勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制曲線與汽輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)整定配合研究

張明江，劉國玉,祖光鑫，武國良，穆興華，崔佳鵬

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030; 2.國網(wǎng)北京電力調(diào)度控制中心,北京 100035)

0 引 言

勵(lì)磁系統(tǒng)的低勵(lì)限制特性應(yīng)由系統(tǒng)靜穩(wěn)極限和發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱限制條件確定，并計(jì)及發(fā)電機(jī)端電壓的變化[1-2]。低勵(lì)限制又稱為欠勵(lì)限制或P/Q限制[3-4]，是在低勵(lì)限制器中整定的發(fā)電機(jī)允許的最小無功功率與有功功率關(guān)系的曲線。

在發(fā)電機(jī)的保護(hù)中設(shè)置有失磁保護(hù)，反映勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)磁電流的消失或減小[5-6]。在發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，人為減磁的過程中，可能造成低勵(lì)限制和失磁保護(hù)動(dòng)作。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制與發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的配合關(guān)系是否正確尤為重要，同時(shí)也是網(wǎng)源協(xié)調(diào)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[7-8]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]，發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制和失磁保護(hù)的動(dòng)作關(guān)系應(yīng)該是低勵(lì)限制保護(hù)首先動(dòng)作，然后失磁保護(hù)動(dòng)作，而兩者之間在定值上的相互配合是滿足上述動(dòng)作順序的前提。

現(xiàn)有的低勵(lì)限制整定方法[10-11]是從保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行能力。提出一種基于靜穩(wěn)阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制曲線整定方法，既能保證機(jī)組和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又能更大限度地發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力。

1 失磁保護(hù)

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)反映勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)磁電流的消失或減小，主要判據(jù)為低電壓判據(jù)[12]、轉(zhuǎn)子側(cè)判據(jù)和定子側(cè)阻抗判據(jù)。而定子側(cè)阻抗判據(jù)分為：異步邊界阻抗圓和靜穩(wěn)極限阻抗圓。文中論述與低勵(lì)限制配合的失磁保護(hù)主要涉及靜穩(wěn)極限阻抗圓判據(jù)。

汽輪發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限阻抗圓如圖1所示，其整定值為

圖1 靜穩(wěn)極限阻抗圓動(dòng)作特性Fig.1 Action characteristic of static stable limit impedance circle

(1)

式中：UN為發(fā)電機(jī)額定電壓，kV；SN為發(fā)電機(jī)額定視在功率，MVA；Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗(不飽和值)，標(biāo)么值；Xcon為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間的聯(lián)系電抗(包括升壓變壓器阻，系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式)，標(biāo)么值(以發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn))；nV為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器變比；nA為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流互感器變比。

靜穩(wěn)極限阻抗圓的圓心和半徑為

(2)

2 低勵(lì)限制

低勵(lì)限制的整定一般是在進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)前，由調(diào)控中心根據(jù)實(shí)際情況給定一組有功功率和無功功率值。否則，可以根據(jù)相關(guān)規(guī)定[9]，低勵(lì)限制的整定原則是按發(fā)電機(jī)不同有功功率靜穩(wěn)極限及發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱條件確定的。由系統(tǒng)靜穩(wěn)條件確定進(jìn)相曲線時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)等值阻抗，確定該勵(lì)磁系統(tǒng)的低勵(lì)限制動(dòng)作曲線。如果對(duì)進(jìn)相沒有特別要求，一般可按有功功率P=PN時(shí)允許無功功率Q=-0.05QN和P=0時(shí)Q=-0.3QN兩點(diǎn)來確定低勵(lì)限制的動(dòng)作曲線，如圖2所示。其中，PN、QN分別為發(fā)電機(jī)的額定有功功率和額定無功功率。低勵(lì)限制的動(dòng)作曲線方程為

圖2 低勵(lì)限制的動(dòng)作曲線Fig.2 Action curve of low excitation limit

(3)

3 低勵(lì)限制和失磁保護(hù)的配合

上述低勵(lì)限制的整定過于簡單，不能更大限度地發(fā)揮發(fā)電機(jī)的進(jìn)相能力。提出一種基于靜穩(wěn)阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制曲線整定方法，該方法整定簡單，能更大限度地發(fā)揮發(fā)電機(jī)的進(jìn)相能力。

為了防止失磁保護(hù)先于低勵(lì)限制動(dòng)作，根據(jù)式(2)寫出靜穩(wěn)極限裕度阻抗圓，其圓心和半徑為

(4)

式中，Kk為可靠系數(shù)，一般取1.05≤Kk≤1.2。

接下來，分別做出靜穩(wěn)極限裕度阻抗圓的外切正六邊形1和外切正六邊形2，依次連接靜穩(wěn)極限裕度阻抗圓和外切正六邊形1的交點(diǎn)、外切正六邊形1和外切正六邊形2的交點(diǎn)、靜穩(wěn)極限裕度阻抗圓和外切正六邊形2的交點(diǎn)，便可得到R-X坐標(biāo)系下基于靜穩(wěn)阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制的整定曲線，如圖3所示。

圖3 基于靜穩(wěn)阻抗圓雙外切正六邊形的低勵(lì)限制的整定曲線Fig.3 Setting curve of low excitation limit based on static stable impedance circle double external tangent hexagon

發(fā)電機(jī)機(jī)端的復(fù)功率可表達(dá)為

所以，有

(5)

