盧慶輝 尹項(xiàng)根 喬 健 王義凱 尹 昕

變速抽蓄機(jī)組失磁故障分析及保護(hù)研究

盧慶輝1尹項(xiàng)根1喬 健1王義凱1尹 昕2

（1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114）

變速抽蓄機(jī)組（VSPSU）的勵(lì)磁及控制方式復(fù)雜且易發(fā)生失磁故障，配置針對(duì)性的失磁保護(hù)對(duì)保障其安全運(yùn)行至關(guān)重要。該文基于直流勵(lì)磁系統(tǒng)和交流勵(lì)磁系統(tǒng)的差異分析，將VSPSU的失磁故障劃分為對(duì)稱(chēng)失磁和不對(duì)稱(chēng)失磁兩種故障形式，并主要針對(duì)對(duì)稱(chēng)失磁故障開(kāi)展研究。首先，分別從故障位于機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)角度出發(fā)分析VSPSU發(fā)生對(duì)稱(chēng)失磁故障后的電氣量變化特性及其故障危害；然后，推導(dǎo)證明了傳統(tǒng)失磁阻抗圓保護(hù)判據(jù)在VSPSU中應(yīng)用時(shí)不具有可靠性，VSPSU缺乏具有針對(duì)性的保護(hù)方案；最后，基于VSPSU的失磁故障特性，提出了針對(duì)機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障的下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)和針對(duì)網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障的直流電壓判據(jù)，兩者結(jié)合形成了對(duì)VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障的保護(hù)方案。仿真結(jié)果表明，該文所提方案可有效地檢測(cè)VSPSU在各種運(yùn)行工況下的對(duì)稱(chēng)失磁故障，以滿(mǎn)足VSPSU對(duì)失磁保護(hù)可靠性的要求。

變速抽蓄機(jī)組 交流勵(lì)磁 失磁故障 失磁保護(hù) 保護(hù)可靠性

0 引言

隨著風(fēng)、光等新能源大規(guī)模高比例發(fā)展，新型電力系統(tǒng)對(duì)抽水蓄能電站等大容量調(diào)節(jié)電源的需求更加迫切[1-2]。相比于傳統(tǒng)的定速抽蓄機(jī)組（Fixed Speed Pumped Storage Units, FSPSU），基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的可變速抽蓄機(jī)組（Variable Speed Pumped Storage Units, VSPSU）具有更寬的機(jī)組運(yùn)行范圍和更高的運(yùn)行效率，并可以有效地抑制系統(tǒng)低頻振蕩，維持電網(wǎng)穩(wěn)定[3-5]。失磁故障是發(fā)電機(jī)組頻發(fā)的一種故障類(lèi)型，特別是對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)環(huán)節(jié)復(fù)雜的大型機(jī)組，更加容易發(fā)生失磁故障[6]?，F(xiàn)行抽水蓄能電站中，F(xiàn)SPSU和VSPSU往往采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。但FSPSU采用直流勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)速控制策略，而VSPSU采用三相交流勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)、可變轉(zhuǎn)速控制策略。勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)和控制策略的不同造成兩種機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)組成有很大區(qū)別，因此發(fā)生失磁故障的形式和特點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化。

FSPSU采用的直流勵(lì)磁系統(tǒng)同樣也在常規(guī)大型同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)中廣泛應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組及FSPSU的失磁保護(hù)多采用基于機(jī)端阻抗測(cè)量原理的失磁保護(hù)判據(jù)并輔以轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)。但基于阻抗測(cè)量原理的失磁保護(hù)存在與低勵(lì)限制配合整定困難的問(wèn)題，而基于導(dǎo)納測(cè)量原理的失磁保護(hù)可以有效避免該問(wèn)題，因此該方法在工程上具有一定的應(yīng)用[7]。此外，傳統(tǒng)保護(hù)方案無(wú)法有效區(qū)分失磁和系統(tǒng)穩(wěn)定功率振蕩，工程中往往采用延時(shí)躲振蕩的方法，這在選擇性和速動(dòng)性上具有一定缺陷[8]。近年來(lái)，針對(duì)同步發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的研究也主要集中于保護(hù)選擇性和速動(dòng)性的改進(jìn)，如利用直測(cè)功角[9-10]、振蕩邊界圓判據(jù)[11]來(lái)有效區(qū)分失磁和功率振蕩，利用發(fā)電機(jī)功率變化[12-13]、同步電動(dòng)勢(shì)變化[14]來(lái)加速保護(hù)動(dòng)作。此外，有關(guān)學(xué)者也提出了利用發(fā)電機(jī)功率因數(shù)角變化率[15]、電樞電流二階導(dǎo)數(shù)[16]，支持向量機(jī)[17]、決策樹(shù)[18]等智能算法的失磁保護(hù)方案以提高保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性。但新型保護(hù)方案的可靠性和可實(shí)施性有待進(jìn)一步考察。不同于同步發(fā)電機(jī)，同步調(diào)相機(jī)失磁后仍然能保持同步，所以傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)基于失步后的阻抗圓判據(jù)不再適用于調(diào)相機(jī)[19-20]。目前工程中針對(duì)同步調(diào)相機(jī)的失磁保護(hù)采用結(jié)合逆向無(wú)功判據(jù)、機(jī)端電壓判據(jù)和勵(lì)磁電壓判據(jù)構(gòu)成的保護(hù)方案。但該方案存在部分失磁情況下靈敏度不夠甚至存在死區(qū)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[21]對(duì)這一情況進(jìn)行了分析，并提出了基于定子內(nèi)電勢(shì)和勵(lì)磁電壓的進(jìn)相速率檢測(cè)器來(lái)判斷失磁，但該方法構(gòu)成較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[19]分析了調(diào)相機(jī)具體的失磁故障行為，并提出一種基于勵(lì)磁電流差異的調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)方案，但是該方案無(wú)法對(duì)勵(lì)磁回路斷線引發(fā)的失磁故障進(jìn)行可靠檢測(cè)。文獻(xiàn)[22]對(duì)同步調(diào)相機(jī)勵(lì)磁電壓判據(jù)無(wú)法可靠區(qū)分深度進(jìn)相運(yùn)行、全失磁故障及脈沖丟失引發(fā)的部分失磁故障進(jìn)行了理論分析，并對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁電壓判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)。

