戴申華， 盛明珺， 陳延云

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031)

定子過電流限制與過勵限制的協(xié)調(diào)性研究

戴申華， 盛明珺， 陳延云

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031)

勵磁系統(tǒng)定子過電流限制和過勵限制的協(xié)調(diào)控制一直是業(yè)內(nèi)討論的熱點，但相關(guān)的研究文獻較少，文章建立了某一600MW機組的仿真模型，模型不僅包含了勵磁系統(tǒng)主環(huán)，也包括了定子過電流限制和過勵限制環(huán)節(jié)模型。基于搭建的仿真模型深入研究了兩個限制的協(xié)調(diào)性，從研究結(jié)果可見，兩個限制器均具備存在的價值，其在系統(tǒng)電壓下降過程中，抑制轉(zhuǎn)子過電流和定子過電流方面作用明顯，有效地延長了故障過程中機組的在網(wǎng)時間，提高了機組對電網(wǎng)的電壓支撐作用。而通過不同故障下的仿真表明，定子過電流限制在系統(tǒng)電壓下降過多時應閉鎖運行，避免機組的無功不足，導致機組穩(wěn)定性能下降。文章結(jié)論對于勵磁系統(tǒng)參數(shù)整定、邏輯設(shè)計具有重要意義。

勵磁系統(tǒng)；定子過電流限制器；過勵限制器；協(xié)調(diào)性

0 引言

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)中，提高和維持同步發(fā)電機運行的穩(wěn)定性，是保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的主要條件之一。而同步發(fā)電機運行對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的貢獻主要通過調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)，一般情況下，勵磁系統(tǒng)在發(fā)電機暫態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定時發(fā)揮重要的手段，無論是系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)、系統(tǒng)故障后恢復、故障時減少故障影響、電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算均主要依靠勵磁系統(tǒng)?？梢哉f，勵磁是電力系統(tǒng)的靈魂，是電力系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。

從20世紀50年代開始，自動電壓調(diào)節(jié)器的主要功能是維持發(fā)電機電壓恒定。為了提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，在之后出現(xiàn)了具備強勵功能的勵磁調(diào)節(jié)器，使得勵磁調(diào)節(jié)器在電網(wǎng)發(fā)生瞬時短路故障時，能及時地通過強勵維持系統(tǒng)電壓在合理范圍內(nèi)。隨著制造工藝的進步，勵磁調(diào)節(jié)器在經(jīng)歷了機械式和電子式之后，現(xiàn)在數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應用[1]。數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的應用使得業(yè)內(nèi)很多關(guān)于勵磁調(diào)節(jié)器附加控制的設(shè)想得到了實現(xiàn)，其中，定子過電流限制(Stator Current Limiter, SCL)是其中的一個典型附加控制功能[2]。

發(fā)電機運行過程中，隨著無功的不同，其定子電流也會發(fā)生變化，當滯相或進相無功過多時，定子電流會超出發(fā)電機的出力極限，基于這個需求，SCL這個功能得到了應用。電力行業(yè)標準《DLT843-2010大型汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》中對SCL無條文要求，國家標準《GBT 7409.3-2007 同步電機勵磁系統(tǒng) 大中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求》中SCL屬于可選功能，國調(diào)在2012年全系統(tǒng)進行的并網(wǎng)發(fā)電機組源網(wǎng)協(xié)調(diào)參數(shù)核查中對SCL提出了要求，明確了如果勵磁調(diào)節(jié)器裝設(shè)了SCL，限制必須與發(fā)電機定子過負荷保護(Stator Current Protecter，SCP)匹配[3]。

目前，大部分主流勵磁調(diào)節(jié)器均裝設(shè)了SCL，業(yè)內(nèi)普遍關(guān)心的是其與SCP的定值匹配問題，但是，勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機的影響最終還是要通過勵磁電壓的調(diào)節(jié)實現(xiàn)，這樣，SCL與勵磁調(diào)節(jié)器各項附加控制，如過勵限制(Over-Excitation Limiter, OEL)、低勵限制(Under-Excitation Limiter, UEL)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer, PSS)等的配合對于機組運行有著重要的意義[4～6]。