式中，U為發(fā)電機(jī)電壓，kV。

由于一般勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的低勵(lì)限制定值整定的是有功功率和無功功率，所以根據(jù)上式，即可將上述24點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至P-Q坐標(biāo)系下。

4 案例分析

4.1 設(shè)備和系統(tǒng)參數(shù)

以黑龍江某電廠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制保護(hù)和失磁保護(hù)整定為例，用上述方法校核低勵(lì)限制和失磁保護(hù)是否滿足配合關(guān)系。該電廠機(jī)組參數(shù)如表1和表2所示，系統(tǒng)電壓為220kV，系統(tǒng)等值電抗標(biāo)么值為0.0206(基準(zhǔn)容量為100MVA)。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of generator

表2 變壓器參數(shù)Table 2 Parameters of transformer

4.2 失磁保護(hù)定值計(jì)算

根據(jù)式(1)，代入相關(guān)數(shù)值，得到靜穩(wěn)極限阻抗圓的上下兩點(diǎn)坐標(biāo)為Xc=3.7 Ω、Xd=-31.62 Ω。根據(jù)式(2)，得到靜穩(wěn)極限阻抗圓的圓心坐標(biāo)為(0,-13.96)，半徑r=17.66 Ω。取Kk=1.2，得到靜穩(wěn)極限裕度阻抗圓的圓心坐標(biāo)為(0,-13.96)，半徑r裕=21.19 Ω。

4.3 低勵(lì)限制定值計(jì)算

低勵(lì)限制定值的整定分為三種。

第一種：調(diào)控中心給定的低勵(lì)限制定值，如表3所示。

表3 調(diào)控中心給定的低勵(lì)限制定值Table 3 Setting values of low excitation limit given by control center

由于所給定的功率點(diǎn)太少，并且這三點(diǎn)在一條直線上，所以根據(jù)這三點(diǎn)寫出所確定的直線方程為

根據(jù)式(6)，代入相關(guān)數(shù)值，可將上述9點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至R-X坐標(biāo)系下，分別為(0，-39.19)、(15.26，-38.24)、(25.42，-27.67)、(26.84，-16.54)、(24.27，-9.22)、(21.02，-5.01)、(18.14，-2.61)、(15.78，-1.2)、(13.88，-0.36)。

(6)

根據(jù)式(6)，代入相關(guān)數(shù)值，可將上述9點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至R-X坐標(biāo)系下，分別為(0，-74.532)、(39.92，-53.3)、(41.202，-24.308)、(33.16，-11.326)、(26.519，-5.764)、(21.773，-3.11)、(18.355，-1.71)、(15.817，-0.912)、(13.872，-0.431)。

第三種：也就是文中提出的方法。依據(jù)前文論述，代入相關(guān)數(shù)值，得到R-X坐標(biāo)系下的24點(diǎn)坐標(biāo)為(0，7.23)、(5.678，7.23)、(10.596，4.391)，其余各點(diǎn)坐標(biāo)依次類推；得到P-Q坐標(biāo)系下的24點(diǎn)坐標(biāo)為(0，672.2)、(326.5，415.7)、(391.4，162.2)，其余各點(diǎn)坐標(biāo)依次類推。

4.4 進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)

進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，取有功功率分別為80%PN、70%PN、60%PN三種工況，試驗(yàn)過程中的有功功率和無功功率數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)的有功功率和無功功率Table 4 Active power and reactive power during leading phase test

將失磁靜穩(wěn)阻抗圓整定值、低勵(lì)限制整定值、進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一起畫在R-X坐標(biāo)系下，如圖4所示。

圖4 R-X坐標(biāo)系下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Test data in R-X coordinate system

從圖4可以看到，從坐標(biāo)原點(diǎn)向R軸正方向的曲線依次為低勵(lì)限制整定值(第三種)、低勵(lì)限制整定值(第一種)、低勵(lì)限制整定值(第二種)。也就是說，在進(jìn)相試驗(yàn)過程中，最先觸碰到的是低勵(lì)限制整定值(第二種)曲線，然后是低勵(lì)限制整定值(第一種)曲線，最后是低勵(lì)限制整定值(第三種)曲線。從保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度來說，低勵(lì)限制整定值(第二種)曲線最安全可靠，但是這也過于保守，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行能力。而按照低勵(lì)限制整定值(第三種)曲線整定，也就是本文提出的方法，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，能更大限度地發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的能力，這在系統(tǒng)電壓偏高、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面更有利。同時(shí)，該方法的低勵(lì)限制曲線的整定完全按照代數(shù)和幾何知識(shí)，簡單方便直觀，實(shí)用性強(qiáng)。

將失磁靜穩(wěn)阻抗圓整定值、低勵(lì)限制整定值、進(jìn)相試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一起畫在P-Q坐標(biāo)系下，能得到相同的結(jié)論。

5 結(jié) 語

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)限制與發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的配合關(guān)系是否正確尤為重要，同時(shí)也是網(wǎng)源協(xié)調(diào)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在概要介紹低勵(lì)限制和失磁保護(hù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于靜穩(wěn)阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發(fā)電機(jī)低勵(lì)限制曲線整定方法。通過案例分析，結(jié)合三種進(jìn)相運(yùn)行工況，將該方法與另外兩種方法進(jìn)行了對(duì)比，證明了該整定方法在更大限度發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面的優(yōu)越性，有很高的實(shí)用價(jià)值。