戴申華， 盛明珺， 陳延云

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

勵(lì)磁系統(tǒng)定子過電流限制和過勵(lì)限制的協(xié)調(diào)控制一直是業(yè)內(nèi)討論的熱點(diǎn)，但相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少，文章建立了某一600MW機(jī)組的仿真模型，模型不僅包含了勵(lì)磁系統(tǒng)主環(huán)，也包括了定子過電流限制和過勵(lì)限制環(huán)節(jié)模型?；诖罱ǖ姆抡婺Ｐ蜕钊胙芯苛藘蓚€(gè)限制的協(xié)調(diào)性，從研究結(jié)果可見，兩個(gè)限制器均具備存在的價(jià)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(zhǎng)了故障過程中機(jī)組的在網(wǎng)時(shí)間，提高了機(jī)組對(duì)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(shí)應(yīng)閉鎖運(yùn)行，避免機(jī)組的無功不足，導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性能下降。文章結(jié)論對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)整定、邏輯設(shè)計(jì)具有重要意義。

勵(lì)磁系統(tǒng)；定子過電流限制器；過勵(lì)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(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，是保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要條件之一。而同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)主要通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，一般情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)暫態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)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(fù)、故障時(shí)減少故障影響、電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算均主要依靠勵(lì)磁系統(tǒng)?？梢哉f，勵(lì)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(jì)50年代開始，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的主要功能是維持發(fā)電機(jī)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(qiáng)勵(lì)功能的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，使得勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)短路故障時(shí)，能及時(shí)地通過強(qiáng)勵(lì)維持系統(tǒng)電壓在合理范圍內(nèi)。隨著制造工藝的進(jìn)步，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在經(jīng)歷了機(jī)械式和電子式之后，現(xiàn)在數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用[1]。數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用使得業(yè)內(nèi)很多關(guān)于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器附加控制的設(shè)想得到了實(shí)現(xiàn)，其中，定子過電流限制(Stator Current Limiter, SCL)是其中的一個(gè)典型附加控制功能[2]。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，隨著無功的不同，其定子電流也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)滯相或進(jìn)相無功過多時(shí)，定子電流會(huì)超出發(fā)電機(jī)的出力極限，基于這個(gè)需求，SCL這個(gè)功能得到了應(yīng)用。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DLT843-2010大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》中對(duì)SCL無條文要求，國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 7409.3-2007 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)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(jìn)行的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組源網(wǎng)協(xié)調(diào)參數(shù)核查中對(duì)SCL提出了要求，明確了如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝設(shè)了SCL，限制必須與發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)(Stator Current Protecter，SCP)匹配[3]。

目前，大部分主流勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的影響最終還是要通過勵(lì)磁電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，這樣，SCL與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器各項(xiàng)附加控制，如過勵(lì)限制(Over-Excitation Limiter, OEL)、低勵(lì)限制(Under-Excitation Limiter, UEL)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer, PSS)等的配合對(duì)于機(jī)組運(yùn)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(jìn)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(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于SCL與OEl作用的選擇性。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

1.1 SCL模型及實(shí)現(xiàn)邏輯

SCL工作原理為：裝置檢測(cè)定子電流和無功功率，根據(jù)定子過電流定值計(jì)算出對(duì)應(yīng)當(dāng)前的動(dòng)作時(shí)間，當(dāng)定子電流超過啟動(dòng)值之后，達(dá)到反時(shí)限累積熱容值，限制器動(dòng)作。如果此時(shí)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，限制器動(dòng)作于增磁，如果發(fā)電機(jī)滯相運(yùn)行，限制器動(dòng)作于減磁。

圖中Igact為限制啟動(dòng)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(dāng)前定子電流，Q為當(dāng)前無功功率，ΔIglim為SCL輸出。

1.2 OEL模型及實(shí)現(xiàn)邏輯

OEL工作原理為：裝置檢測(cè)勵(lì)磁電流，當(dāng)勵(lì)磁電流超過勵(lì)磁過流反時(shí)限啟動(dòng)值時(shí)，勵(lì)磁過流反時(shí)限開始計(jì)時(shí)，當(dāng)熱容累積超過定值后，限制動(dòng)作，將勵(lì)磁電流拉回至發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許勵(lì)磁電流值。當(dāng)勵(lì)磁電流低于啟動(dòng)值時(shí)，勵(lì)磁裝置根據(jù)勵(lì)磁電流計(jì)算其冷卻值，并計(jì)算剩余能容，如果剩余能容大于零，勵(lì)磁電流又超出啟動(dòng)值，則相應(yīng)的限制動(dòng)作時(shí)間會(huì)減少。