基于目前SCL的研究現(xiàn)狀及生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題，本文將就SCL與OEL的協(xié)調(diào)性進行深入的研究，冀希望通過本研究，得出SCL與OEL的定值整定要求，以及勵磁系統(tǒng)對于SCL與OEl作用的選擇性。

1 勵磁系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

1.1 SCL模型及實現(xiàn)邏輯

SCL工作原理為：裝置檢測定子電流和無功功率，根據(jù)定子過電流定值計算出對應當前的動作時間，當定子電流超過啟動值之后，達到反時限累積熱容值，限制器動作。如果此時發(fā)電機進相運行，限制器動作于增磁，如果發(fā)電機滯相運行，限制器動作于減磁。

圖中Igact為限制啟動值，Igrtn為限制返回值，Kcool為冷卻系數(shù)，Ign為額定定子電流，Ig為當前定子電流，Q為當前無功功率，ΔIglim為SCL輸出。

1.2 OEL模型及實現(xiàn)邏輯

OEL工作原理為：裝置檢測勵磁電流，當勵磁電流超過勵磁過流反時限啟動值時，勵磁過流反時限開始計時，當熱容累積超過定值后，限制動作，將勵磁電流拉回至發(fā)電機長期允許勵磁電流值。當勵磁電流低于啟動值時，勵磁裝置根據(jù)勵磁電流計算其冷卻值，并計算剩余能容，如果剩余能容大于零，勵磁電流又超出啟動值，則相應的限制動作時間會減少。

圖中Ifact為限制啟動值，Ifrtn為限制返回值，Kcool為冷卻系數(shù)，Ifn為額定勵磁電流，If為當前勵磁電流，ΔIflim為OEL輸出。

1.3 包括OEL和SCL的勵磁系統(tǒng)模型

當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，勵磁系統(tǒng)需要增大勵磁以盡可能的維持系統(tǒng)電壓的恒定，這個時候就需要勵磁系統(tǒng)的強勵功能，但在這個過程中，為了防止機組的轉(zhuǎn)子回路和定子回路因電流過大而引起燒損事故，需要OEL和SCL。圖3是OEL和SCL與AVR的一種迭加方式，這種迭加方式的動作優(yōu)先級以SCL為最高，在機組強勵以后，只要發(fā)電機定子電流達到限制值，SCL限制器即動作，并通過減小或增大勵磁電流的方式使發(fā)電機電流返回到允許范圍內(nèi)。而OEL和SCL與AVR的另外一種迭加方式，以O(shè)EL的優(yōu)先級為最高，當兩個限制器都動作以后，以發(fā)電機勵磁電流允許值為控制目標。

2 基于電壓影響因子的勵磁系統(tǒng)強勵能力分析方法

OEL與SCL同時動作一般發(fā)生在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)強勵時，當系統(tǒng)發(fā)生短路以后，勵磁系統(tǒng)強勵動作，此時勵磁電流、定子電流都會急劇增大，如果持續(xù)時間較長，導致OEL或SCL動作，并將相應的勵磁電流或定子電流拉回到允許值以內(nèi)，這個過程勢必要影響到勵磁系統(tǒng)強勵能力的發(fā)揮。

為了定量的表征勵磁系統(tǒng)強勵能力，現(xiàn)提出電壓影響因子Kua的概念。一般情況下，短時故障，如100ms內(nèi)的故障并切除，勵磁系統(tǒng)會發(fā)生強勵，但是，勵磁電流和定子電流尚達不到其動作定值。當機組遠端發(fā)生故障，部分重點無功源甩負荷，需要機組持續(xù)性的向系統(tǒng)輸出無功，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，此時發(fā)電機電壓的水平高低直接影響到系統(tǒng)電壓的恢復，故障過程中的電壓水平即為電壓影響因子Kua。