總的來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)直流勵(lì)磁同步機(jī)的失磁保護(hù)方案較為成熟。但是直流勵(lì)磁同步機(jī)和交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)在勵(lì)磁結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式上差異巨大，國(guó)內(nèi)外針對(duì)交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)失磁故障特性及失磁保護(hù)的研究較少，因此是否需要針對(duì)VSPSU配置失磁保護(hù)，以及現(xiàn)有失磁保護(hù)方案能否在VSPSU中可靠應(yīng)用還沒(méi)有明確的結(jié)論。值得注意的是，雖然交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較多，但由于風(fēng)力發(fā)電容量較小，對(duì)電網(wǎng)造成的影響有限，往往不針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)配備失磁保護(hù)。但是基于雙饋電機(jī)的VSPSU容量巨大，我國(guó)正在投建的首個(gè)VSPSU單機(jī)容量為300 MW，因此VSPSU失磁對(duì)機(jī)組本身及電網(wǎng)造成的影響不可忽視。

基于傳統(tǒng)直流勵(lì)磁系統(tǒng)和交流勵(lì)磁系統(tǒng)的差異分析，本文將VSPSU的失磁故障分為對(duì)稱(chēng)失磁和不對(duì)稱(chēng)失磁兩種故障類(lèi)型，并主要針對(duì)VSPSU的對(duì)稱(chēng)失磁故障及保護(hù)進(jìn)行研究。首先分別從機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)出發(fā)研究了VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁的故障特性及故障危害，闡明了VSPSU配置失磁保護(hù)的重要性。進(jìn)一步推導(dǎo)分析了傳統(tǒng)基于阻抗圓的失磁保護(hù)判據(jù)在VSPSU中應(yīng)用時(shí)的適應(yīng)性，得出傳統(tǒng)方案無(wú)法滿(mǎn)足VSPSU對(duì)失磁保護(hù)可靠性要求的結(jié)論。然后，結(jié)合對(duì)VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障特性的研究分別提出了針對(duì)機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障的下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)和針對(duì)網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障的直流電壓判據(jù)，兩者結(jié)合形成了針對(duì)VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障的保護(hù)方案。最后，利用PSCAD/EMTDC搭建了VSPSU失磁故障仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)和直流電壓判據(jù)在檢測(cè)VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)的可靠性。

1 VSPSU的失磁故障形式分析

FSPSU為直流勵(lì)磁的同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)，由晶閘管整流器提供直流勵(lì)磁電源，同時(shí)配置滅磁裝置及轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置。而VSPSU為三相交流勵(lì)磁的雙饋電機(jī)，通過(guò)背靠背變流器提供頻率可調(diào)的交流電源，在變流器的直流環(huán)節(jié)配置了制動(dòng)斬波器防止直流母線電壓過(guò)高，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組出口配置可控硅跨接器為轉(zhuǎn)子及變流器提供過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)。兩種機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)

對(duì)于FSPSU及其他傳統(tǒng)直流勵(lì)磁同步機(jī)，往往根據(jù)故障嚴(yán)重程度將失磁故障分為低勵(lì)（部分失磁）和失磁（完全失磁）。根據(jù)直流勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁系統(tǒng)組成，如圖1a，造成低勵(lì)的原因有開(kāi)關(guān)元件部分損壞、脈沖丟失或自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不正確動(dòng)作等；造成失磁的原因可歸納為勵(lì)磁繞組開(kāi)路和端部短路，其中勵(lì)磁繞組開(kāi)路包括滅磁開(kāi)關(guān)誤跳、勵(lì)磁變故障跳閘、勵(lì)磁繞組斷線等故障形式。

VSPSU因?yàn)椴捎昧私涣鲃?lì)磁系統(tǒng)，引發(fā)失磁的故障形式更加多樣。直流勵(lì)磁系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)硅整流元件損壞、脈沖丟失等故障時(shí)，晶閘管整流器輸出的直流電源出現(xiàn)周期性的脈波缺失，造成平均勵(lì)磁電壓下降，此外，還有電刷與集電環(huán)的接觸不良、脫落等會(huì)給勵(lì)磁支路引入較大電阻，上述種種情況進(jìn)而導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)部分失磁。而在VSPSU中，上述故障造成的往往不是三相勵(lì)磁電壓電流同時(shí)下降，而僅是部分相變化，即三相勵(lì)磁電壓或勵(lì)磁電流出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)。因此區(qū)別于傳統(tǒng)直流勵(lì)磁同步機(jī)部分失磁和全失磁故障形式的劃分，對(duì)于VSPSU的失磁故障形式可分為對(duì)稱(chēng)失磁和不對(duì)稱(chēng)失磁。

