王 波，孔 明

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向家壩800MW發(fā)電機過勵限制器的剖析及試驗

王 波1，孔 明2

（1. 向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓 644600；2. 西門子電站自動化有限公司，南京 211100）

分析了過勵限制器的功能特點和設(shè)計要求，提出了向家壩水電站800MW發(fā)電機過勵限制器模型。通過RTDS仿真試驗和動態(tài)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了過勵限制器與過勵保護、強勵限制和發(fā)電機過負荷保護配合的技術(shù)特點，對大容量發(fā)電機組過勵限制器應(yīng)用提供了借鑒和參考。

800MW發(fā)電機；過勵限制器；RTDS；設(shè)計及試驗

0 前言

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的過勵限制器（Over Excition Limiter，OEL）是為了避免發(fā)電機轉(zhuǎn)子過流熱積累導(dǎo)致繞組溫度過高，通過勵磁調(diào)節(jié)器減小勵磁電流，將發(fā)電機運行點限制在發(fā)電機PQ穩(wěn)定曲線范圍內(nèi)的一種限制器[1]。設(shè)計過勵限制的功能時應(yīng)充分發(fā)揮轉(zhuǎn)子繞組短時過載能力，盡可能在系統(tǒng)需要提供無功功率時快速恢復(fù)系統(tǒng)電壓。正確的勵磁系統(tǒng)過勵限制和過勵保護可以在保證發(fā)電機組安全可靠運行條件下最大限度地發(fā)揮發(fā)電機的作用，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定裕度[2-4]。本文分析了向家壩800MW水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)過勵限制器的設(shè)計原理和功能特點，對大型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)正確發(fā)揮過勵限制作用提供了參考。

1 過勵限制的主要特點

1.1 過勵限制的功能特點

發(fā)電機的過勵限制包含頂值電流瞬時限制和過勵反時限限制兩種功能。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的類型決定了過勵限制控制參數(shù)的選擇。

靜止勵磁系統(tǒng)和有刷交流勵磁機勵磁系統(tǒng)采用發(fā)電機勵磁電流作為過勵限制的控制參數(shù)，無刷勵磁系統(tǒng)采用勵磁機勵磁電流作為過勵限制的控制參數(shù)。

過勵限制應(yīng)與發(fā)電機轉(zhuǎn)子短時過負荷相配合，并具有反時限特性。因勵磁機飽和因素而導(dǎo)致發(fā)電機磁場過電流特性匹配困難時應(yīng)采用非函數(shù)形式的多點擬合方案描述其反時限特征[5]。

過勵限制的作用是防止發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組較長時間過流而發(fā)熱。當(dāng)發(fā)電機及連接的電氣回路發(fā)生短路故障時，勵磁系統(tǒng)應(yīng)自動強行勵磁維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和保證繼電保護可靠動作。當(dāng)勵磁電流達到設(shè)定值并持續(xù)運行達到許可時間時，過勵限制器應(yīng)減小勵磁電流至安全運行值，便于發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組和勵磁設(shè)備溫度回落。大型機組勵磁系統(tǒng)還設(shè)計了過勵保護功能，可以作為過勵限制的后備保護，如過勵限制失去功能，過勵保護將提供調(diào)節(jié)器故障信號和正常切換動作[6]。

1.2 過勵限制器的設(shè)計要求

為確保發(fā)電機過勵限制器發(fā)揮良好作用，一方面需要給過勵限制器設(shè)計合理的限制曲線，過勵限制曲線應(yīng)低于發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷特性曲線及勵磁功率柜的過負荷曲線，另一方面當(dāng)過勵限制失去作用時應(yīng)設(shè)計過勵保護，過勵保護應(yīng)根據(jù)故障判斷是否動作，選擇將調(diào)節(jié)器切換到備用通道維持運行或直接輸出跳閘信號進行發(fā)電機解列滅磁[7]。過勵限制器的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個方面要求。

1.2.1 滿足發(fā)電機轉(zhuǎn)子過流能力要求

發(fā)電機本體安全是勵磁系統(tǒng)和繼電保護控制和限制的主要出發(fā)點。因此過勵限制器的功能設(shè)計和參數(shù)設(shè)置首先應(yīng)考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的過電流和過負荷能力。

隱極式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流特性按GB/T 7064-2008標(biāo)準規(guī)定，其特性表達式如下：

式中：—發(fā)熱常數(shù)；

I—為勵磁電流；

I—為額定勵磁電流；

T—為過流熱積累時間。

向家壩水電站安裝8臺800MW混流式水輪發(fā)電機組，其發(fā)電機組轉(zhuǎn)子短時過負荷能力曲線如下圖1所示。

圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組短時過負荷曲線

1.2.2 滿足勵磁系統(tǒng)強勵頂值要求

勵磁系統(tǒng)強勵在系統(tǒng)電壓跌落后通過大量輸出無功功率迅速抬升發(fā)電機機端電壓和主變壓器高壓側(cè)母線電壓，提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，維持系統(tǒng)電壓水平，同時也為繼電保護裝置正確判斷并切除故障提供條件。

