梁廷婷,王 凱,陳 俊,王 光,徐晨博
(1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司,北京市 100761;2.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇省南京市 211102;3.浙江省電力公司,浙江省杭州市 310007)
隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,風(fēng)電、光伏發(fā)電、核電裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅猛,抽水蓄能電站在調(diào)峰填谷、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行方面的作用日益突出。近年來,國(guó)內(nèi)配套建設(shè)的抽水蓄能電站均為定速抽水蓄能機(jī)組,自響水澗抽水蓄能電站采用國(guó)產(chǎn)化機(jī)組保護(hù)以來,國(guó)內(nèi)已掌握了定速機(jī)組繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)[1-6]。但是,世界抽水蓄能技術(shù)不斷發(fā)展,可變速抽水蓄能成為新趨勢(shì)。與定速抽水蓄能機(jī)組相比,可變速抽水蓄能機(jī)組具有有功功率調(diào)節(jié)范圍大、有功功率調(diào)節(jié)速度快(幾十毫秒級(jí))、進(jìn)相運(yùn)行能力強(qiáng)、綜合效率高等優(yōu)點(diǎn),正成為世界抽水蓄能電站建設(shè)的首選機(jī)型[7]。目前,日本、歐洲、美國(guó)均已有大量在運(yùn)的變速抽水蓄能電站,技術(shù)成熟,運(yùn)行穩(wěn)定。與此相對(duì)的是,國(guó)內(nèi)首座采用變速機(jī)型的抽水蓄能電站——河北豐寧抽水蓄能電站處于建設(shè)期,距投運(yùn)尚需時(shí)日。
變速抽水蓄能機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,配置完善可靠的繼電保護(hù)裝置對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要,當(dāng)機(jī)組內(nèi)部故障或運(yùn)行異常時(shí),保護(hù)裝置自動(dòng)、迅速地將機(jī)組跳閘或發(fā)出信號(hào),避免機(jī)組進(jìn)一步損壞。國(guó)內(nèi)針對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組繼電保護(hù)技術(shù)的研究尚處于起步階段,再加上現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中涉及此技術(shù)內(nèi)容的資料極為有限,保護(hù)技術(shù)研究存在較大困難。
本文基于國(guó)內(nèi)變速機(jī)組繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的需要,針對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組的電氣主回路、交流勵(lì)磁控制和水泵自啟動(dòng)方式等特點(diǎn),分析其繼電保護(hù)特殊之處,給出了應(yīng)對(duì)策略和保護(hù)方案,并通過動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。
變速抽水蓄能機(jī)組是一種隱極電機(jī),定子側(cè)接電網(wǎng),三相分布式轉(zhuǎn)子繞組鑲嵌在圓筒轉(zhuǎn)子鐵心線槽內(nèi),在轉(zhuǎn)子磁極繞組中通入交流勵(lì)磁電流,產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),進(jìn)而在電機(jī)氣隙中形成同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)??勺兯贆C(jī)組轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速N0與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速Nm的關(guān)系如式(1)所示。
式中:N0——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速;
Nm——轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速;
Ne——交流勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,可以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同,也可以相反,分別對(duì)應(yīng)于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)低于同步轉(zhuǎn)速或者高于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
