C.J.莫茲納

李 璇 歐陽(yáng)友 譯自美刊《水電評(píng)論》2009年第3期

近來(lái)發(fā)生的數(shù)次電力系統(tǒng)停電故障,致使北美電力安全管理公司(NERC)要求發(fā)電廠業(yè)主驗(yàn)證發(fā)電機(jī)保護(hù)及控制的協(xié)調(diào)性。由于在主要電力系統(tǒng)振蕩期間,發(fā)電機(jī)保護(hù)容易誤動(dòng)作,例如 2003年美國(guó)東海岸大停電,所以需要加強(qiáng)發(fā)電機(jī)保護(hù)及控制的協(xié)調(diào)性。這種協(xié)調(diào)的技術(shù)方法在教科書(shū)、論文及繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)中都可以找到。但在實(shí)際工作中,許多需要使用這些技術(shù)的工程師對(duì)這些技術(shù)并不熟知。

每個(gè)電力系統(tǒng)可能偶有瞬時(shí)振蕩,主要是因?yàn)槎搪饭收匣蛑髫?fù)荷切換所導(dǎo)致。通常在發(fā)電機(jī)調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)這兩大發(fā)電機(jī)主控制系統(tǒng)的幫助下,系統(tǒng)將趨于一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。在一個(gè)電力系統(tǒng)中,由調(diào)速器控制系統(tǒng)頻率,勵(lì)磁系統(tǒng)控制電壓。本文對(duì)此進(jìn)行了深入分析,提供了發(fā)電機(jī)保護(hù)與這些控制系統(tǒng)間,以及發(fā)電機(jī)保護(hù)與發(fā)電機(jī)有功功率(MW)、無(wú)功功率(MVAR)之間的協(xié)調(diào)方法。

1 調(diào)速器控制及低頻協(xié)調(diào)

調(diào)速器控制的首要作用是在電力系統(tǒng)中為發(fā)電機(jī)機(jī)組維持合適的速度調(diào)節(jié)和負(fù)荷分配。對(duì)同步發(fā)電機(jī)而言,轉(zhuǎn)速與頻率有直接關(guān)系。如果發(fā)電機(jī)突然失負(fù)荷,則轉(zhuǎn)速將立即加快,頻率將加大。調(diào)速器將通過(guò)合上導(dǎo)葉以減少機(jī)械力,達(dá)到降低輸出功率的作用。

與之相反,如果發(fā)電機(jī)過(guò)載,則轉(zhuǎn)速將變慢,頻率將減小。如果發(fā)電機(jī)在低頻狀態(tài)時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),沒(méi)有現(xiàn)地控制操作能糾正這一過(guò)載問(wèn)題。低頻甩負(fù)荷需要在整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷匹配時(shí)發(fā)生。例如,在大型系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí),電力系統(tǒng)將解列成幾個(gè)典型的由數(shù)個(gè)電廠構(gòu)成的孤網(wǎng)。在這些孤網(wǎng)里,存在著典型的負(fù)荷失配。如果在一個(gè)孤網(wǎng)上發(fā)生過(guò)載,頻率將減小,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速減緩。此時(shí),需要系統(tǒng)低頻甩負(fù)荷。低頻甩負(fù)荷程序廣泛應(yīng)用于北美電網(wǎng)中。

由于水輪發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一般不會(huì)導(dǎo)致事故,因而許多這種機(jī)組未配置低頻保護(hù)。盡管如此,某些發(fā)電廠還是設(shè)置了使其水輪發(fā)電機(jī)組在持續(xù)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)期間跳閘。理由是,持續(xù)低頻運(yùn)行會(huì)損害用戶或同一孤網(wǎng)上的其他發(fā)電廠的設(shè)備。另一個(gè)原因是它們只是發(fā)電廠總發(fā)電量的一部分。當(dāng)發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機(jī)(在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被損壞了)由于低頻運(yùn)行跳閘,水輪發(fā)電機(jī)組將急劇過(guò)載。由于這種情況,這些水輪發(fā)電機(jī)組需裝配發(fā)電廠發(fā)電機(jī)低頻保護(hù)程序。發(fā)電廠需與北美電力安全管理公司(NERC)協(xié)調(diào)在低頻故障時(shí)的區(qū)域性甩負(fù)荷程序。

