張波

(上海申能臨港燃機發(fā)電有限公司，上海 201306)

0 引言

根據(jù)上海市電力公司的要求，發(fā)電廠并網(wǎng)機組應(yīng)具備進相運行的能力。在進相運行時，一旦勵磁過低，勵磁裝置低勵限制應(yīng)先于發(fā)電機失磁保護動作進行干預(yù)。只有當(dāng)發(fā)電機失磁保護和勵磁低勵限制整定配合正確，才能防止失磁保護誤動。上海申能臨港燃機發(fā)電有限公司(以下簡稱臨港燃機)的發(fā)電機選用西門子7UM62系列保護裝置，其失磁保護是基于導(dǎo)納平面設(shè)定的，而ABB U6800勵磁裝置的低勵限制功能是基于有功功率-無功功率(P-Q)平面整定的。要校核失磁保護和低勵限制的整定，需要將上述保護轉(zhuǎn)換到同一平面。

1 保護原理

1.1 導(dǎo)納型失磁保護

7UM62系列保護裝置失磁保護的定子側(cè)判據(jù)是根據(jù)電流和電壓的正序分量計算出的導(dǎo)納，用以判斷是否失磁(保護動作出口還需要有其他的判據(jù))。實際上這種導(dǎo)納的計算原理是從發(fā)電機的P-Q運行曲線極限圖轉(zhuǎn)化而來的。汽輪發(fā)電機P和Q的簡化計算公式分別為

(1)

(2)

式中：E為發(fā)電機勵磁電動勢；U為發(fā)電機機端電壓；Xd為直軸同步電抗；δ為發(fā)電機功角，是E和U的向量夾角。當(dāng)δ<90°時，發(fā)電機能夠正常運行；當(dāng)δ=90°時，發(fā)電機運行在靜態(tài)穩(wěn)定極限；而當(dāng)δ>90°時，發(fā)電機失步。將δ=90°代入式(1)和式(2)可以得到P=0，故靜態(tài)穩(wěn)定極限下

(3)

由式(3)可得到理論穩(wěn)定極限，即發(fā)電機低勵后的運行邊界由機端電壓和同步電抗共同決定，如圖1所示，其中φ為發(fā)電機功率因數(shù)角。實際上，在發(fā)電機并網(wǎng)后，考慮到發(fā)電機和系統(tǒng)之間的聯(lián)系電抗以及保留一定靜態(tài)穩(wěn)定裕度的需要，發(fā)電機的實際設(shè)計穩(wěn)定極限要小于理論值。

圖1 發(fā)電機理論穩(wěn)定運行極限P-Q圖Fig.1 Theoretical stable operation limit P-Q diagram of generator

為了將發(fā)電機理論穩(wěn)定運行極限P-Q平面轉(zhuǎn)化為導(dǎo)納平面，需要進一步推導(dǎo)出視在功率

(4)

式中：U為系統(tǒng)電壓(在進行發(fā)電機功率計算時，可看做發(fā)電機機端電壓)；I為電流；Z為阻抗；R為電阻；X為電抗。將式(4)進一步推導(dǎo)得

(5)

結(jié)合復(fù)功率概念(S=P+jQ)，可得

(6)

(7)

式中：G為電導(dǎo)；B為電納。由式(6)和式(7)可知，將圖1的P-Q平面橫、縱坐標(biāo)同時除以U2，得出關(guān)于導(dǎo)納平面上的發(fā)電機理論穩(wěn)定運行極限圖，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)納平面的發(fā)電機理論穩(wěn)定運行極限圖Fig.2 Theoretical stable operation limit diagram of admittance plane

從圖2可以看出，靜態(tài)穩(wěn)定極限與B軸在接近1/Xd(即直軸同步電抗的倒數(shù))處相交。將轉(zhuǎn)化而來的導(dǎo)納平面用作失磁保護的判據(jù)時，只需考慮Xd，不再需要考慮電壓的大小，使得失磁保護的整定更加簡單。