交流勵(lì)磁系統(tǒng)通過控制勵(lì)磁電壓的頻率、幅值及相位,可以控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小、相對(duì)轉(zhuǎn)子的位置和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速,這極大增加了變速機(jī)組勵(lì)磁控制的自由度,從而較常規(guī)同步電機(jī)有了更加優(yōu)越的運(yùn)行性能。
變速抽水蓄能機(jī)組在運(yùn)行控制、抽水啟動(dòng)方式等方面與定速抽水蓄能機(jī)組有所不同,具體包括:
(1)特殊的機(jī)組單元主接線形式,影響主設(shè)備差動(dòng)范圍選擇和保護(hù)配置。典型的變速抽水蓄能機(jī)組單元接線如圖1所示,與定速機(jī)組差異較大,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:機(jī)組主接線回路取消拖動(dòng)開關(guān)和被拖動(dòng)開關(guān);主變壓器低壓側(cè)無靜止變頻器(statistic frequency converter,SFC)拖動(dòng)支路;勵(lì)磁變壓器容量顯著增加等。
圖1 典型的變速抽水蓄能機(jī)組單元接線Figure 1 Main wiring of typical variable speed pumped storage unit
(2)轉(zhuǎn)子繞組為三相交流勵(lì)磁繞組,可能發(fā)生相間、匝間和單相接地故障,而轉(zhuǎn)子繞組處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),電氣量頻率很低且難以測(cè)量,以往成熟的交流繞組故障保護(hù)方法難以適用。
(3)特殊的水泵自啟動(dòng)方式對(duì)保護(hù)提出新要求。定速機(jī)組需借助于外部設(shè)備,采用SFC啟動(dòng)或背靠背啟動(dòng)方式[8]。而變速機(jī)組可自主啟動(dòng),在短接定子三相短路開關(guān)后,由交流勵(lì)磁系統(tǒng)輸出頻率逐漸增加的勵(lì)磁電流,利用電磁反作用力矩拖動(dòng)機(jī)組。這一啟動(dòng)過程的控制流程和電氣量特征均較特殊,需研究相應(yīng)的保護(hù)方案。
大型定速抽水蓄能機(jī)組抽水啟動(dòng)方式,一般以SFC啟動(dòng)方式為主,背靠背啟動(dòng)方式為輔。受拖動(dòng)和被拖動(dòng)電氣回路的影響,常配置兩種主變壓器差動(dòng)保護(hù),保護(hù)范圍僅包含主變壓器的小差保護(hù)(圖2中的“主變壓器差動(dòng)1”)和保護(hù)范圍包含主變壓器、換相開關(guān)或發(fā)電電動(dòng)機(jī)斷路器的大差保護(hù)(圖2中的“主變壓器差動(dòng)2”)。計(jì)入差動(dòng)保護(hù)的電流,除了主變壓器高壓側(cè)電流、發(fā)電機(jī)電流和高壓廠用變壓器高壓側(cè)電流外,還包括SFC支路電流。由于勵(lì)磁變壓器容量很小,其高壓側(cè)電流無須計(jì)入主變壓器差動(dòng)保護(hù)[9],如圖2所示。對(duì)于大差保護(hù),啟動(dòng)過程中差動(dòng)保護(hù)應(yīng)采取不計(jì)入機(jī)端電流或暫時(shí)閉鎖的防誤動(dòng)措施。
圖2 定速抽水蓄能機(jī)組主變壓器差動(dòng)保護(hù)Figure 2 Differential protection for main transformer of constant speed pumped-storage unit
變速機(jī)組的發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變壓器之間僅設(shè)置斷路器和換相開關(guān),無拖動(dòng)開關(guān)、被拖動(dòng)開關(guān)等與外部設(shè)備連接的電流支路,主變壓器無須分設(shè)大、小差動(dòng)保護(hù),僅配置一套差動(dòng)保護(hù)即可,如圖3所示。由于變速機(jī)組勵(lì)磁變壓器容量較大,勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流應(yīng)計(jì)入主變壓器差動(dòng)保護(hù)。而取消SFC后,主變壓器差動(dòng)保護(hù)就少了SFC電流支路。
圖3 變速抽水蓄能機(jī)組主變壓器差動(dòng)保護(hù)Figure 3 Differential protection for main transformer of variable speed pumped-storage unit
相比定速抽水蓄能機(jī)組,變速機(jī)組勵(lì)磁變壓器容量要大得多,可達(dá)機(jī)組額定容量的20%。常規(guī)保護(hù)方案采用電流速斷保護(hù)作為主保護(hù),其定值按躲過勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)最大三相短路電流整定,對(duì)一些低壓側(cè)繞組或端部相間短路故障存在靈敏度不足的問題。若改為差動(dòng)主保護(hù)方案,對(duì)勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)非嚴(yán)重短路故障也能靈敏反應(yīng),且保護(hù)動(dòng)作速度更快。