電壓影響因子Kua的計算方法如下：

(1)

在OEL和SCL動作之前，勵磁系統(tǒng)能充分發(fā)揮其強勵能力，但這兩個限制器其中之一動作，其強勵能力會受到抑制。分析不同限制器對強勵的影響，其Kua計算間隔1s，起始電壓應為首個限制器動作時間的電壓值。Kua值越大，說明勵磁系統(tǒng)的強勵能力越強，反之則越弱。

3 算例分析

3.1 仿真參數(shù)

仿真分析的參數(shù)采用安徽電網(wǎng)某一600MW的機組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用單機-無窮大模型。

3.2 系統(tǒng)電壓下降至80%時，勵磁調(diào)節(jié)器動作仿真

系統(tǒng)發(fā)生故障，導致系統(tǒng)電壓降低至80%，需要勵磁系統(tǒng)提供無功，仿真過程中，SCL發(fā)熱系數(shù)采用實際設(shè)置定值15.6(即1.1倍額定電流啟動，1.6倍持續(xù)10s)，OEL發(fā)熱系數(shù)為30(即1.1倍額定勵磁電流啟動，2倍持續(xù)10s)。

圖4中時間3s時，系統(tǒng)電壓下降至80%，勵磁系統(tǒng)強勵動作，勵磁電流、發(fā)電機電壓、無功功率及發(fā)電機電壓均立即上升，OEL動作時間為13.79s，勵磁電流被拉回至額定，此時定子電流也被拉回至額定附近，在整個過程中，定子電流限制器未動作。

發(fā)電機勵磁電流為發(fā)電機空載磁勢與定子電流感應磁勢的矢量和，在發(fā)電機電壓較高時，一般情況下，勵磁電流較定子電流先達到限制值，OEL先動作。

取限制器動作瞬間發(fā)電機電壓為U0，共取8個點，計算圖4中的電壓影響因子Kua=0.9192.

退出OEL，再次仿真，SCL動作時間為17.29s，發(fā)電機電流被拉回至額定。圖5即為OEL退出后的仿真錄波圖。

取13.79s發(fā)電機電壓為U0，共取8個點，計算圖5中的電壓影響因子Kua=0.9676.

OEL退出以后，勵磁系統(tǒng)電壓影響因子變大，此時勵磁系統(tǒng)的強勵貢獻較大，但是，從仿真結(jié)果可見，勵磁電流明顯的超出了其發(fā)熱極限，實際機組如果發(fā)生這種情況，可能會引起轉(zhuǎn)子燒損事故。對于發(fā)電機來講，OEL是必不可少的，而從系統(tǒng)電壓下降80%的仿真結(jié)果可見，只要OEL存在，發(fā)電機定子電流不會達到熱容極限，SCL不會動作。

3.3 系統(tǒng)電壓下降至70%時，勵磁調(diào)節(jié)器動作仿真

仿真參數(shù)同3.2節(jié)，系統(tǒng)發(fā)生故障，導致系統(tǒng)電壓降低至70%，仿真結(jié)果見圖6，OEL動作于10.13s，勵磁電流被拉回至額定勵磁電流，但由于發(fā)電機電壓偏低，發(fā)電機電流仍然較大(超過1.1倍額定)，18.44s時SCL達到定值動作，將發(fā)電機電流拉回至額定電流。

取10.13s發(fā)電機電壓為U0，共取8個點，計算圖6中的電壓影響因子Kua=0.8251.