1.2 勵磁設(shè)備低勵限制

ABB U6800勵磁設(shè)備的低勵限制功能由裝置內(nèi)的P-Q限制器完成，此限制器可以對發(fā)電機低勵進行干預(yù)，避免發(fā)電機進入非穩(wěn)定區(qū)域或發(fā)生失步。P-Q限制器可以在P為0%，20%，40%，60%，80%或 100%時設(shè)定6個與發(fā)電機額定電壓相關(guān)的Q，從而得到P-Q平面上的6個坐標(biāo)點，以此定義發(fā)電機的穩(wěn)定邊界曲線。但當(dāng)發(fā)電機低勵時，機端電壓會降低，這時P-Q限制器根據(jù)公式

(9)

自動調(diào)整發(fā)電機穩(wěn)定限制邊界曲線，以實現(xiàn)精確保護，式中：Q(P)為發(fā)電機穩(wěn)定邊界曲線上的無功值；Ua為發(fā)電機實際電樞電壓。

2 導(dǎo)納型失磁保護和低勵限制的整定

2.1 導(dǎo)納型失磁保護的整定

2.1.1 導(dǎo)納型失磁保護的動作特性

保護裝置7UM62的失磁保護元件動作特性由三段保護特性構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)納平面上的失磁保護特性Fig.3 characteristics of field loss protection on the admittance plane

特性1與特性2曲線模擬同步電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限，如果保護裝置計算出的導(dǎo)納結(jié)果超出了特性1和特性2曲線，保護裝置將發(fā)信并以一較長延時發(fā)跳閘命令，而如果在特性1或特性2動作的同時檢測到發(fā)電機勵磁電壓低，則將以一短延時發(fā)跳閘命令。而特性3模擬發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定曲線，當(dāng)導(dǎo)納的測量值越過該曲線時發(fā)電機將失去穩(wěn)定，要求保護裝置立即發(fā)跳閘命令，因此超過特性3時保護裝置也以一短延時發(fā)跳閘命令。

2.1.2 導(dǎo)納型失磁保護的整定計算

取1.05的安全裕度，特性1用發(fā)電機直軸同步電抗整定(標(biāo)幺值)為

式中：Ign為發(fā)電機額定電流，13 032 A；Ugn為發(fā)電機額定電壓，21.00 kV；UPT.prim為發(fā)電機機端電壓互感器(PT)額定一次電壓，21.00 kV；ICT.prim為發(fā)電機機端電流互感器(CT)額定一次電流，16 000 A；Xd=2.188 Ω。

特性1的角度α1的選擇以同步發(fā)電機穩(wěn)定特性的傾角為定值，按照發(fā)電機廠家給出的發(fā)電機容量曲線(如圖4所示，圖中PF 為功率因數(shù))，穩(wěn)定極限曲線3與橫軸的夾角為100°，即特性1的整定值為：橫軸-0.39 p.u.，傾角100°，延時30 s。

特性2與特性1共同模擬發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定邊界，因此定值選取圖4上曲線3與橫軸夾角90°的線段，該線段的延伸段與橫軸的交點為-240.00 MV·A，因此特性2的橫軸標(biāo)幺值為

即特性2的整定值為：橫軸-0.44 p.u.，傾角90°，延時30 s。

特性3用于匹配同步電機的動態(tài)穩(wěn)定極限特性，根據(jù)保護裝置說明書可在直軸同步電抗的倒數(shù)與直軸暫態(tài)電抗的倒數(shù)之間選取一個合適的值作為失磁保護特性3的定值，且這個值必須大于1，角度在80°～110°之間。所以，特性3的整定值為：橫軸-1.10 p.u.，傾角100°，延時0.3 s。

圖4 發(fā)電機容量曲線Fig.4 Generator capacity curve

低電壓閉鎖功能的啟動定值可取裝置默認(rèn)值(25.0 V)。

勵磁電壓低元件的整定按照保護裝置說明書，整定到空載時勵磁電壓的50%左右。根據(jù)發(fā)電機廠家給出的技術(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)電機空載時勵磁電壓為144.0 V，勵磁設(shè)備電壓分壓器變比為10∶1，則勵磁電壓監(jiān)視功能的啟動定值可設(shè)為7.2 V，延時按照裝置說明書給出的典型設(shè)置整定為0.5 s。