正常運(yùn)行時(shí),變速抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁電壓和電流更高,達(dá)數(shù)千伏和數(shù)千安培,且作為旋轉(zhuǎn)部件,轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障概率高于定子繞組。其故障型式包括相間短路、匝間短路和單相接地短路[10]。
300MW級(jí)變速抽水蓄能機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵(lì)磁頻率在±10%fn(-5~5Hz)范圍內(nèi)變化,額定勵(lì)磁電壓達(dá)3~4kV,額定勵(lì)磁電流達(dá)6~8kA。在保護(hù)設(shè)計(jì)上,常規(guī)思路是采集勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓,通過識(shí)別轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障時(shí)的過電流、低電壓等特征來反應(yīng)故障。該思路在實(shí)現(xiàn)上存在以下困難:勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流的測(cè)量設(shè)備選型困難;頻率極低且連續(xù)變化電氣量的保護(hù)算法設(shè)計(jì)困難;由于勵(lì)磁頻率低導(dǎo)致的過電流動(dòng)作速度較慢,與快速切除內(nèi)部故障要求之間存在矛盾。
另一種保護(hù)的實(shí)現(xiàn)思路是,利用轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障時(shí)定子側(cè)呈現(xiàn)出的電氣量特征來設(shè)計(jì)保護(hù)。轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生相間短路和匝間短路時(shí),內(nèi)部產(chǎn)生不對(duì)稱電流分量,通過氣隙磁場(chǎng)的電樞反應(yīng)作用,在定子側(cè)感應(yīng)出特定頻率的間諧波分量。諧波電流的大小與轉(zhuǎn)子繞組短路故障嚴(yán)重程度和機(jī)組結(jié)構(gòu)有關(guān)。動(dòng)模試驗(yàn)中變速抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)定子側(cè)電流及其頻譜分析結(jié)果如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)定子側(cè)電流及其頻譜分析Figure 4 Frequency analysis of stator current when rotor winding inter-turn short circuit
從圖4可以看出,其諧波頻譜非常豐富,各個(gè)頻率段均有分布。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),諧波電流的頻率與轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)有關(guān),且很多頻率分量偏離工頻,而定子繞組內(nèi)部短路時(shí)定子電流主要為基波成分,據(jù)此可以區(qū)分定子繞組內(nèi)部短路和轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部短路。
變速抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)為不接地系統(tǒng),單相接地故障時(shí)短路電流很小,可借鑒傳統(tǒng)的零序過電壓保護(hù)來反應(yīng)此故障,動(dòng)作判據(jù)如下:
在轉(zhuǎn)子三相繞組端部安裝霍爾式電壓互感器,霍爾式電壓互感器體積小,安裝方便,成本低,可作為勵(lì)磁電壓測(cè)量設(shè)備。相應(yīng)的,保護(hù)應(yīng)采用適應(yīng)低頻且持續(xù)變化電氣量的相量算法。
抽水蓄能機(jī)組主要用于調(diào)峰填谷,一般每天均有啟停操作。抽水啟動(dòng)過程為:在機(jī)組靜止?fàn)顟B(tài)短接定子三相短路開關(guān),交流勵(lì)磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子繞組中輸出頻率逐漸增加的負(fù)序電流,在電磁反作用力矩作用下,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn),且轉(zhuǎn)速逐步升高至額定轉(zhuǎn)速,啟動(dòng)并網(wǎng)流程。抽水啟動(dòng)過程時(shí)間較長(zhǎng),在數(shù)百秒左右,且啟動(dòng)之初即已加勵(lì)磁[11]。因此,應(yīng)重視抽水啟動(dòng)過程的保護(hù)配置。