在本次仿真過程中，若無SCL，則OEL動作以后，定子電流仍然會超出1.1倍額定，會導致定子過電流保護啟動，經(jīng)過反時限計算，定子過電流保護動作于跳機。對系統(tǒng)來說，這種情況下其電壓影響因子Kua=0，無電壓支撐作用。

3.4 系統(tǒng)電壓下降至60%時，勵磁調(diào)節(jié)器動作仿真

仿真參數(shù)同3.2節(jié)，系統(tǒng)發(fā)生故障，導致系統(tǒng)電壓降低至60%，仿真結(jié)果見圖7，OEL未動作，SCL動作于10.92s，SCL動作以后機組發(fā)生了振蕩，通過計算發(fā)現(xiàn)，主要是此時發(fā)電機電壓過低，導致機組電流過大，但SCL僅能調(diào)節(jié)發(fā)電機電流的無功分量，當無功調(diào)節(jié)至0以后，發(fā)電機電流仍然大于1.1倍額定電流，此時SCL已無法調(diào)節(jié)。

從仿真結(jié)果可見，在機組無功不足時，SCL應閉鎖動作，防止出現(xiàn)機組振蕩事故。

4 結(jié)語

本文通過仿真系統(tǒng)電壓下降過程中發(fā)電機勵磁系統(tǒng)SCL和OEL的動作情況，來分析兩個限制器的協(xié)調(diào)性，從仿真結(jié)果可見，OEL是勵磁系統(tǒng)必不可少的限制器，其在抑制機組強勵過程中轉(zhuǎn)子發(fā)熱、延長系統(tǒng)故障過程中機組在網(wǎng)時間、提高電壓支撐能力方面作用十分顯著。而SCL在OEL動作以后，防止機組定子過電流效果明顯，具備作為勵磁調(diào)節(jié)器的一個附加控制的必要性。

但是在系統(tǒng)嚴重故障，如系統(tǒng)電壓下降較多情況下，SCL動作以后，發(fā)電機僅存在有功電流，其穩(wěn)定性較差，特別地，某些情況下，發(fā)電機有功電流超出了發(fā)電機定子電流額定值，SCL已無法調(diào)節(jié)定子電流，此時，需要閉鎖SCL。

綜上所述，勵磁系統(tǒng)的SCL和OEL兩個限制器均有存在的必要性，但優(yōu)先級應以O(shè)EL為高，SCL作為OEL的一個補充，共同組成勵磁系統(tǒng)過勵限制。

[1] 李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應用[M].第二版.北京：中國電力出版社,2009:75-95.

[2] 劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機的勵磁控制[M].北京：中國電力出版社，2007:136-154.

[3] 林曉峰, 謝樹平. 多目標執(zhí)行依賴啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃勵磁控制[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2012, 24(3): 28-34.

[4] 丁傲, 謝歡，等. 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制協(xié)調(diào)控制分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(8):193-198.

[5] 王清明.300MW機組勵磁低勵限制引起功率異常波動分析[J].熱力論壇,2009,38(12):75-77.

[6] 薛小平,王文新. 二灘水電站機組無功功率波動分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2012,36(4):17-19.

[責任編輯：朱子]

Research on Coordination of Stator Current Limit and Over-Excitation Limit

DAIShen-hua,SHENGMing-jun,CHENYan-yun

(ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China)

The coordination control of stator current limit and over-excitation limit has been a hot topic of discussion in the industry, but less related research literature, this paper establishes the simulation model of a 600MW unit, which not only includes the excitation system main loop, also includes the stator current limit and over-excitation limit model. The coordination of two limits is researched based on the simulation model, the study result shows, the two limiters are useful, when the system voltage drops, have obvious effect on the inhibition of the rotor over current and stator over current, to effectively prolong the time of the unit in the network during the failure process, to improve the voltage supporting effect of unit on the grid. Through the simulations under different fault conditions show that, the stator current limit should run with blocking when the system voltage drops too much, to avoid the insufficient of reactive power, and resulting the decline of the system stability. The conclusion has the significance for the excitation system parameter setting and the logic design.

excitation system; stator current limiter (SCL); over-excitation limiter (OEL); coordination

2015- 05-10

戴申華(1984-)，男，安徽池州人，中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司華東分公司，工程師，長期從事發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗及理論研究工作。

TM311

A

1672-9706(2015)03- 0001- 05