根據(jù)交流勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁系統(tǒng)組成，如圖1b，造成對(duì)稱(chēng)失磁的原因有勵(lì)磁斷路器誤跳閘，三相勵(lì)磁繞組同時(shí)斷線及端部短路（概率較?。?，調(diào)節(jié)器故障造成的機(jī)側(cè)或網(wǎng)側(cè)變流器所有脈沖丟失，直流電壓環(huán)節(jié)斷線、短路等。造成不對(duì)稱(chēng)失磁的原因有勵(lì)磁繞組單相或兩相斷線、勵(lì)磁繞組及端部?jī)上喽搪?、變流器開(kāi)關(guān)元件部分損壞、脈沖丟失或調(diào)節(jié)器不正確動(dòng)作等。需要說(shuō)明的是，工程中VSPSU的變流器端口都加裝了電流互感器構(gòu)成過(guò)電流保護(hù)。此外，不同于FSPSU，VSPSU轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)被加強(qiáng)，轉(zhuǎn)子繞組往往配置主保護(hù)以反映繞組及端口引線的短路故障。因此上述各種形式的短路故障發(fā)生時(shí)由VSPSU的轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)及變流器過(guò)電流保護(hù)快速動(dòng)作，無(wú)需進(jìn)一步考慮短路故障造成失磁的情況。

對(duì)稱(chēng)失磁故障和不對(duì)稱(chēng)失磁故障下VSPSU的失磁特征具有較大差異。受篇幅限制，本文主要對(duì)VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障下的失磁特性及保護(hù)進(jìn)行研究，對(duì)于VSPSU的不對(duì)稱(chēng)失磁故障將另撰文討論。

2 VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障特性及對(duì)電力系統(tǒng)的影響

VSPSU的勵(lì)磁由背靠背變流器提供，通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)將勵(lì)磁系統(tǒng)分為機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)兩部分。機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)均可直接或間接地造成VSPSU發(fā)生對(duì)稱(chēng)失磁故障，但引發(fā)失磁機(jī)理不同，因此需要分別從機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)考慮VSPSU的對(duì)稱(chēng)失磁故障特性。

2.1 VSPSU的數(shù)學(xué)模型

VSPSU的整體結(jié)構(gòu)和雙饋風(fēng)機(jī)相似，定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)均采用三相交流繞組結(jié)構(gòu)。若定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，并將轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換到定子側(cè)，則可得到VSPSU在同步速坐標(biāo)系下的空間矢量電壓方程和空間矢量磁鏈方程[23]為

式中，為微分算子；s和r分別為轉(zhuǎn)換到同步速下的定、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；s和r分別為轉(zhuǎn)換到同步速下的定、轉(zhuǎn)子電壓空間矢量；s和r分別為轉(zhuǎn)換到同步速下的定、轉(zhuǎn)子電流空間矢量；s和r分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；m為勵(lì)磁電感；s、r分別為定、轉(zhuǎn)子電感，s=m+σs，r=m+σr，其中σs和σr分別為定、轉(zhuǎn)子漏感；s為電網(wǎng)電壓角頻率；r為轉(zhuǎn)子電壓角頻率。

將上述空間矢量分解為=+j的形式可得到同步速坐標(biāo)系中VSPSU的dq模型，如圖2所示。

圖2 同步速坐標(biāo)系中VSPSU的dq模型

2.2 機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障分析

當(dāng)VSPSU出現(xiàn)三相繞組同時(shí)斷線、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障或其他原因?qū)е聶C(jī)側(cè)變流器脈沖全部丟失等故障時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組將完全失去勵(lì)磁電流，直接引發(fā)變速抽蓄機(jī)組對(duì)稱(chēng)失磁。在現(xiàn)有的VSPSU控制方案中，VSPSU多采用定子磁鏈定向矢量控制，即通過(guò)將定子磁鏈定向到d軸，則定子有功功率和無(wú)功功率可分別通過(guò)d、q軸轉(zhuǎn)子電流單獨(dú)控制。根據(jù)圖2所示同步速坐標(biāo)系中VSPSU的dq模型，定子磁鏈定向到d軸時(shí)，定子側(cè)電流和磁鏈穩(wěn)態(tài)關(guān)系如式（3）所示，忽略定子電阻壓降后的電壓表達(dá)式如式（4）所示。

從式（4）可看出當(dāng)定子磁鏈定向到d軸時(shí)，定子電壓與q軸同相?？紤]到空間矢量的等幅值變換，用dq軸分量表示的定子側(cè)有功功率和無(wú)功功率為

將式（3）及式（4）代入式（5）可得到用轉(zhuǎn)子電流表示的定子有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式為

基于第4節(jié)中的發(fā)電機(jī)仿真模型及參數(shù)，機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁時(shí)的機(jī)端電壓及功率變化如圖3所示，初始狀態(tài)時(shí)機(jī)端電壓為1.05(pu)，在第5 s時(shí)設(shè)置三相繞組同時(shí)斷線。由于VSPSU正常深度進(jìn)相運(yùn)行時(shí)吸收無(wú)功可能要高于失磁時(shí)進(jìn)相吸收無(wú)功，因此存在失磁后機(jī)端電壓升高的情況，如圖3a所示。在VSPSU遲相運(yùn)行或進(jìn)相深度較淺時(shí)，失磁造成的大量無(wú)功缺額往往會(huì)使機(jī)端電壓降低，如圖3b所示。根據(jù)機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁時(shí)無(wú)功功率表達(dá)式，VSPSU失磁后吸收無(wú)功功率大小與機(jī)端電壓的二次方成正比。由于發(fā)生對(duì)稱(chēng)失磁后機(jī)端電壓往往不再維持在額定值，所以仿真中失磁后吸收無(wú)功功率值與理論計(jì)算值有一定偏差，但失磁后VSPSU的運(yùn)行功率點(diǎn)都會(huì)跌至式（7）所示圓的圓心附近，如圖3c所示。