圖1中標(biāo)示出了北美電力安全管理公司(NERC)控制的 8個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域中都已確定在預(yù)先設(shè)定的頻率下,每個(gè)發(fā)電廠需甩脫其負(fù)荷峰值百分比的甩負(fù)荷程序。強(qiáng)調(diào)發(fā)電機(jī)的低頻保護(hù)系統(tǒng)需與系統(tǒng)甩負(fù)荷協(xié)調(diào)。

圖1 北美電力安全管理公司控制的8個(gè)區(qū)域

表1中顯示了一個(gè)低頻協(xié)調(diào)要求的典型例子。這些是西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)(WECC)的要求。這些要求為改進(jìn)美國(guó)西部其他區(qū)域準(zhǔn)則提供了相似的指導(dǎo)方針。發(fā)電機(jī)低頻保護(hù)須延時(shí),以便與系統(tǒng)甩負(fù)荷程序相協(xié)調(diào)。表 1中的時(shí)間顯示了在各種不同頻率下協(xié)調(diào)所需的最短時(shí)間。

表1 西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)對(duì)低頻協(xié)調(diào)的要求

2 勵(lì)磁保護(hù)及系統(tǒng)穩(wěn)定

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)為保證發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)同步提供磁場(chǎng)能,它為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸入直流電。在當(dāng)前勵(lì)磁系統(tǒng)中,直流電一般從連接至發(fā)電機(jī)出口的交直流轉(zhuǎn)換變壓器中獲得。交流電將轉(zhuǎn)換成直流電,為給這臺(tái)變壓器啟動(dòng)時(shí)提供電勢(shì),該磁場(chǎng)需配置一套蓄電池以起勵(lì)。在過(guò)去的勵(lì)磁系統(tǒng)中,該直流電源是由主發(fā)電機(jī)軸上的一臺(tái)小發(fā)電機(jī)提供的。

除維持發(fā)電機(jī)同步以外,勵(lì)磁系統(tǒng)還影響著由發(fā)電機(jī)吸收或輸出的無(wú)功功率值。勵(lì)磁電流的加大會(huì)提高無(wú)功功率的輸出并使電壓升高。減小勵(lì)磁會(huì)起到相反的效果,并且在極端情況下,可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不再與電力系統(tǒng)同步。如果發(fā)電機(jī)已與電網(wǎng)解列或與電力系統(tǒng)聯(lián)系微小,也沒(méi)有其他無(wú)功電源控制其出口電壓,加大勵(lì)磁電流會(huì)使發(fā)電機(jī)出口電壓升高。

最常用的 10MW及以上發(fā)電機(jī)電壓控制方式是自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(AVR)。在這種方式下,勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)輸出或吸收無(wú)功功率將電力系統(tǒng)的電壓維持在可接受的范圍內(nèi)。在由于短路而造成系統(tǒng)電壓降低、發(fā)生振蕩的地方,電量不能完全傳遞到輸電系統(tǒng)。AVR和勵(lì)磁系統(tǒng)的速動(dòng)有助于提高同步轉(zhuǎn)矩,使發(fā)電機(jī)保持與系統(tǒng)同步。在短路故障被清除以后,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受系統(tǒng)頻率振蕩的影響將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口電壓在 AVR的整定值上下波動(dòng)。

