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        基于ETAP的發(fā)電廠電氣系統(tǒng)暫態(tài)分析

        2012-09-22 00:27:58錢序萬里寧楊華
        電力建設(shè) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:廠用電公用暫態(tài)

        錢序,萬里寧,楊華

        (1.東北電力設(shè)計院,長春市,130021;2.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長春市,130033)

        0 引言

        在發(fā)電廠的運行過程中,電力系統(tǒng)經(jīng)常會受到很多擾動,如各類故障、母線的投切、電動機(jī)的啟停等,此時電氣系統(tǒng)相應(yīng)的繼電保護(hù)動作,廠用電系統(tǒng)能繼續(xù)安全、穩(wěn)定地運行。在設(shè)計過程中,如果要得到某種情況下的暫態(tài)曲線,需要解系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方程和機(jī)械微分方程,計算過程十分繁瑣費時。所以,實際工作中只能計算某點的極限狀況來簡化計算,或者計算系統(tǒng)在某種情況下的穩(wěn)定狀態(tài),對于各種擾動從發(fā)生到結(jié)束這一段時間的暫態(tài)過程則難以獲得。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,越來越多的軟件都可以實現(xiàn)對系統(tǒng)暫態(tài)的計算及仿真,為設(shè)計和運行提供更加精確的計算結(jié)果。本文利用電力瞬時分析程序(electrical transient analysis program,ETAP),依托某國外發(fā)電廠2×660MW空冷機(jī)組的廠用電系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)特性仿真和分析。

        1 某電廠電氣系統(tǒng)概況

        某電廠當(dāng)期裝機(jī)容量2×660MW,發(fā)電機(jī)—主變壓器為單元接線,接入廠內(nèi)400kV配電裝置。400kV系統(tǒng)為一個半斷路器接線,通過4條架空線接入系統(tǒng)。主變壓器設(shè)置3臺250 MVA的單相變壓器,裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器。每臺機(jī)組設(shè)置1臺75/45-45 MVA高壓廠用變壓器(下稱高廠變)和1臺45 MVA高壓公用廠用變壓器(下稱高公變)。全廠共用1臺高壓備用變壓器(下稱高備變)。2臺機(jī)組的高公變互為備用,高備變從廠內(nèi)400kV配電裝置引接[1]。

        1.1 電氣主接線

        本工程電氣主接線采用一個半斷路器接線,本期2回主變壓器進(jìn)線、4回出線、1回高備變、2回出線經(jīng)廠內(nèi)400/132kV變壓器向煤礦供電,構(gòu)成5個完整串,其中包含1個預(yù)留出線擴(kuò)建位置[1-2]。

        1.2 主要設(shè)備參數(shù)

        (1)發(fā)電機(jī)。額定容量784.7 MVA,額定功率667MW,功率因數(shù)0.85,額定電壓22kV,額定電流20.593 kA,頻率 50 Hz,轉(zhuǎn)速 3 000 r/min,勵磁電壓498 V,勵磁電流4.733 kA,定子繞組接線為YY,冷卻方式為水-氫-氫,勵磁方式為靜止自并勵,直軸暫態(tài)電抗(飽和值)27.8%,直軸次暫態(tài)電抗(飽和值)21.6%,短路比不小于0.51,絕緣等級及溫升為F級(溫升按B級校驗),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10 250 kg·m2(發(fā)電機(jī))、31 051 kg·m2(汽輪機(jī))[3-4]。

        (3)高廠變。額定容量75/45-45 MVA,變比(22±2×2.5%)kV/10.5kV,阻抗電壓17.2%,接線組別為D、yn1-yn1。

        (4)高公變。額定容量45 MVA,變比(22±2×2.5%)kV/10.5kV,阻抗電壓 12.5%,接線組別為Dyn1。

        (5)高備變。額定容量75/45-45 MVA,變比(400±8×1.25%)kV/10.5kV,阻抗電壓17.6%,接線組別為YNyn0yn0/d。

        1.3 10kV廠用電系統(tǒng)

        每臺機(jī)組設(shè)2段10kV單元工作段,單元負(fù)荷均由單元工作段供電。全廠設(shè)2段10kV公用母線,分別由2臺高公變供電。2段公用母線之間設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器,可由任意一臺高公變帶全部公用負(fù)荷。圖1為廠用電接線示意[1,5]。

        圖1 廠用電接線示意Fig.1 Sketch drawing for auxiliary power system

        2 電氣系統(tǒng)暫態(tài)分析

        2.1 計算方法

        暫態(tài)穩(wěn)定的研究采用ETAP電力工程計算軟件,該軟件在暫態(tài)分析部分遵循 IEEE 1110—2002[6]、IEEE 421.5—2002[7]。利用 ETAP 軟件對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及單元、公用高壓廠用電系統(tǒng)、低壓廠用電系統(tǒng)以及升壓站400kV系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算。