圖3 VSPSU機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障仿真

2.3 網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障分析

當(dāng)VSPSU勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)勵(lì)磁回路斷路器誤跳，直流電壓環(huán)節(jié)斷線及網(wǎng)側(cè)變流器脈沖全部丟失等故障時(shí)，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)功率交換的通道被破壞，此時(shí)可能間接地引發(fā)變速抽蓄機(jī)組對(duì)稱(chēng)失磁。下面以勵(lì)磁回路斷路器誤跳為例分析VSPSU在發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)的特點(diǎn)。

考慮VSPSU處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率流向在不同轉(zhuǎn)速工況下發(fā)生變化，具體可表述為

當(dāng)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率為正，由于定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率和定子側(cè)有功功率流向相反，定子側(cè)向電網(wǎng)發(fā)出有功，而轉(zhuǎn)子側(cè)從電網(wǎng)吸收有功。由于網(wǎng)側(cè)變流器和電網(wǎng)斷開(kāi)，直流電容存儲(chǔ)的能量供給變速抽蓄機(jī)組后，電壓將迅速跌落，對(duì)于機(jī)側(cè)變流器來(lái)說(shuō)相當(dāng)于失去直流電源。然而此時(shí)機(jī)側(cè)變流器依然正常工作，對(duì)于每種開(kāi)關(guān)管動(dòng)作情況下仍然可形成完整的三相電流通道，VSPSU三相繞組相當(dāng)于被短接，而VSPSU變成了繞線式異步發(fā)電機(jī)。和轉(zhuǎn)子側(cè)直接發(fā)生短路故障不同，此時(shí)短路失磁是由于網(wǎng)側(cè)故障間接造成的，而直流環(huán)節(jié)僅提供交流通道，是一個(gè)無(wú)源環(huán)節(jié)，不會(huì)造成變流器過(guò)電流及轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)需要相應(yīng)的保護(hù)發(fā)揮作用。

基于第4節(jié)中的發(fā)電機(jī)仿真模型及仿真參數(shù)，圖4a所示為VSPSU在亞同步發(fā)電工況下不同輸入轉(zhuǎn)矩時(shí)的失磁現(xiàn)象，5 s時(shí)勵(lì)磁回路斷路器誤跳。在初始狀態(tài)下，VSPSU的轉(zhuǎn)速為0.95(pu)，由于三相繞組被短接，VSPSU失去勵(lì)磁，有功功率也迅速下降，轉(zhuǎn)矩的不平衡促使變速機(jī)組轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出轉(zhuǎn)差頻率電流，該電流產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，直到和輸入轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡。由圖4a也可看出穩(wěn)定后的VSPSU變成了超同步異步發(fā)電機(jī)，有功功率也達(dá)到新的平衡，同時(shí)由于要建立新的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)，VSPSU要從電網(wǎng)中吸收大量無(wú)功功率，且當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩越大時(shí)，吸收無(wú)功功率越大。因此和同步發(fā)電機(jī)失磁故障的異步運(yùn)行階段一樣，VSPSU的網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障也會(huì)造成電力系統(tǒng)和本身的各種危害。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率為負(fù)，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率和定子側(cè)有功功率流向相同，都同時(shí)向電網(wǎng)發(fā)出有功功率。由于此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器和電網(wǎng)斷開(kāi)，直流電容將不斷接收從轉(zhuǎn)子側(cè)注入的有功功率卻不能將其回饋電網(wǎng)，因此造成直流電壓躍升。當(dāng)直流電壓達(dá)到斬波制動(dòng)器動(dòng)作電壓時(shí)，多余的能量將通過(guò)斬波制動(dòng)器進(jìn)行卸荷，從而維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定（若斬波制動(dòng)器卸荷能力有限，直流電容電壓還將進(jìn)一步上升）。另一方面如圖4b所示，VSPSU在超同步發(fā)電工況下發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、有功功率和無(wú)功功率均無(wú)顯著變化，但由于直流電壓異常上升，經(jīng)機(jī)側(cè)變流器輸入到轉(zhuǎn)子繞組中的PWM波峰值上升，長(zhǎng)時(shí)間下容易破壞發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

當(dāng)VSPSU處于電動(dòng)運(yùn)行工況下時(shí)，定子側(cè)為吸收有功狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率流向和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系與發(fā)電運(yùn)行時(shí)正好相反。但基于不同有功功率流向所產(chǎn)生的故障現(xiàn)象仍和發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相同。

3 VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁保護(hù)研究

3.1 傳統(tǒng)失磁保護(hù)方案的適應(yīng)性分析

傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)采用基于機(jī)端阻抗測(cè)量原理的失磁保護(hù)方案，該方案如在VSPSU中應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)滿(mǎn)足繼電保護(hù)可靠性要求，既不能拒動(dòng)也不能誤動(dòng)。但是考慮到VSPSU運(yùn)行范圍較廣，在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，VSPSU的測(cè)量阻抗是否會(huì)落入靜穩(wěn)邊界阻抗圓和異步運(yùn)行阻抗圓需要重新進(jìn)行考量。另一方面，失磁故障發(fā)生后機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡能否落入阻抗圓內(nèi)也需要進(jìn)一步分析。不同于傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組，VSPSU是隱極機(jī)結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)隱極機(jī)的失磁保護(hù)則采用了規(guī)則的靜穩(wěn)邊界阻抗圓和異步運(yùn)行阻抗圓。由于阻抗圓和功率圓是相互關(guān)聯(lián)的，二者可以相互轉(zhuǎn)換[24-25]，靜穩(wěn)邊界阻抗圓和異步運(yùn)行阻抗圓從阻抗平面轉(zhuǎn)換到功率平面的靜穩(wěn)邊界功率圓和異步運(yùn)行功率圓分別為

