確性，對(duì)QFQS－200－2發(fā)電機(jī)進(jìn)行帶額定有功功率200MW經(jīng)滅磁電阻短路失磁試驗(yàn)，失磁試驗(yàn)接線如圖3所示。

試驗(yàn)過程如下:

將發(fā)電機(jī)調(diào)整到200 MW，對(duì)應(yīng)無功功率為40MVar;啟動(dòng)試驗(yàn)儀器錄取試驗(yàn)前發(fā)電機(jī)的參數(shù)，拉開發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)使發(fā)電機(jī)失磁，失磁9 s后把發(fā)電機(jī)的有功負(fù)荷調(diào)到120 MW，再減到100 MW，后又減到90MW，失磁10 s內(nèi)發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行;平均滑差不超過2.5%;失磁15min以后合上發(fā)電機(jī)的滅磁開關(guān)，手動(dòng)增加勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)在恢復(fù)勵(lì)磁10秒內(nèi)平穩(wěn)地恢復(fù)同步運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)可以得出，發(fā)電機(jī)帶200MW的有功功率負(fù)荷，40MVar無功功率時(shí)發(fā)生失磁，試驗(yàn)首先減少發(fā)電機(jī)輸出有功功率到120 MW(60%PN)，然后減少輸出有功功率到100 MW (50%PN)，最后減少到90MW(45%PN)，發(fā)電機(jī)10 s內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行，仿真分析中發(fā)電機(jī)失磁11 s左右進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行，兩組數(shù)據(jù)分析中，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行的時(shí)間基本一致;試驗(yàn)分析中失磁前定子電流為0.81倍額定電流，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行時(shí)最大的定子電流為0.96倍額定電流，比仿真值低0.09倍額定電流;試驗(yàn)中測得平均滑差為2.5%，仿真結(jié)果得出最大的滑差為2.5%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果也基本一致。綜合上述分析，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，證明該模型可以較準(zhǔn)確地分析大型汽輪發(fā)電機(jī)失磁故障調(diào)節(jié)過程。

3 QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)失磁過程有功功率調(diào)節(jié)過程分析

隨著科技的進(jìn)步，大型汽輪機(jī)的容量不斷提高，200MW汽輪發(fā)電機(jī)在20世紀(jì)80年是我國的主力機(jī)組，目前還在應(yīng)用中，對(duì)其失磁過程的研究仍具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。下面利用上述驗(yàn)證的模型，對(duì)QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)失磁過程進(jìn)行分析，主要研究帶不同比例有功負(fù)荷時(shí)發(fā)生失磁故障后的手動(dòng)減負(fù)荷過程的分析。失磁前帶100%PN有功負(fù)荷，33%QN的無功負(fù)荷，發(fā)生失磁故障后，迅速調(diào)節(jié)其所帶負(fù)荷已經(jīng)在圖2中分析。如果失磁前帶100% PN有功負(fù)荷，發(fā)生失磁故障后，不調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷的值，其分析結(jié)果如圖4所示。

在分析中，發(fā)電機(jī)帶100%PN時(shí)發(fā)生失磁故障，如果不調(diào)節(jié)有功功率的輸出，從仿真結(jié)果可以得出，定子電流達(dá)到2.8倍的額定電流，滑差達(dá)到11.5%以上，阻尼繞組產(chǎn)生渦流大于額定電流，對(duì)電機(jī)危害很大，這時(shí)發(fā)生失磁故障的大型汽輪發(fā)電機(jī)如果不快速減負(fù)荷，必須從系統(tǒng)解列。

以上綜合分析了，帶70%PN以上的有功負(fù)荷發(fā)生失磁故障，需要立即逐步減少有功負(fù)荷，才能使大型汽輪發(fā)電機(jī)較快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行。那么，帶多少比例的負(fù)荷發(fā)生失磁故障，不需要調(diào)節(jié)有功負(fù)荷，而很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行呢?下面分析QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)帶50%PN、45%PN及40%PN發(fā)生失磁故障。分析結(jié)果如圖7、8、9所示。

從圖7、8、9可以明顯看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶50%PN發(fā)生失磁故障，不調(diào)節(jié)有功功率輸出，分析結(jié)果圖7看出，整個(gè)暫態(tài)過程中定子電流達(dá)到2倍的額定電流值，滑差達(dá)到2.0%左右，不符合穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行的規(guī)范。

當(dāng)發(fā)電機(jī)帶45%PN發(fā)生失磁故障，不調(diào)節(jié)有功功率輸出，分析結(jié)果圖8看出，整個(gè)暫態(tài)過程中定子電流達(dá)到1.5倍的額定電流值，滑差達(dá)到1.9%左右，也不滿足穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行的規(guī)范。

但是當(dāng)發(fā)電機(jī)帶40%PN發(fā)生失磁故障，不調(diào)節(jié)有功功率輸出，分析結(jié)果圖9看出，整個(gè)暫態(tài)過程中定子電流達(dá)到1.05倍的額定電流值以內(nèi)，滑差達(dá)到1.6%左右，滿足規(guī)范要求，定子和轉(zhuǎn)子電流不大于1.0～1.1標(biāo)幺值，允許運(yùn)行10min。

4結(jié)論

通過對(duì)QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)的失磁過程的仿真與試驗(yàn)分析得出以下結(jié)論:

1)建立了大型汽輪發(fā)電機(jī)的失磁故障有功負(fù)荷調(diào)節(jié)過程的模型，該模型能夠準(zhǔn)確地分析大型汽輪發(fā)電機(jī)的失磁故障有功負(fù)荷調(diào)節(jié)的過程，為其他大型汽輪發(fā)電機(jī)的失磁故障分析及負(fù)荷調(diào)節(jié)提供了準(zhǔn)確的仿真模型。

2)大型汽輪發(fā)電機(jī)失磁后，根據(jù)失磁前所帶負(fù)荷的比例(＞40%PN)，快速減少失磁前所帶的有功負(fù)荷比例，發(fā)電機(jī)可以很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行，發(fā)電機(jī)在失磁故障排除后，增加勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)能很快進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。

3)如果QFQS－200－2汽輪發(fā)電機(jī)帶小于40% PN發(fā)生失磁故障后，不需要立即減小輸出有功功率，發(fā)電機(jī)會(huì)很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行，為查找勵(lì)磁故障及恢復(fù)勵(lì)磁提供了時(shí)間。

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(編輯:劉素菊)

M odel of large steam turbine generator w ith load loss of excitation and analysis of loss of excitation process

L Yan-ling， GE Bao-jun
(College of Electrical＆Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

In analysis of large steam turbine generatormodelwith load loss of excitation，simulaionmodel of the large steam turbine generator from excitaion loss to the active power regulation was set up，and for QFQS－200－2，regulating process from excitation loss to active power were simulated and experimental comparison was conducted．It shows the correctness of the simulationmodel in the active power regulation process，and excitation loss faultswere analyzed which are caused by the QFQS－200－2 turbine generator with different proportion of active power load．The stator current，stator voltage，rotor speed，the change of the output of the active and reactive power，and variation of all output immediately after loss of excitation reduction with active power load were analyzed．The results and analysis provide regulated values of active power when large steam turbine generatorswith rated load generate faults of excitation loss．

turbine generator;loss of excitation;change;active power;analysis of simulation

10．15938/j．emc．2015．06．004

TM 312;TM 301

A

1007－449X(2015)06－0022－06

2015－02－01

國家自然科學(xué)基金(51407049);高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20132303120001)

呂艷玲(1975—)，女，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)及其系統(tǒng)運(yùn)行分析;

戈寶軍(1960—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)與特種電機(jī)。

呂艷玲