        2.2 輸入數(shù)據(jù)

        (1)系統(tǒng)阻抗。規(guī)劃容量為4 800MW;400kV系統(tǒng)的短路電流為43.4 kA,由系統(tǒng)提供的短路電流約為23.2 kA。

        (2)主要設(shè)備參數(shù)見第1.2節(jié)。

        (3)高壓廠用電動機(jī)的功率及負(fù)載狀況如表1所示。

        表1 高壓電動機(jī)功率及轉(zhuǎn)動慣量Tab.1 Power and moment of inertia for high voltage motor

        (4)高壓負(fù)荷。10kV工作段的負(fù)荷計算表見文獻(xiàn)[1],在模擬過程中的負(fù)荷容量和配置均遵循該表。

        3 暫態(tài)穩(wěn)定的仿真

        3.1 發(fā)電機(jī)切除

        狀況1:1號發(fā)電機(jī)因為發(fā)電機(jī)斷路器動作在1.0 s時切除,廠用電系統(tǒng)將由主變壓器倒送供電。圖2表示10kV母線1BBA和2BBA的電壓曲線。從圖2可以看出,母線1BBA在這個過程中會有大約1%的電壓降。受1號發(fā)電機(jī)切除的影響,母線2BBA電壓會有一個短時的震顫,幅度也在1%以內(nèi)。

        圖2 10kV母線1BBA和2BBA電壓曲線(狀況1)Fig.2 Voltage curve of 10kV busbar 1BBA and 2BBA(case 1)

        狀況2:1號發(fā)電機(jī)由于400kV斷路器動作在1.0 s時停運。由于主變壓器失去電源,1號高廠變將被快速切換至廠用變,1號公用變的負(fù)荷將由2號公用變一并承擔(dān)??烨袑⒃?00 ms內(nèi)完成。圖3為10kV母線1BBA和2BBA的電壓曲線。

        從圖3(a)、(b)曲線可以看出,母線1BBA在切換過程中有一個電壓降,但母線電壓水平還可以保持在80%以上,并且在1 s之內(nèi)就可以恢復(fù)正常。2BBA受到1號發(fā)電機(jī)退出的影響,母線電壓會出現(xiàn)一個1%以內(nèi)的波動,并持續(xù)數(shù)秒。圖3(c)表示當(dāng)1號發(fā)電機(jī)退出運行后,公用段1BCA切至2號公用變時,1BCA段在切換中有一段短時失電,當(dāng)2段母線負(fù)荷全部由2號公用變負(fù)擔(dān)時,母線電壓會降低到額定電壓的97%。從母線電壓的曲線來看,有發(fā)電機(jī)斷路器的發(fā)電廠在切除發(fā)電機(jī)時,由主變倒送供廠用電時維持停機(jī)負(fù)荷對廠用電系統(tǒng)的擾動可更小一些。

        圖310kV母線1BBA和2BBA電壓曲線(狀況2)Fig.3 Voltage curve of 10kV busbar 1BBA and 2BBA(case 2)

        3.2 400kV母線故障及清除

        400kV II母線在1.0 s發(fā)生三相故障,并在1.1 s時被切除,這一情況和線路故障類似。圖4(a)表示1號發(fā)電機(jī)的功角,圖4(b)表示1號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線,圖4(c)表示400kV母線的電壓曲線,圖4(d)表示10kV母線1BBA在此故障影響下的電壓曲線。

        圖4 400kV母線故障時功角、轉(zhuǎn)速、電壓曲線Fig.4 Curves of power angle,speed and voltage for 400kV fault bus

        受400kV母線故障的影響,故障點之外的400kV電壓會瞬間降低為0,直至故障被切除。當(dāng)故障在一定時間內(nèi)被切除后,母線電壓會很快恢復(fù)正常,發(fā)電機(jī)的功角也會趨于穩(wěn)定,并恢復(fù)正常。但是,故障切除時間并不是可以無限延長的,當(dāng)400kV母線發(fā)生三相故障時間過長,發(fā)電機(jī)功角將大于180°,從而失去穩(wěn)定必須停機(jī)。這個故障的允許時間與發(fā)電機(jī)以及汽輪機(jī)的自身特性有關(guān)。從本工程的設(shè)定參數(shù)來看,在汽輪機(jī)調(diào)速器不參與的情況下,400kV三相故障超過180 ms將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功角超過180°,并最終失去穩(wěn)定[8]。