將靜穩(wěn)邊界功率圓和異步運(yùn)行功率圓和VSPSU的功率特性放在同一個(gè)平面中，如圖5所示。靜穩(wěn)邊界功率圓和異步運(yùn)行功率圓為圖中藍(lán)色實(shí)線所示，需要注意的是靜穩(wěn)邊界功率圓的動(dòng)作區(qū)在圓外，異步運(yùn)行功率圓的動(dòng)作區(qū)在圓內(nèi)。

圖5 VSPSU運(yùn)行功率平面

在電氣特性限制方面，VSPSU的功率特性受到本身額定容量限制、最大轉(zhuǎn)子電流限制、最大轉(zhuǎn)子電壓限制。額定容量限制為一個(gè)單位圓，如圖5中的黑色雙點(diǎn)畫(huà)線圓；最大轉(zhuǎn)子電流限制可由式（7）表示，轉(zhuǎn)子電流需取VSPSU能承受的最大值，如圖5中的紅色虛線圓；最大轉(zhuǎn)子電壓限制分析可參考文獻(xiàn)[26-27]，如圖5中淺藍(lán)點(diǎn)畫(huà)線，如果機(jī)組及變流器參數(shù)設(shè)計(jì)合理，VSPSU功率運(yùn)行范圍一般不會(huì)受最大轉(zhuǎn)子電壓的限制。除受到電氣特性限制外，VSPSU的功率特性還受到原動(dòng)機(jī)的輸出功率極限和水力特性限制[26]。圖5中①為發(fā)電最大出力限制，功率因數(shù)取0.9；②為發(fā)電最小出力限制，約0.3(pu)；③為抽水最小出力限制，約0.7(pu)；④為抽水最大出力限制，功率因數(shù)取0.98。

圖5中陰影部分為變速抽蓄機(jī)組的正常工作區(qū)，其中黑色陰影不在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，黃色陰影在動(dòng)作區(qū)內(nèi)?？芍?，無(wú)論采用靜穩(wěn)邊界阻抗圓還是異步運(yùn)行阻抗圓，VSPSU在正常情況下運(yùn)行時(shí)都可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)的情況。下面分析發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)，傳統(tǒng)阻抗圓能否可靠動(dòng)作。

分別令式（9）和式（10）中有功功率為零，可得到靜穩(wěn)邊界功率圓和異步運(yùn)行功率圓與軸交點(diǎn)。

因此現(xiàn)有失磁保護(hù)方案在VSPSU正常運(yùn)行時(shí)存在可能誤動(dòng)的情況，且在發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)拒絕動(dòng)作，需要新的保護(hù)方案以應(yīng)對(duì)VSPSU機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障。另一方面，VSPSU在超同步發(fā)電工況下和亞同步電動(dòng)工況下發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)只會(huì)造成直流電容環(huán)節(jié)電壓躍升，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)并無(wú)變化，如圖4b所示，阻抗測(cè)量原理顯然無(wú)法發(fā)揮作用。由于各種工況下網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)直流電容電壓的跌落或躍升正是對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)功率交換通道破壞的反映，因此通過(guò)對(duì)直流電容電壓的檢測(cè)更適合判別網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障，本文在3.3節(jié)中也將基于電容電壓構(gòu)造網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)方案。

3.2 基于下拋?zhàn)杩箞A的機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)

根據(jù)3.1節(jié)分析，VSPSU在發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障后運(yùn)行功率會(huì)立刻跌至靜穩(wěn)邊界功率圓和異步運(yùn)行功率圓的相切點(diǎn)處，該運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)完全不處于VSPSU的正常運(yùn)行范圍內(nèi)，若對(duì)該點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，便可判斷出VSPSU的機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障。由于該點(diǎn)所反映的進(jìn)相運(yùn)行功率值與機(jī)端電壓有關(guān)，現(xiàn)實(shí)情況下，當(dāng)電網(wǎng)無(wú)功儲(chǔ)備不足或VSPSU處于深度遲相運(yùn)行狀態(tài)而發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁時(shí)，電網(wǎng)電壓由于無(wú)功不足而跌落，失磁功率點(diǎn)也會(huì)發(fā)生右移。當(dāng)電網(wǎng)本身無(wú)功功率過(guò)多或VSPSU處于深度進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁存在電網(wǎng)電壓升高的可能，即失磁功率點(diǎn)會(huì)發(fā)生左移。因此檢測(cè)失磁故障點(diǎn)時(shí)需保留一定的裕度，首先基于功率平面提出VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁功率圓，如圖6所示，解析表達(dá)式為

圖6 VSPSU運(yùn)行功率平面中的對(duì)稱(chēng)失磁功率圓

現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)裝置常采用機(jī)端測(cè)量阻抗的方法，為便于本方法的工程應(yīng)用，進(jìn)一步將功率圓判據(jù)轉(zhuǎn)換為阻抗圓判據(jù)。設(shè)功率圓方程為