發(fā)電機機端電壓突然下降時，勵磁系統(tǒng)將輸出最大勵磁電壓即強勵頂值電壓。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子為電感特性，強勵時發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流值將滯后增長到與勵磁電壓相同倍數(shù)。如果強勵頂值電壓超過限制值時，勵磁系統(tǒng)應(yīng)控制勵磁電壓，保證轉(zhuǎn)子電流持續(xù)在頂值電流運行。在強勵的整個過程中，發(fā)電機過勵限制始終正常工作，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流達到頂值電流而穩(wěn)定強勵后，經(jīng)過反時限的延時，如熱積累達到過勵限制設(shè)定值時，則過勵限制動作并降低勵磁電壓將轉(zhuǎn)子電流限制到額定值，勵磁系統(tǒng)完成強勵過程[8]。

1.2.3 滿足與繼電保護配合要求

與發(fā)電機過勵限制相關(guān)的保護主要有定子過負荷保護、轉(zhuǎn)子過電流保護和轉(zhuǎn)子過負荷保護等。

當(dāng)機組額定出力時，過勵磁導(dǎo)致的發(fā)電機過負荷應(yīng)同時滿足發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電流和定子過電流的要求。因發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷導(dǎo)致的發(fā)電機定子過負荷保護動作時間應(yīng)小于發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷發(fā)熱能承受的時間，滿足定子過負荷保護與轉(zhuǎn)子過負荷保護配合要求[9-11]。

大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護由定時限和反時限兩部分組成[12]。過勵限制應(yīng)采用與發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷一致的反時限熱積累計算公式，并考慮電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，保證機組的強勵能力不受限制。過勵限制特性與發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護特性之間留有級差，在保護動作之前可靠動作，既保證了發(fā)電機在系統(tǒng)故障時獲得最大的持續(xù)強勵電流，又保護了勵磁功率柜及發(fā)電機轉(zhuǎn)子不會過電流和過負荷。典型的保護配合曲線如圖2所示。

圖2 保護配合曲線圖

2 發(fā)電機過勵限制器模型

向家壩機組勵磁系統(tǒng)采用德國西門子公司提供的THYRIPOL勵磁裝置，其調(diào)節(jié)器過勵限制器模型如圖3所示，OEL的設(shè)計基于轉(zhuǎn)子電流實現(xiàn)。

其中：TFPU為OEL的轉(zhuǎn)子電流返回值，取1.05p.u.；IF_OEL為轉(zhuǎn)子電流測量時間常數(shù)，取0.02S；IOELmax為積分環(huán)節(jié)上限幅，取9p.u.；IOELmin為積分環(huán)節(jié)下限幅，?。?p.u.；OELmax為OEL輸出上限幅，取0p.u.；OELmin為OEL輸出下限幅，?。?p.u；OEL為積分時間常數(shù)，取1s；POEL為OEL的比例增益，取1p.u.；OEL為OEL的輸出增益，取1.35p.u.。

圖3 過勵限制器模型

3 仿真測試

3.1 RTDS試驗平臺介紹

使用RTDS(實時數(shù)字仿真系統(tǒng))建立包括發(fā)電機、調(diào)速裝置、PSS穩(wěn)定器、主變壓器及無窮大電網(wǎng)的電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，給勵磁調(diào)節(jié)器（AVR）提供包括發(fā)電機定子電壓、定子電流、勵磁電壓、勵磁電流、主開關(guān)位置節(jié)點等信號。將勵磁裝置輸出的控制電壓U變換為模擬信號輸入RTDS系統(tǒng)，經(jīng)過具有一階滯后環(huán)節(jié)特性的可控硅整流橋轉(zhuǎn)換成發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓U，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。試驗接線原理圖如圖4所示。

圖中AVR代表THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器，RTDS裝置的發(fā)電機模型參數(shù)設(shè)置為向家壩發(fā)電機實際運行參數(shù)，進行 THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器和RTDS裝置閉環(huán)試驗，模擬發(fā)電機運行工況測試勵磁調(diào)節(jié)器的性能。當(dāng)使用THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器AVR模型替換RTDS系統(tǒng)的AVR模型時進行動態(tài)仿真試驗，就可檢測設(shè)備制造商提供的THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器模型和參數(shù)是否真實可靠，考核勵磁調(diào)節(jié)器各項性能指標(biāo)是否符合標(biāo)準要求[13]。