勵(lì)磁控制是用來(lái)防止不被允許的工況強(qiáng)加于發(fā)電機(jī)上。這是帶有過(guò)勵(lì)和欠勵(lì)限制功能的 AVR控制。過(guò)勵(lì)控制可防止 AVR試圖提供超過(guò)了系統(tǒng)能提供的或發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)能承受的更多的勵(lì)磁電流。過(guò)勵(lì)控制必須在發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作前限制勵(lì)磁電流。欠勵(lì)限制可防止 AVR降低勵(lì)磁到導(dǎo)致發(fā)電機(jī)有失去同步的危險(xiǎn)低水平,防止超出機(jī)械欠磁承受力或因?yàn)槌鍪Т疟Ｗo(hù)設(shè)置而跳閘。過(guò)勵(lì)和欠勵(lì)限制功能是為了防止發(fā)電機(jī)超出其額定功率 MW或MVAR(見(jiàn)圖 2)運(yùn)行。該有功功率 MW和無(wú)功功率MVAR的向量之和與視在功率 MVA值相等。發(fā)電機(jī)通過(guò)控制轉(zhuǎn)子和定子繞組的電流來(lái)控制其正常運(yùn)行方式(過(guò)勵(lì))。在欠勵(lì)運(yùn)行方式下,發(fā)電機(jī)通過(guò)從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率來(lái)控制系統(tǒng)側(cè)的高電壓。

圖2 過(guò)勵(lì)和欠勵(lì)限制功能作用示意

3 發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性

當(dāng)電廠輸電到負(fù)荷中心的輸電線路太少時(shí),靜態(tài)穩(wěn)定會(huì)變得不穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)荷中心和一個(gè)遠(yuǎn)端發(fā)電廠之間的電壓相角(兩個(gè)電壓向量之間的夾角)增至 90°以上時(shí),可傳輸?shù)碾娔軙?huì)減少,電力系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定,且通常解列成幾個(gè)孤網(wǎng)。如果有很多在負(fù)荷中心和發(fā)電廠之間的線路跳閘,這兩點(diǎn)之間的電抗會(huì)增加到一個(gè)可供傳輸?shù)牡蛔阋跃S持同步的最大電能點(diǎn)。在不穩(wěn)定的狀態(tài)下,發(fā)電機(jī)可能會(huì)磁極滑動(dòng)并失去同步。由于跳閘的輸電線路增加了負(fù)荷中心與偏遠(yuǎn)的發(fā)電廠之間的電抗,電勢(shì)衰減和靜態(tài)穩(wěn)定不穩(wěn)定可同時(shí)發(fā)生。

4 失磁保護(hù)

失磁保護(hù)需要與靜態(tài)穩(wěn)定、發(fā)電機(jī)容量以及欠勵(lì)限制相協(xié)調(diào)。為降低系統(tǒng)的高電壓,發(fā)電機(jī)須在欠勵(lì)工況下運(yùn)行,并從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率。這一點(diǎn)在一個(gè)大型系統(tǒng)發(fā)生振蕩并解列成幾個(gè)孤網(wǎng)時(shí)尤其明顯。重要的是,發(fā)電機(jī)可吸收無(wú)功來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。發(fā)電機(jī)吸收無(wú)功的能力可以從發(fā)電機(jī)容量曲線中看出。發(fā)電機(jī)欠勵(lì)限制必須設(shè)置為在發(fā)電機(jī)容量曲線中可持續(xù)運(yùn)行(見(jiàn)圖 2)。失磁保護(hù)必須設(shè)置為允許發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)工況下運(yùn)行。

同步發(fā)電機(jī)部分或全部失磁都不利于發(fā)電機(jī)及與其相連的電力系統(tǒng)。這種狀況必須盡快被檢測(cè)出來(lái),并從電力系統(tǒng)中隔離以避免損壞發(fā)電機(jī)。失磁狀況若未被檢測(cè)出,則會(huì)大量消耗無(wú)功功率,從而對(duì)電力系統(tǒng)造成破壞性影響。一臺(tái)大型發(fā)電機(jī)失磁導(dǎo)致的無(wú)功損耗,會(huì)造成電力系統(tǒng)電壓下降。當(dāng)發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁,它就會(huì)像異步發(fā)電機(jī)一樣運(yùn)行,由于轉(zhuǎn)子滑環(huán)引起的渦流,轉(zhuǎn)子和阻尼條的溫度也會(huì)迅速增加。供給發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)繞組的直流供電回路短路、磁場(chǎng)繞組短路或勵(lì)磁系統(tǒng)斷路器不慎跳閘都會(huì)引發(fā)失磁。當(dāng)失磁發(fā)生時(shí),來(lái)自電力系統(tǒng)的高無(wú)功電流就會(huì)流經(jīng)發(fā)電機(jī),從而導(dǎo)致其定子繞組過(guò)載。