將=cos，=sin代入式（16），并結(jié)合=cos/，=sin/進(jìn)行化簡(jiǎn)得到

對(duì)式（17）進(jìn)一步化簡(jiǎn)如下：

1）當(dāng)2＞22，動(dòng)作區(qū)在圓外。

2）當(dāng)222，有

3）當(dāng)2＜22，動(dòng)作區(qū)在圓內(nèi)

3.3 基于直流電壓的網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)

根據(jù)2.3節(jié)的分析，發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障的同時(shí)都伴隨著直流電容電壓的跌落或躍升，因此通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)直流電容電壓的變化可以構(gòu)成對(duì)變速抽蓄機(jī)組網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障的保護(hù)。

1）欠電壓保護(hù)判據(jù)

欠電壓保護(hù)主要用來(lái)保護(hù)VSPSU在亞同步發(fā)電工況及超同步電動(dòng)工況下的網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障，判據(jù)如式（22）所示，動(dòng)作于機(jī)組緊急停機(jī)。

＜sat.L（22）

式中，為實(shí)測(cè)直流電容電壓；sat.L為欠電壓保護(hù)整定值，可取為直流電容正常運(yùn)行電壓的80%。

2）過(guò)電壓保護(hù)判據(jù)

過(guò)電壓保護(hù)主要用來(lái)保護(hù)VSPSU在超同步發(fā)電工況及亞同步電動(dòng)工況下的網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障。由于在電網(wǎng)故障過(guò)渡過(guò)程中直流電壓可能會(huì)升高，過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)可靠躲過(guò)該種情況。同時(shí)為保證一定的靈敏度，可設(shè)置延時(shí)過(guò)電壓保護(hù)，判據(jù)如式（23）所示，動(dòng)作于機(jī)組緊急停機(jī)。

延時(shí)過(guò)電壓保護(hù)為

＞sat.H&＞sat.H（23）

式中，sat.H為延時(shí)過(guò)電壓保護(hù)整定值，可取為正常運(yùn)行電壓的1.1～1.3倍；sat.H為延時(shí)過(guò)電壓保護(hù)延時(shí)定值，電網(wǎng)故障最大時(shí)間約為150 ms，因此過(guò)電壓保護(hù)延時(shí)定值可設(shè)為200 ms。

為防止直流電容電壓瞬時(shí)過(guò)大對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)元件造成破壞，還應(yīng)設(shè)置瞬時(shí)過(guò)電壓保護(hù)。其中瞬時(shí)過(guò)電壓Ⅰ段動(dòng)作于機(jī)組緊急停機(jī)，瞬時(shí)過(guò)電壓Ⅱ段動(dòng)作于機(jī)組緊急停機(jī)的同時(shí)，激活跨接器。

瞬時(shí)過(guò)電壓Ⅰ段保護(hù)

＞sat.I（24）

式中，sat.I為瞬時(shí)過(guò)電壓Ⅰ段定值，應(yīng)與直流環(huán)節(jié)電容器最高永久額定值一致。

瞬時(shí)過(guò)電壓Ⅱ段保護(hù)

＞sat.II（25）

式中，sat.II為瞬時(shí)過(guò)電壓Ⅱ段定值，可按照直流環(huán)節(jié)電容器最高永久額定值的1.05倍整定。

本文所提出的VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)方案邏輯框圖如圖7所示。

圖7 VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)方案邏輯框圖

4 仿真分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提VSPSU對(duì)稱(chēng)失磁保護(hù)方案的有效性，通過(guò)PSCAD/EMTDC搭建VSPUS仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。其中變速抽蓄機(jī)組及主變電氣參數(shù)見(jiàn)附錄。VSPSU的轉(zhuǎn)差率變化范圍為±7%。在VSPSU控制策略中，網(wǎng)側(cè)采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，機(jī)側(cè)采用定子磁鏈定向矢量控制，所采用的控制系統(tǒng)原理如圖8所示。此外，變速抽蓄機(jī)組機(jī)端經(jīng)500 kV主變壓器和無(wú)窮大系統(tǒng)相連，網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功給定值為零，即運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

圖8 VSPSU控制系統(tǒng)原理

4.1 機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)方法的有效性驗(yàn)證

分別在VSPSU處于不同運(yùn)行工況下進(jìn)行失磁測(cè)試。設(shè)置發(fā)電、電動(dòng)時(shí)的有功功率為0.8(pu)，令VSPSU功率因數(shù)為0.9，并給定無(wú)功功率值。圖9為VSPSU處于0.95(pu)轉(zhuǎn)速并在各種運(yùn)行工況下發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障后機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡仿真結(jié)果。更多轉(zhuǎn)速情況下的VSPSU失磁保護(hù)動(dòng)作結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)仿真軌跡圖，當(dāng)VSPSU處于不同功率象限運(yùn)行時(shí)，發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障后機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡均會(huì)由正常運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)經(jīng)過(guò)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡迅速跌到失磁進(jìn)相運(yùn)行功率點(diǎn)附近。和前述分析一致，由于機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁時(shí)往往伴隨著機(jī)端電壓跌落，失磁進(jìn)相運(yùn)行功率點(diǎn)所反映的測(cè)量阻抗往往不會(huì)穩(wěn)定在靜穩(wěn)邊界阻抗圓以及異步運(yùn)行阻抗圓相切邊界上，而是往軸負(fù)方向移動(dòng)，造成保護(hù)拒絕動(dòng)作。另一方面可以看出，當(dāng)VSPSU處于較深的進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其機(jī)端測(cè)量阻抗點(diǎn)很容易進(jìn)入靜穩(wěn)邊界阻抗圓或異步運(yùn)行阻抗圓范圍內(nèi)，由于此時(shí)VSPSU處于正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，傳統(tǒng)失磁保護(hù)方案延時(shí)到達(dá)后即會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。本文所提出的下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)（圖9中的紅色圓），可以很好地覆蓋到失磁進(jìn)相運(yùn)行功率點(diǎn)，在VSPSU各種運(yùn)行狀態(tài)下均能可靠動(dòng)作，見(jiàn)表1。且所提下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)所反映的功率范圍并不會(huì)和VSPSU正常運(yùn)行狀態(tài)交疊，因此在VSPSU正常運(yùn)行狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)，所提方案具有良好的可靠性。