變速抽水蓄能機(jī)組抽水啟動(dòng)過程中,定子三相短路開關(guān)合上,等同于三相定子繞組被短路,發(fā)電機(jī)電壓極低,使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部很難再出現(xiàn)短路故障。盡管如此,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)異常可能引起誤強(qiáng)勵(lì),仍可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的過電流。此時(shí),由于發(fā)電機(jī)內(nèi)部無故障,常規(guī)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)不能反應(yīng),而相間后備保護(hù)在低頻啟動(dòng)過程靈敏度降低,且頻率越低,靈敏系數(shù)越低,因此增設(shè)專門針對(duì)抽水啟動(dòng)過程的低頻過流保護(hù)。低頻過流保護(hù)作為相間故障的后備保護(hù),過電流定值應(yīng)躲過啟動(dòng)過程中的最大定子電流。
不同于定速抽水蓄能機(jī)組,變速抽水蓄能機(jī)組中性點(diǎn)接地變壓器隔離開關(guān)在啟動(dòng)過程中為合位狀態(tài),基于中性點(diǎn)零序過電壓的保護(hù)原理仍然適用,只是過電壓定值應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)過程中最大不平衡零序電壓進(jìn)行整定。三次諧波電壓原理的定子接地保護(hù)則不再適用,其原因是此過程中定子電壓頻率低且不穩(wěn)定,難以準(zhǔn)確分離計(jì)算出三次諧波電壓分量。
注入式定子接地保護(hù)的電阻判據(jù)在啟動(dòng)過程中同樣需要退出運(yùn)行,當(dāng)注入信號(hào)頻率為12.5Hz時(shí),與運(yùn)行頻率過于接近,而注入信號(hào)為20Hz時(shí),與三次諧波分量頻率過于接近,同樣難以準(zhǔn)確分離計(jì)算注入頻率的特征分量。盡管如此,注入式定子接地保護(hù)的電流判據(jù)由于不涉及不同頻率分量的分離計(jì)算,仍然可正常投入。
抽水啟動(dòng)過程中,定子側(cè)電氣量頻率等于滑差頻率,即交流勵(lì)磁頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率之差,該頻率遠(yuǎn)低于工頻,且機(jī)端電壓很低,功率主要是無功分量,一些針對(duì)工頻運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的保護(hù)功能在此過程中可能誤動(dòng),應(yīng)暫時(shí)閉鎖,并網(wǎng)后再投入運(yùn)行。例如,低頻保護(hù)、低電壓保護(hù)和低功率保護(hù)應(yīng)閉鎖[12]。
抽水啟動(dòng)時(shí)定子三相短路,無須投入失磁保護(hù),常規(guī)的定子阻抗圓失磁保護(hù)原理反而有可能因電氣量頻率過低而誤入動(dòng)作阻抗圓內(nèi),因此應(yīng)閉鎖失磁保護(hù),待發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后再投入運(yùn)行。
除非電量保護(hù)外,變速抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組的保護(hù)應(yīng)按雙重化配置。發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)和主變壓器保護(hù)分開配置,勵(lì)磁變壓器的保護(hù)功能集成于主變壓器保護(hù)裝置中。由于兩臺(tái)機(jī)組配置一臺(tái)高壓廠用變壓器,考慮設(shè)備停運(yùn)及檢修方便,高壓廠用變壓器保護(hù)裝置獨(dú)立配置。整套保護(hù)按5面屏設(shè)計(jì):主變壓器和勵(lì)磁變壓器保護(hù)組3面屏,其中,電氣量保護(hù)A、B套各1面屏,非電量保護(hù)和其他輔助裝置1面屏;發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)A、B套各一面屏;高壓廠用變壓器保護(hù)獨(dú)立配置。
300MW級(jí)大型變速抽水蓄能機(jī)組典型的繼電保護(hù)配置見表1和表2。
表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能配置Table 1 Protection configuration of generator-motor
續(xù)表
表2 主變壓器和勵(lì)磁變壓器保護(hù)功能配置Table 2 Protection configuration of main transformer and excitation transformer
為驗(yàn)證本文所提出的變速抽水蓄能機(jī)組保護(hù)方案的有效性,搭建如圖5所示的動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。采用雙饋發(fā)電機(jī)組模擬發(fā)電電動(dòng)機(jī),由交流勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行控制,同軸的直流電動(dòng)機(jī)模擬水泵水輪機(jī),發(fā)變組單元經(jīng)過并網(wǎng)斷路器和換相隔離開關(guān)與試驗(yàn)室電網(wǎng)(電力系統(tǒng))相連。
圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Figure 5 Experimental wring diagram
雙饋機(jī)組為3對(duì)極交流勵(lì)磁電機(jī),額定功率12kW,定子額定電壓380V,額定電流18.23A,雙分支的系數(shù)分別為33.33%和66.67%。轉(zhuǎn)子采用單分支繞組,額定電壓380V,額定電流5.66A。交流勵(lì)磁系統(tǒng)采用三電平背靠背I型功率分支。主變壓器容量15kVA,Yd11接線,變比為380V/380V。
主變壓器差動(dòng)、勵(lì)磁變壓器差動(dòng)的保護(hù)原理和動(dòng)作特性與常規(guī)機(jī)組近似,抽水啟動(dòng)過程的低頻過流保護(hù)邏輯簡(jiǎn)單,均無須進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)重點(diǎn)驗(yàn)證雙饋機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障保護(hù)。動(dòng)模機(jī)組并網(wǎng)后,勵(lì)磁頻率4Hz,機(jī)組功率逐步升高至30%額定功率,然后模擬轉(zhuǎn)子繞組A相匝間短路(短路匝比1/3)和A、B相間短路故障(A相繞組中間位置與機(jī)端B相繞組位置短路),故障過渡電阻6Ω。獲取定子繞組兩個(gè)分支的三相電流,計(jì)算裂相橫差電流,濾出其中的特定諧波分量構(gòu)成過電流保護(hù),過流門檻定值設(shè)置為0.15A,延時(shí)定值0.1s。兩次試驗(yàn)的波形分別如圖6和圖7所示。圖中,通道ia1和ia2分別為機(jī)組兩分支a相電流,ida通道為裂相差動(dòng)電流。
圖6 轉(zhuǎn)子繞組匝間故障波形Figure 6 Inter-turn fault of rotor winding
從以上兩個(gè)試驗(yàn)波形可以看出,轉(zhuǎn)子繞組匝間和相間故障時(shí),定子側(cè)裂相差流包含明顯的諧波分量,基于諧波的保護(hù)原理能夠可靠動(dòng)作。以圖7的相間故障為例,裂相差流的頻譜分析結(jié)果如圖8所示,諧波頻率分量很豐富,主要集中于0~100Hz范圍內(nèi)。
圖7 轉(zhuǎn)子繞組相間故障波形Figure 7 Phase to phase fault of rotor winding
圖8 轉(zhuǎn)子繞組相間故障時(shí)定子裂相差流頻譜分析Figure 8 Frequency spectrum analysis of stator split phase current with phase to phase fault of rotor winding
轉(zhuǎn)子繞組A相中間位置單相接地短路的電壓波形如圖9所示,故障過渡電阻為3Ω,零序電壓定值20V。圖中,Ua、Ub、Uc分別為轉(zhuǎn)子繞組端部三相電壓,U0為自產(chǎn)零序電壓。
從圖9可以看出,轉(zhuǎn)子繞組單相接地時(shí),接地相(A相)電壓降低,其余兩相電壓升高,故障期間工作頻率(4Hz)的零序電壓很大,區(qū)別于非故障情況下的零序電壓高頻諧波特征。
圖9 轉(zhuǎn)子繞組單相接地故障波形Figure 9 Phase ground fault of rotor winding
本文針對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的特點(diǎn),在主變壓器差動(dòng)保護(hù)、勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障保護(hù)和抽水啟動(dòng)過程保護(hù)等方面對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的特殊之處進(jìn)行探討,提出了300MW級(jí)抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的典型配置方案,并進(jìn)行了動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證。概括來說,主要有以下幾點(diǎn):
(1)主變壓器差動(dòng)保護(hù)無須區(qū)分大、小差,僅配置一套即可,且需計(jì)入勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流。
(2)勵(lì)磁變壓器宜采用差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù),以提高保護(hù)靈敏度和動(dòng)作速度。
(3)應(yīng)重視轉(zhuǎn)子側(cè)短路保護(hù)配置,可采用定子側(cè)諧波特征構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組相間和匝間短路保護(hù)。
(4)抽水啟動(dòng)過程中,應(yīng)配置單獨(dú)的低頻差動(dòng)保護(hù)和低頻過流保護(hù)反應(yīng)定子繞組相間故障,并閉鎖可能因低頻、低電壓特征導(dǎo)致誤動(dòng)的保護(hù)功能。
基于本文方案研制的變速抽蓄機(jī)組保護(hù)裝置即將在國(guó)內(nèi)某變速抽蓄工程中試點(diǎn)運(yùn)行。