最廣泛使用的檢測(cè)發(fā)電機(jī)失磁的方法是使用阻抗繼電器來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)出口的阻抗變化。兩段式阻抗繼電器的檢測(cè)方法被廣泛用于提供快速檢測(cè)。這種繼電器安裝在發(fā)電機(jī)的出口。它可以測(cè)量發(fā)電機(jī)的電流和電壓,并計(jì)算出由此產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)終端阻抗。繼電器特性曲線在 R-X(電阻 -電抗)圖上是一個(gè)圓。當(dāng)終端阻抗軌跡(由失磁繼電器監(jiān)測(cè)到的)進(jìn)入該圓,失磁保護(hù)繼電器切機(jī)。有兩種基本保護(hù)設(shè)計(jì)類(lèi)型,圖 3顯示的是使用最為廣泛的一種。由圖 3可以看出,當(dāng)阻抗軌跡 1從失磁點(diǎn)進(jìn)入這些區(qū)域之一,繼電器就切機(jī)。

失磁繼電器由 2個(gè)偏移的阻抗特性(1區(qū)和 2區(qū))組成。阻抗圓直徑等于發(fā)電機(jī)同步電抗并向下偏移。發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗的一半作為保護(hù)的第2區(qū)。

第2區(qū)保護(hù)動(dòng)作將延遲 30至 45個(gè)周期,以防止在暫態(tài)振蕩中誤操作。第2個(gè)繼電器區(qū)(1區(qū))是以標(biāo)幺值為 1的同步電抗(各臺(tái)發(fā)電機(jī))為直徑,同樣以發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗的一半為偏移量。第1區(qū)操作有幾個(gè)周期的延遲,并且能更迅速地檢測(cè)到一部分失磁工況。當(dāng)同步電抗小于或等于標(biāo)幺值為 1的同步電抗(各臺(tái)發(fā)電機(jī))時(shí),只有 2區(qū)投入,且設(shè)置成圓直徑等于標(biāo)幺值為 1的同步電抗(各臺(tái)發(fā)電機(jī))。

圖2為一個(gè)發(fā)電機(jī)有功 -無(wú)功性能參數(shù)圖。該資料各制造廠都會(huì)提供。發(fā)電機(jī)失磁繼電器檢測(cè)阻抗,因此這些繼電器特性都顯示在 R-X圖上。為協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)容量與失磁繼電器,必須將容量曲線和勵(lì)磁控制轉(zhuǎn)換到 R-X圖或?qū)⒆杩估^電器設(shè)置到有功 -無(wú)功性能參數(shù)圖上。

此外,還需核查這種情況,即一般由輸電系統(tǒng)短路引起的在瞬變過(guò)程中的阻抗軌跡不回轉(zhuǎn)到失磁繼電器動(dòng)作的阻抗特性區(qū)域內(nèi)造成的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)暫態(tài)誤跳閘。這就要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定研究,一般是由發(fā)電廠的系統(tǒng)工程師進(jìn)行規(guī)劃。

5 結(jié) 語(yǔ)

發(fā)生在大型電力系統(tǒng)振蕩中的發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作突顯了改進(jìn)發(fā)電機(jī)保護(hù)與發(fā)電機(jī)控制之間協(xié)調(diào)的必要性。本文提供了有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo),特別是明確提出發(fā)電機(jī)保護(hù)與發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行容量以及發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定之間必須協(xié)調(diào)。繼電保護(hù)的設(shè)置是一門(mén)藝術(shù),也是一門(mén)科學(xué)。上述討論的協(xié)調(diào)方法已為行業(yè)實(shí)踐公認(rèn)。盡管如此,其他可以達(dá)到相同目的的方法也可以被采用。在大型系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)保持發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行是一個(gè)重要目標(biāo),它需要發(fā)電機(jī)保護(hù)與發(fā)電機(jī)控制的良好協(xié)調(diào)。