錢(qián)序，萬(wàn)里寧，楊華

(1.東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春市，130021;2.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春市，130033)

0 引言

在發(fā)電廠的運(yùn)行過(guò)程中，電力系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)受到很多擾動(dòng)，如各類故障、母線的投切、電動(dòng)機(jī)的啟停等，此時(shí)電氣系統(tǒng)相應(yīng)的繼電保護(hù)動(dòng)作，廠用電系統(tǒng)能繼續(xù)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算過(guò)程十分繁瑣費(fèi)時(shí)。所以，實(shí)際工作中只能計(jì)算某點(diǎn)的極限狀況來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算，或者計(jì)算系統(tǒng)在某種情況下的穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于各種擾動(dòng)從發(fā)生到結(jié)束這一段時(shí)間的暫態(tài)過(guò)程則難以獲得。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的軟件都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)的計(jì)算及仿真，為設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供更加精確的計(jì)算結(jié)果。本文利用電力瞬時(shí)分析程序(electrical transient analysis program，ETAP)，依托某國(guó)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(gè)半斷路器接線，通過(guò)4條架空線接入系統(tǒng)。主變壓器設(shè)置3臺(tái)250 MVA的單相變壓器，裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)75/45－45 MVA高壓廠用變壓器(下稱高廠變)和1臺(tái)45 MVA高壓公用廠用變壓器(下稱高公變)。全廠共用1臺(tái)高壓備用變壓器(下稱高備變)。2臺(tái)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(gè)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(gè)完整串，其中包含1個(gè)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(lì)磁電壓498 V，勵(lì)磁電流4.733 kA，定子繞組接線為YY，冷卻方式為水－氫－氫，勵(lì)磁方式為靜止自并勵(lì)，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(jí)及溫升為F級(jí)(溫升按B級(jí)校驗(yàn))，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)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(tái)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(tái)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(jì)算方法

暫態(tài)穩(wěn)定的研究采用ETAP電力工程計(jì)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(duì)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(jì)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(jiàn)第1.2節(jié)。

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

表1 高壓電動(dòng)機(jī)功率及轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算表見(jiàn)文獻(xiàn)［1］，在模擬過(guò)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(hào)發(fā)電機(jī)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)斷路器動(dòng)作在1.0 s時(shí)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(gè)過(guò)程中會(huì)有大約1%的電壓降。受1號(hào)發(fā)電機(jī)切除的影響，母線2BBA電壓會(huì)有一個(gè)短時(shí)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(hào)發(fā)電機(jī)由于400kV斷路器動(dòng)作在1.0 s時(shí)停運(yùn)。由于主變壓器失去電源，1號(hào)高廠變將被快速切換至廠用變，1號(hào)公用變的負(fù)荷將由2號(hào)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(guò)程中有一個(gè)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(hào)發(fā)電機(jī)退出的影響，母線電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)1%以內(nèi)的波動(dòng)，并持續(xù)數(shù)秒。圖3(c)表示當(dāng)1號(hào)發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行后，公用段1BCA切至2號(hào)公用變時(shí)，1BCA段在切換中有一段短時(shí)失電，當(dāng)2段母線負(fù)荷全部由2號(hào)公用變負(fù)擔(dān)時(shí)，母線電壓會(huì)降低到額定電壓的97%。從母線電壓的曲線來(lái)看，有發(fā)電機(jī)斷路器的發(fā)電廠在切除發(fā)電機(jī)時(shí)，由主變倒送供廠用電時(shí)維持停機(jī)負(fù)荷對(duì)廠用電系統(tǒng)的擾動(dòng)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(shí)被切除，這一情況和線路故障類似。圖4(a)表示1號(hào)發(fā)電機(jī)的功角，圖4(b)表示1號(hào)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(shí)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(diǎn)之外的400kV電壓會(huì)瞬間降低為0，直至故障被切除。當(dāng)故障在一定時(shí)間內(nèi)被切除后，母線電壓會(huì)很快恢復(fù)正常，發(fā)電機(jī)的功角也會(huì)趨于穩(wěn)定，并恢復(fù)正常。但是，故障切除時(shí)間并不是可以無(wú)限延長(zhǎng)的，當(dāng)400kV母線發(fā)生三相故障時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(gè)故障的允許時(shí)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(lái)看，在汽輪機(jī)調(diào)速器不參與的情況下，400kV三相故障超過(guò)180 ms將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功角超過(guò)180°，并最終失去穩(wěn)定［8］。

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

從圖5可見(jiàn)，當(dāng)400kV母線發(fā)生三相故障時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于升高，但最高不超過(guò)3 150 r/min，也就是發(fā)電頻率不超過(guò)52.5 Hz。根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組的超速能力，在52～53 Hz時(shí)可以累積運(yùn)行1 min，每次不超過(guò)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(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)電機(jī)在控制系統(tǒng)的干預(yù)下也不會(huì)強(qiáng)迫停機(jī)，但縮短故障切除時(shí)間對(duì)于機(jī)組壽命還是很有好處的。

圖5 1號(hào)發(fā)電機(jī)相對(duì)功角和轉(zhuǎn)速曲線(故障時(shí)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(shí)1BBA母線的電壓曲線。對(duì)于這種故障，更應(yīng)關(guān)注的是它對(duì)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(tái)發(fā)電機(jī)的功角曲線。