圖4 試驗原理接線圖

3.2 OEL模型測試

試驗過程中退出AVR勵磁調(diào)節(jié)器中與過勵限制相關(guān)的其它限制，如定子過流限制、過無功限制及控制角限制等，改變RTDS系統(tǒng)中過渡電阻值并維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定，進行發(fā)電機出口三相短路模擬試驗，測量轉(zhuǎn)子電流的實際值及持續(xù)時間，檢查OEL的模型參數(shù)是否滿足反時限特性要求。當(dāng)RTDS與AVR調(diào)節(jié)器中的OEL模型參數(shù)保持一致時，在相同的工況下通過動態(tài)測試比較其外特性，其結(jié)果表明RTDS與AVR的OEL模型動態(tài)性能相似。OEL動態(tài)特性曲線如圖5所示。

圖5 OEL動態(tài)特性曲線

通過不同強勵倍數(shù)下的OEL動態(tài)特性試驗并記錄數(shù)據(jù)，得到的AVR及RTDS的OEL模型反時限特性數(shù)據(jù)，見表1。AVR與RTDS模型的OEL動作時間相似，并且接近理論設(shè)計值，表明了THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器過勵限制器的反時限特性滿足相關(guān)標(biāo)準要求。

表1 實測AVR與RTDS模型的OEL數(shù)據(jù)

3.3 OEL模型環(huán)節(jié)參數(shù)測試

3.3.1 OEL模型的比例增益POEL測試

在發(fā)電機額定負載下，勵磁調(diào)節(jié)器AVR僅投入過勵磁限制器，模擬發(fā)電機出口三相短路接入接地電阻0.2W，改變OEL模型PI環(huán)節(jié)增益POEL，動態(tài)特性曲線如圖6所示。

圖6 改變增益KPOEL動態(tài)特性試驗

試驗錄波圖中POEL分別取0.5、1.0和1.5，從動態(tài)過程分析OEL模型的比例增益參數(shù)僅影響反時限限制動作的動態(tài)特性，比例增益參數(shù)POEL越大，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的返回速度越快。

3.3.2 OEL模型的輸出增益OEL測試

在發(fā)電機額定負載下，勵磁調(diào)節(jié)器AVR僅投入過勵磁限制器，模擬發(fā)電機出口三相短路接入接地電阻0.2W，改變OEL模型輸出增益OEL，動態(tài)特性曲線如圖7所示。

試驗錄波圖中OEL分別取0.675、1.35和2.025，從動態(tài)過程分析OEL模型的輸出增益參數(shù)僅影響反時限限制動作的動態(tài)特性，輸出增益參數(shù)POEL越大，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的返回速度越快。

3.3.3 過勵限制與定子過電流限制配合試驗

AVR勵磁調(diào)節(jié)器投入過勵限制和定子過流限制，將無窮大母線電壓突降模擬發(fā)電機定子電流和發(fā)電機勵磁電流過流，過勵限制和定子過流限制分別動作，檢查兩個限制環(huán)節(jié)的動作配合關(guān)系。其動態(tài)特性曲線如圖8所示。

由試驗錄波圖分析，過勵限制與定子過電流限制同時動作，發(fā)電機定子過流倍數(shù)為1.57，發(fā)電機轉(zhuǎn)子過流倍數(shù)為1.55，經(jīng)過17.8s后過勵限制動作返回，轉(zhuǎn)子電流減小后其它電氣量緩慢向下調(diào)整，試驗表明過勵限制與定子過流限制配合良好。

圖7 改變增益KOEL動態(tài)特性試驗

圖8 過勵限制與定子過電流配合試驗

4 結(jié)論

本文闡述了過勵限制器的功能特點，提出了過勵限制器的反時限模型和參數(shù)整定要求，明確了過勵限制與相關(guān)保護的配合關(guān)系，進行了RTDS仿真試驗和數(shù)據(jù)分析，對大容量發(fā)電機組過勵限制器的應(yīng)用提供了借鑒和參考。結(jié)果表明,合格的過勵限制器應(yīng)至少具備以下功能：（1）保護發(fā)電機的勵磁繞組，以免發(fā)熱[14]；（2）滿足強勵頂值倍數(shù)要求，對電網(wǎng)穩(wěn)定提供盡可能多的支撐；（3）盡量發(fā)揮發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷能力，并與過勵保護之間保持合理級差，大于發(fā)變組后備保護動作時間。

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The Analysis and Testof Xiangjiaba 800MW Generator Over Excitation Limiter

WANG Bo1, KONG Ming2

(1. Xiangjiaba Hydraulic Power Plant, Yibin 644600, China;2. Siemens Power Plant Automation Ltd, Nanjing 211100, China)

After analysis of the functional characteristics and design requirement of over excitation limiter, the model of 800MW generator over excitation limiter is presented. Via RTDS simulation test and dynamic data analysis, technological feature among over excitation limiter, over excitation protection, force excitation limitation and generator over load protection is summarized, this can provide reference for large capacity generation over-excitation limiter application.

800MW generator; over excitation limiter; RTDS; design and test

TM571

A

1000-3983(2017)02-0060-05

2016-04-01

王波（1974－），1997年畢業(yè)于華中科技大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè)，主要從事同步發(fā)電機微機裝置的應(yīng)用和維護工作，高級工程師。

審稿人：李國良