圖9 VSPSU各種工況下的失磁阻抗軌跡

表1 不同運(yùn)行工況下VSPSU失磁保護(hù)動(dòng)作結(jié)果

Tab.1 Action results of VSPSU loss of excitation protection under different operating conditions

為檢驗(yàn)本方案在系統(tǒng)穩(wěn)定振蕩情況下的可靠性，在變速抽蓄機(jī)組機(jī)端設(shè)置三相短路故障，持續(xù)時(shí)間0.1 s后切除故障以模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定振蕩，各種工況下的測(cè)量阻抗軌跡如圖10所示。通過(guò)仿真結(jié)果可知，無(wú)論變速抽蓄機(jī)組工作于何種工況，在系統(tǒng)穩(wěn)定振蕩結(jié)束后機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡都會(huì)回到初始穩(wěn)定工況下的阻抗點(diǎn)，與實(shí)際情況相符。同時(shí)相比于傳統(tǒng)失磁阻抗保護(hù)方案，本文所提方案在系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗軌跡難以穿過(guò)，但是只能說(shuō)明本保護(hù)方案比傳統(tǒng)阻抗保護(hù)方案抗振蕩能力更強(qiáng)，并不能排除在某些特殊振蕩情況下機(jī)端阻抗軌跡會(huì)穿過(guò)所提下拋?zhàn)杩箞A。因此為保證保護(hù)方案的可靠性，需要加延時(shí)躲過(guò)系統(tǒng)穩(wěn)定振蕩以不造成誤動(dòng)事故的發(fā)生。

圖10 VSPSU在系統(tǒng)振蕩情況下的測(cè)量阻抗軌跡

4.2 網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障保護(hù)方法的有效性驗(yàn)證

基于式（8）所反映的VSPSU轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率和定子側(cè)有功功率的關(guān)系，轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率流向僅和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速模式及有功功率模式（發(fā)電、電動(dòng)）相關(guān)，與無(wú)功功率模式（遲相、進(jìn)相）無(wú)關(guān)。圖11所示為VSPSU在遲相運(yùn)行狀態(tài)，不同轉(zhuǎn)速模式及有功模式下發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況，進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)下仿真結(jié)果相同。

在VSPSU處于亞同步發(fā)電工況和超同步電動(dòng)工況下，發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障后直流電容電壓突然跌落，如圖11a和圖11d，當(dāng)其電壓低于欠電壓保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，機(jī)組緊急停機(jī)。在VSPSU處于超同步發(fā)電工況和亞同步電動(dòng)工況下，發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障后直流電容電壓突然躍升，如圖11b和圖11c，當(dāng)其電壓高于過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)啟動(dòng)，延時(shí)0.2 s后動(dòng)作于機(jī)組緊急停機(jī)。在過(guò)電壓保護(hù)啟動(dòng)且電容電壓繼續(xù)躍升過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到制動(dòng)斬波器動(dòng)作值時(shí)制動(dòng)斬波器會(huì)先進(jìn)行動(dòng)作放電，在機(jī)組緊急停機(jī)后將持續(xù)開(kāi)放制動(dòng)斬波器，由于定子不再向轉(zhuǎn)子輸送有功功率，此后電容電壓迅速下降。根據(jù)上述仿真結(jié)果，基于直流電容電壓檢測(cè)的保護(hù)方法可以有效地應(yīng)對(duì)VSPSU的網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障。

5 結(jié)論

本文對(duì)變速抽蓄機(jī)組的失磁故障特性及失磁保護(hù)進(jìn)行了研究，針對(duì)VSPSU的對(duì)稱(chēng)失磁故障提出保護(hù)方案并得到以下結(jié)論：

1）VSPSU在發(fā)生機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)運(yùn)行功率會(huì)迅速跌到失磁進(jìn)相運(yùn)行功率點(diǎn)處，此時(shí)VSPSU不再受控，將從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率。VSPSU在發(fā)生網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障時(shí)，基于不同的轉(zhuǎn)子有功功率流向?qū)⒂胁煌氖Т殴收咸攸c(diǎn)，但都會(huì)造成直流電容電壓的躍升或跌落。VSPSU發(fā)生對(duì)稱(chēng)失磁故障會(huì)對(duì)電網(wǎng)及機(jī)組本身造成危害，需要配備失磁保護(hù)。

2）傳統(tǒng)基于靜穩(wěn)邊界阻抗圓和異步運(yùn)行阻抗圓的失磁保護(hù)方案在VSPSU中應(yīng)用時(shí)存在誤動(dòng)和拒動(dòng)的情況，無(wú)法滿(mǎn)足VSPSU對(duì)失磁保護(hù)可靠性的要求。