2.2 勵磁設(shè)備低勵限制的整定

2.2.1 發(fā)電機進相試驗

為得到臨港燃機發(fā)電機的進相能力、為勵磁設(shè)備低勵限制參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)，分別對4臺相同容量的發(fā)電機進行進相試驗。以#3發(fā)電機為例，試驗考慮了實際運行情況(發(fā)電機功角不超過70°)和一定的穩(wěn)定裕度(6%的靜穩(wěn)定裕度)，對4個發(fā)電機帶廠用電運行的工況進行進相試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 #3發(fā)電機進相運行工況Tab.1 Leading phase operation conditions of No.3 generator

進相深度受到機組各級電壓的限制，特別是發(fā)電機機端電壓，廠用電電壓可由有載調(diào)壓進行調(diào)節(jié)。表1的4個工況中，發(fā)電機機端電壓(額定電壓21.00 kV)均接近于運行下限(90%的額定機端電壓，即18.90 kV)。由此可得到#3發(fā)電機在P為5，250，341，422 MW時的進相運行能力。

2.2.2 勵磁設(shè)備低勵限制整定

對發(fā)電機進相試驗得到的數(shù)據(jù)和進相能力進行綜合分析，同時考慮機組安全運行的實際情況，對勵磁設(shè)備初始低勵限制整定值進行優(yōu)化，得到最終正確的整定值，見表2。初始整定、進相能力和優(yōu)化后的低勵限制曲線如圖5所示。

表2 勵磁裝置低勵限制整定值Tab.2 Low excitation limit setting of excitation device

注：整定值以發(fā)電機額定容量Sn=474 MV·A為基準(zhǔn)。

圖5 勵磁裝置低勵限制曲線Fig.5 Low excitation limit curve of excitation device

3 失磁保護與低勵限制的配合校核

勵磁裝置低勵限制曲線是基于P-Q平面整定的，和導(dǎo)納平面的失磁保護進行配合，需要將低勵限制曲線轉(zhuǎn)化到導(dǎo)納平面。根據(jù)圖5低勵限制曲線的趨勢，只要選取線段AB和BC進行轉(zhuǎn)換并比較即可。

通過表2可知，線段AB與橫軸的交點為-132.72 MV·A，傾角為90°；通過計算，線段BC的延伸段與橫軸的交點為-161.16 MV·A，傾角為81°。參考發(fā)電機失磁保護將無功功率轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納平面標(biāo)幺值的方法，線段AB,BC轉(zhuǎn)換到導(dǎo)納平面后的標(biāo)幺值

即線段AB的特性為：橫軸-0.25 p.u.，傾角90°。線段BC的特性為：橫軸-0.30 p.u.，傾角81°。

將低勵限制線段AB的特性、線段BC的特性和失磁保護特性1、特性2、特性2歸到同一坐標(biāo)，如圖6所示。

圖6 失磁保護特性曲線與低勵限制曲線的比較Fig.6 Comparison diagram of field loss protection characteristic curve and low excitation limit curve

從圖6上可以明顯看出，低勵限制曲線與失磁保護特性曲線在當(dāng)前象限沒有交點，且失磁保護特性曲線在低勵限制曲線的外圍，說明發(fā)電機在各種可能的低勵情況下，勵磁裝置的低勵限制都是先行干預(yù)的，如果發(fā)電機失磁嚴(yán)重，瞬間被拖進非穩(wěn)定區(qū)時，失磁保護就會根據(jù)情況判斷并延時動作。因此得出結(jié)論，失磁保護和低勵限制的配合是正確的。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合臨港燃機失磁保護和勵磁裝置低勵限制的特性，詳細(xì)介紹了導(dǎo)納型失磁保護的整定方法，通過進相試驗優(yōu)化了低勵限制的整定參數(shù)。最后用平面轉(zhuǎn)換的方法校核了失磁保護和低勵限制配合的正確性，為其他電廠相同配置的失磁保護整定提供了參考依據(jù)。