母線1BBA的故障，將會(huì)導(dǎo)致1BBB母線產(chǎn)生一個(gè)大約13%的電壓降，并隨著故障的切除而恢復(fù)。該故障還會(huì)影響到2號(hào)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(dòng)。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(shí)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(gè)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(hào)機(jī)的10kV母線故障影響，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)依然會(huì)發(fā)生改變，主要體現(xiàn)在發(fā)電機(jī)的電流受勵(lì)磁系統(tǒng)的控制影響會(huì)發(fā)生暫時(shí)的波動(dòng)，其電流有效值會(huì)在瞬間升高大約13.6%。因此其他機(jī)組的廠用電仍會(huì)受到1號(hào)機(jī)故障的干擾。

當(dāng)一個(gè)三相短路故障發(fā)生并切除之后，本段母線上的其他電動(dòng)機(jī)會(huì)受到怎樣的影響，這同樣是值得關(guān)注的問(wèn)題?，F(xiàn)對(duì)故障母線段上的電動(dòng)給水泵的狀態(tài)進(jìn)行研究。通過(guò)圖7可以看出，電流曲線上存在3個(gè)尖峰。在故障發(fā)生的時(shí)刻(1 s)，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相關(guān)。1.2 s故障切除后，電動(dòng)機(jī)恢復(fù)了供電，由于轉(zhuǎn)子作用于定子的反電勢(shì)依然較小，所以形成了第2個(gè)電流峰值，大約為額定電流的3倍。此時(shí)，負(fù)載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩依然大于電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)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(shì)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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以后，也就是第2個(gè)電流峰值右側(cè)的最小值位置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到最低值，轉(zhuǎn)差率開(kāi)始減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始提高，開(kāi)始進(jìn)入正常的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)形成第3個(gè)電流峰值。整個(gè)過(guò)程大約持續(xù)了1.5 s。

圖7 電動(dòng)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(gè)案例中，0.4kV母線(1號(hào)汽機(jī)PC)發(fā)生三相故障并切除。圖8為此時(shí)10kV母線1BBA的電壓曲線。0.4kV母線的故障，將會(huì)對(duì)上級(jí)母線(10kV 1BBA)的電壓產(chǎn)生影響，造成一個(gè)5%以內(nèi)的電壓波動(dòng)，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(dòng)機(jī)啟動(dòng)

在這個(gè)案例中，功率最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)(電動(dòng)給水泵電動(dòng)機(jī))滿載啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程對(duì)本段母線的電壓影響和對(duì)母線1BBB的影響見(jiàn)圖9。

圖9 電動(dòng)給水泵啟動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)的一瞬間。電動(dòng)機(jī)的全部啟動(dòng)時(shí)間大約為25 s。受1BBA段母線上電動(dòng)泵啟動(dòng)影響，母線1BBB的電壓將存在一個(gè)大約3%的下降，時(shí)間與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間一致。

3.6 大功率電動(dòng)機(jī)切除及再啟動(dòng)

功率最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)(電動(dòng)給水泵電動(dòng)機(jī))退出及再啟動(dòng)，此時(shí)其母線電壓的曲線見(jiàn)圖10。這種工況主要是模擬電動(dòng)給水泵備用泵進(jìn)行切換時(shí)對(duì)廠用電的影響。這個(gè)過(guò)程的電壓曲線與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電壓曲線相似，母線電壓在電動(dòng)泵退出運(yùn)行時(shí)將有一個(gè)提高，隨后進(jìn)入一個(gè)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程。受此過(guò)程影響，0.4kV母線將具有一個(gè)與10kV相似的電壓曲線。

圖10 電動(dòng)給水泵切換時(shí)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(dòng)作

這種工況下，母線1BBA、1BBB以及1BCA的工作電源將斷開(kāi)，同時(shí)投入備用電源。以上動(dòng)作將在快切指令下同時(shí)進(jìn)行(即快切的同時(shí)切換功能)。圖11表示此時(shí)1BBA的電壓曲線?？烨袆?dòng)作時(shí)間為70～100 ms，廠用10kV段的短時(shí)電壓降大概10%，對(duì)于公用段而言，由于2臺(tái)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(tái)公用變來(lái)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(dòng)作中會(huì)有短時(shí)的失電，因此本段母線上的電動(dòng)機(jī)在快切結(jié)束后，會(huì)有一個(gè)再加速過(guò)程。從電動(dòng)泵1 A的電流曲線(圖12)來(lái)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(yàn)計(jì)算時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(dòng)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(yǔ)

通過(guò)仿真，可對(duì)發(fā)電廠電氣系統(tǒng)在各種事件下的暫態(tài)過(guò)程有一個(gè)直觀的概念。隨著我國(guó)發(fā)電機(jī)組容量及等級(jí)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(jì)時(shí)往往沒(méi)有可參考的機(jī)型以及適用的設(shè)計(jì)規(guī)定。在這種情況下，很多設(shè)想和設(shè)計(jì)都能夠通過(guò)暫態(tài)分析的仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證并得到支持。發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的暫態(tài)分析對(duì)于提高設(shè)計(jì)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(jì)院.Design description of electrical for mmamabula energy project power station［R］.長(zhǎng)春:東北電力設(shè)計(jì)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(guó)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(lì)磁控制［M］.北京:中國(guó)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(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

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