        在調(diào)速器以及勵磁調(diào)節(jié)共同作用下,發(fā)生故障時,勵磁電壓和電流將會降低使發(fā)電機(jī)出力減小,調(diào)速器也會控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入功率[9]。但是在整個故障過程中,本機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將無法穩(wěn)定在3 000 r/min。圖5是故障時間為2 s時發(fā)電機(jī)的相對功角和轉(zhuǎn)速曲線。

        從圖5可見,當(dāng)400kV母線發(fā)生三相故障時,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于升高,但最高不超過3 150 r/min,也就是發(fā)電頻率不超過52.5 Hz。根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組的超速能力,在52~53 Hz時可以累積運行1 min,每次不超過10 s[3-4]。所以,當(dāng)高壓母線發(fā)生短路故障,即使保護(hù)動作時間較長,發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)的干預(yù)下也不會強迫停機(jī),但縮短故障切除時間對于機(jī)組壽命還是很有好處的。

        圖5 1號發(fā)電機(jī)相對功角和轉(zhuǎn)速曲線(故障時間2 s)Fig.5 Relative power angle and speed curves for unit 1 generator(fault duration 2 s)

        3.3 10kV母線故障并清除

        10kV母線1BBA或接于1BBA的某回路發(fā)生三相故障,并在0.2 s之內(nèi)切除。圖6(a)表示此時1BBA母線的電壓曲線。對于這種故障,更應(yīng)關(guān)注的是它對于其他10kV母線的影響。圖6(b)和(c)表示1BBB和2BBA母線的電壓曲線,圖6(d)則是2臺發(fā)電機(jī)的功角曲線。

        母線1BBA的故障,將會導(dǎo)致1BBB母線產(chǎn)生一個大約13%的電壓降,并隨著故障的切除而恢復(fù)。該故障還會影響到2號機(jī)的廠用電系統(tǒng),但是影響較小,只有大概2%的電壓波動。根據(jù)發(fā)電機(jī)的功角曲線可以看出,系統(tǒng)將在故障切除后趨于穩(wěn)定。

        圖6 10kV母線1BBA故障時電壓和發(fā)電機(jī)功角曲線Fig.6 Voltage and power angle curves of generator for 10kV 1BBA fault bus

        從這個案例中可以看出,盡管發(fā)電廠的不同單元機(jī)組之間的電氣聯(lián)系只有400kV母線,但是受1號機(jī)的10kV母線故障影響,發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)依然會發(fā)生改變,主要體現(xiàn)在發(fā)電機(jī)的電流受勵磁系統(tǒng)的控制影響會發(fā)生暫時的波動,其電流有效值會在瞬間升高大約13.6%。因此其他機(jī)組的廠用電仍會受到1號機(jī)故障的干擾。

        當(dāng)一個三相短路故障發(fā)生并切除之后,本段母線上的其他電動機(jī)會受到怎樣的影響,這同樣是值得關(guān)注的問題?,F(xiàn)對故障母線段上的電動給水泵的狀態(tài)進(jìn)行研究。通過圖7可以看出,電流曲線上存在3個尖峰。在故障發(fā)生的時刻(1 s),電動機(jī)在短路瞬間提供了大約5倍的短路反饋電流,這一數(shù)值取決于電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)。然后這一反饋電流在故障期內(nèi)快速衰減,衰減速度和電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相關(guān)。1.2 s故障切除后,電動機(jī)恢復(fù)了供電,由于轉(zhuǎn)子作用于定子的反電勢依然較小,所以形成了第2個電流峰值,大約為額定電流的3倍。此時,負(fù)載制動轉(zhuǎn)矩依然大于電磁轉(zhuǎn)矩,電動機(jī)仍然在繼續(xù)減速,轉(zhuǎn)差率還在提高。但是受定子電流增加的影響,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢也相應(yīng)增加,引起了電流的第二次衰減[10]。電磁轉(zhuǎn)矩逐步增加,直到電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的制動轉(zhuǎn)矩以后,也就是第2個電流峰值右側(cè)的最小值位置,電動機(jī)轉(zhuǎn)速降到最低值,轉(zhuǎn)差率開始減小,電動機(jī)轉(zhuǎn)速開始提高,開始進(jìn)入正常的電動機(jī)啟動狀態(tài)形成第3個電流峰值。整個過程大約持續(xù)了1.5 s。

        圖7 電動給水泵電流曲線Fig.7 Current curve of feed water pump

        3.4 0.4kV母線故障并切除

        在這個案例中,0.4kV母線(1號汽機(jī)PC)發(fā)生三相故障并切除。圖8為此時10kV母線1BBA的電壓曲線。0.4kV母線的故障,將會對上級母線(10kV 1BBA)的電壓產(chǎn)生影響,造成一個5%以內(nèi)的電壓波動,并隨著故障的切除而恢復(fù)正常。