3）針對(duì)VSPSU機(jī)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障，基于VSPSU失磁后運(yùn)行功率特點(diǎn)及與阻抗對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)；針對(duì)網(wǎng)側(cè)對(duì)稱(chēng)失磁故障，基于直流電壓對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)功率交換通道破壞的反映特點(diǎn)提出了直流電壓判據(jù)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的下拋?zhàn)杩箞A判據(jù)和直流電壓判據(jù)可以有效地檢測(cè)出VSPSU在各種運(yùn)行工況下的對(duì)稱(chēng)失磁故障，滿(mǎn)足VSPSU對(duì)失磁保護(hù)可靠性的要求。

下一步工作將集中于VSPSU不對(duì)稱(chēng)失磁的故障特性分析及針對(duì)性的保護(hù)方案研究。

附表1 變速抽蓄機(jī)組參數(shù)

App.Tab.1 Parameters of VSPSU

類(lèi)別參數(shù)數(shù)值 額定參數(shù)額定容量SN/(MV·A)336 額定電壓UN/kV15.75 額定電流IN/A12 317 轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)TJ/s9.46 定轉(zhuǎn)子變比0.414 直流電容電壓/kV7.5 電路參數(shù)主電抗xm3.49(pu)/2.576 Ω 定子繞組漏抗xσs0.139(pu)/0.103 Ω 轉(zhuǎn)子繞組漏抗0.189(pu)/0.139 Ω 定子電阻Rs0.0018(pu)/0.001 33 Ω 轉(zhuǎn)子電阻0.0018(pu)/0.001 33 Ω

附表2 主變壓器及500 kV系統(tǒng)參數(shù)

App.Tab.2 Parameters of the main transformer and 500 kV system

類(lèi)別參數(shù)數(shù)值 主變壓器參數(shù)額定容量STN/(MV·A)360 額定電壓UTN/kV525/15.75 短路電壓百分比(%)18 系統(tǒng)參數(shù)（歸算到發(fā)電機(jī)容量）最大運(yùn)行方式下系統(tǒng)等值電抗(pu)0.010 最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)等值電抗(pu)0.022

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Study on Loss of Excitation Fault Analysis and Protection of Variable Speed Pumped Storage Units

Lu Qinghui1Yin Xianggen1Qiao Jian1Wang Yikai1Yin Xin2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. School of Electrical and Information Engineering Changsha University of Science & Technology Changsha 410114 China）

The excitation and control methods of variable speed pumped storage units (VSPSU) are complex and prone to the loss of excitation (LOE) fault. Therefore, it is very important to configure targeted protection to ensure its safe operation. Due to the special three-phase AC excitation method used in VSPSU, its LOE fault is quite different from that of conventional units. At present, the LOE protection scheme of the traditional DC excitation synchronous machine is relatively mature, but there are few studies on the LOE fault characteristics and LOE protection of the AC excitation doubly-fed machine, and a reliable protection scheme has not yet been formed. To ensure the safe operation of VSPSU, this paper analyzes the characteristics of the LOE fault of the VSPSU in detail and puts forward the corresponding LOE fault protection scheme on this basis.

Firstly, based on the difference analysis between the DC excitation system and the AC excitation system, the LOE fault of VSPSU is divided into two types: symmetrical LOE and asymmetrical LOE, and the research is mainly carried out on the symmetrical LOE. Secondly, the fault characteristics and fault hazards of VSPSU symmetrical LOE are analyzed from the point of view of the fault located on the machine side and the grid side, respectively, and the importance of configuring LOE protection for VSPSU is clarified. Then, the adaptability of the traditional LOE protection criterion based on impedance circle when applied in VSPSU is deduced and analyzed. Finally, based on the characteristics of the operating power of the VSPSU after LOE and the corresponding relationship with the impedance, the criterion of the downward throwing impedance circle is proposed for machine-side symmetrical LOE fault; based on the reflection characteristics of DC voltage on the damage of rotor-side power exchange channel, a DC voltage criterion for grid-side symmetrical LOE fault is proposed. The combination of the two forms a protection scheme against the symmetrical LOE fault of the VSPSU.

The research has the following conclusions: (1) When a symmetrical LOE fault occurs on the machine side, the operating power of the VSPSU will quickly drop to the operating power point of the LOE Leading Phase Operation. At this time, the VSPSU is no longer under control and will absorb a large amount of reactive power from the grid. When a symmetrical LOE fault occurs on the grid side, it will have different characteristics of the LOE fault based on different rotor active power flow directions, but all of them will cause the DC capacitor voltage to jump or drop. The symmetrical LOE fault of VSPSU will cause harm to the power grid and the unit itself, so it is necessary to be equipped with LOE protection. (2) The traditional LOE protection scheme based on a statically stable boundary impedance circle and asynchronous operation impedance circle has misoperation and refusal to operate when applied in VSPSU, which cannot meet the reliability requirements of VSPSU for LOE protection. (3) The PSCAD/EMTDC simulation results show that the proposed downward throwing impedance circle criterion and DC voltage criterion can effectively detect the symmetrical LOE fault of VSPSU under various operating conditions, and meet the reliability requirements of VSPSU for LOE protection.

Variable speed pumped storage units, AC excitation, loss of excitation fault, loss of excitation protection, protection reliability

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222376

TM312

國(guó)家自然科學(xué)基金（52007010）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（HUST: YCJJ202202020）資助項(xiàng)目。

2022-12-27

2023-03-24

盧慶輝 男，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：908581621@qq.com

尹項(xiàng)根 男，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：xgyin@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫 蕾）