        圖8 10kV母線1BBA電壓曲線(0.4kV母線故障)Fig.8 Voltage curve of 10kV bus 1BBA(0.4kV fault bus)

        3.5 大功率電動機(jī)啟動

        在這個案例中,功率最大的一臺電動機(jī)(電動給水泵電動機(jī))滿載啟動,啟動過程對本段母線的電壓影響和對母線1BBB的影響見圖9。

        圖9 電動給水泵啟動時10kV母線電壓曲線Fig.9 Voltage curve of 10kV bus when feed water pump starts up

        從圖9可以看出,母線的最低電壓出現(xiàn)在電動機(jī)啟動的一瞬間。電動機(jī)的全部啟動時間大約為25 s。受1BBA段母線上電動泵啟動影響,母線1BBB的電壓將存在一個大約3%的下降,時間與電動機(jī)啟動時間一致。

        3.6 大功率電動機(jī)切除及再啟動

        功率最大的一臺電動機(jī)(電動給水泵電動機(jī))退出及再啟動,此時其母線電壓的曲線見圖10。這種工況主要是模擬電動給水泵備用泵進(jìn)行切換時對廠用電的影響。這個過程的電壓曲線與電動機(jī)啟動的電壓曲線相似,母線電壓在電動泵退出運行時將有一個提高,隨后進(jìn)入一個電動機(jī)啟動的過程。受此過程影響,0.4kV母線將具有一個與10kV相似的電壓曲線。

        圖10 電動給水泵切換時10kV和0.4kV母線電壓曲線Fig.10 Voltage curves of 10kV and 0.4kV bus when feed water pump transfers

        3.7 快切動作

        這種工況下,母線1BBA、1BBB以及1BCA的工作電源將斷開,同時投入備用電源。以上動作將在快切指令下同時進(jìn)行(即快切的同時切換功能)。圖11表示此時1BBA的電壓曲線??烨袆幼鲿r間為70~100 ms,廠用10kV段的短時電壓降大概10%,對于公用段而言,由于2臺公用變壓器互為備用,快速切換將使2段公用段母線由1臺公用變來供電。

        圖1 110kV母線1BBA電壓曲線(快切)Fig.11 Voltage curve of 10kV bus 1BBA(fast transfer)

        由于母線1BBA在快切動作中會有短時的失電,因此本段母線上的電動機(jī)在快切結(jié)束后,會有一個再加速過程。從電動泵1 A的電流曲線(圖12)來看,再加速電流大約為額定電流的1.5倍。這也證明了在進(jìn)行母線電壓校驗計算時,電動機(jī)啟動電流倍數(shù)在快切狀態(tài)下取2.5倍是合理的,并且是有裕度的。

        圖12 電動給水泵1A電流曲線(快切)Fig.12 Current curve of feed water pump 1A(fast transfer)

        4 結(jié)語

        通過仿真,可對發(fā)電廠電氣系統(tǒng)在各種事件下的暫態(tài)過程有一個直觀的概念。隨著我國發(fā)電機(jī)組容量及等級的快速提升,規(guī)程和規(guī)范跟不上發(fā)展速度,因此在進(jìn)行設(shè)計時往往沒有可參考的機(jī)型以及適用的設(shè)計規(guī)定。在這種情況下,很多設(shè)想和設(shè)計都能夠通過暫態(tài)分析的仿真計算進(jìn)行驗證并得到支持。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的暫態(tài)分析對于提高設(shè)計水平、提高系統(tǒng)的可靠性及精確性有很大的幫助,值得深入研究。

        [1]東北電力設(shè)計院.Design description of electrical for mmamabula energy project power station[R].長春:東北電力設(shè)計院,2009.

        [2]MEPPS 2×660MW超臨界空冷機(jī)組發(fā)電機(jī)技術(shù)協(xié)議[R].上海:上海電氣集團(tuán),2009.

        [3]MEPPS 2×660MW超臨界空冷機(jī)組汽輪機(jī)技術(shù)協(xié)議[R].上海:上海電氣集團(tuán),2009.

        [4]IEEE 1110—2002 Guide for synchronous generator modeling practices and applications in power system stability analyses[S].New York ,US:IEEE,2002.

        [5]IEEE 421.5—2005 Recommended practice for excitation system models for power system stability studies[S].New York ,US:IEEE,2005.

        [6]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京:中國電力出版社 ,2000.

        [7]劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵磁控制[M].北京:中國電力出版社,2007.

        [8]趙軍友.電機(jī)學(xué)[M].北京:水利電力出版社 ,2009.

        [9]DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2001.

        [10]DL/T 5153—2002火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國電力出版社 ,2002.

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