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

1.3 包括OEL和SCL的勵(lì)磁系統(tǒng)模型

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)需要增大勵(lì)磁以盡可能的維持系統(tǒng)電壓的恒定，這個(gè)時(shí)候就需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)功能，但在這個(gè)過程中，為了防止機(jī)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(dòng)作優(yōu)先級(jí)以SCL為最高，在機(jī)組強(qiáng)勵(lì)以后，只要發(fā)電機(jī)定子電流達(dá)到限制值，SCL限制器即動(dòng)作，并通過減小或增大勵(lì)磁電流的方式使發(fā)電機(jī)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(jí)為最高，當(dāng)兩個(gè)限制器都動(dòng)作以后，以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流允許值為控制目標(biāo)。

2 基于電壓影響因子的勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力分析方法

OEL與SCL同時(shí)動(dòng)作一般發(fā)生在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路以后，勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作，此時(shí)勵(lì)磁電流、定子電流都會(huì)急劇增大，如果持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致OEL或SCL動(dòng)作，并將相應(yīng)的勵(lì)磁電流或定子電流拉回到允許值以內(nèi)，這個(gè)過程勢(shì)必要影響到勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力的發(fā)揮。

為了定量的表征勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)能力，現(xiàn)提出電壓影響因子Kua的概念。一般情況下，短時(shí)故障，如100ms內(nèi)的故障并切除，勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)發(fā)生強(qiáng)勵(lì)，但是，勵(lì)磁電流和定子電流尚達(dá)不到其動(dòng)作定值。當(dāng)機(jī)組遠(yuǎn)端發(fā)生故障，部分重點(diǎn)無功源甩負(fù)荷，需要機(jī)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(shí)發(fā)電機(jī)電壓的水平高低直接影響到系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，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(jì)算方法如下：

(1)

在OEL和SCL動(dòng)作之前，勵(lì)磁系統(tǒng)能充分發(fā)揮其強(qiáng)勵(lì)能力，但這兩個(gè)限制器其中之一動(dòng)作，其強(qiáng)勵(lì)能力會(huì)受到抑制。分析不同限制器對(duì)強(qiáng)勵(lì)的影響，其Kua計(jì)算間隔1s，起始電壓應(yīng)為首個(gè)限制器動(dòng)作時(shí)間的電壓值。Kua值越大，說明勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力越強(qiáng)，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(jī)組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用單機(jī)-無窮大模型。

3.2 系統(tǒng)電壓下降至80%時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作仿真

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

圖4中時(shí)間3s時(shí)，系統(tǒng)電壓下降至80%，勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作，勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)電壓、無功功率及發(fā)電機(jī)電壓均立即上升，OEL動(dòng)作時(shí)間為13.79s，勵(lì)磁電流被拉回至額定，此時(shí)定子電流也被拉回至額定附近，在整個(gè)過程中，定子電流限制器未動(dòng)作。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流為發(fā)電機(jī)空載磁勢(shì)與定子電流感應(yīng)磁勢(shì)的矢量和，在發(fā)電機(jī)電壓較高時(shí)，一般情況下，勵(lì)磁電流較定子電流先達(dá)到限制值，OEL先動(dòng)作。

取限制器動(dòng)作瞬間發(fā)電機(jī)電壓為U0，共取8個(gè)點(diǎn)，計(jì)算圖4中的電壓影響因子Kua=0.9192.

退出OEL，再次仿真，SCL動(dòng)作時(shí)間為17.29s，發(fā)電機(jī)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(jī)電壓為U0，共取8個(gè)點(diǎn)，計(jì)算圖5中的電壓影響因子Kua=0.9676.

OEL退出以后，勵(lì)磁系統(tǒng)電壓影響因子變大，此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)貢獻(xiàn)較大，但是，從仿真結(jié)果可見，勵(lì)磁電流明顯的超出了其發(fā)熱極限，實(shí)際機(jī)組如果發(fā)生這種情況，可能會(huì)引起轉(zhuǎn)子燒損事故。對(duì)于發(fā)電機(jī)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(jī)定子電流不會(huì)達(dá)到熱容極限，SCL不會(huì)動(dòng)作。

3.3 系統(tǒng)電壓下降至70%時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作仿真

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

取10.13s發(fā)電機(jī)電壓為U0，共取8個(gè)點(diǎn)，計(jì)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(dòng)作以后，定子電流仍然會(huì)超出1.1倍額定，會(huì)導(dǎo)致定子過電流保護(hù)啟動(dòng)，經(jīng)過反時(shí)限計(jì)算，定子過電流保護(hù)動(dòng)作于跳機(jī)。對(duì)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(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作仿真

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

從仿真結(jié)果可見，在機(jī)組無功不足時(shí)，SCL應(yīng)閉鎖動(dòng)作，防止出現(xiàn)機(jī)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(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)SCL和OEL的動(dòng)作情況，來分析兩個(gè)限制器的協(xié)調(diào)性，從仿真結(jié)果可見，OEL是勵(lì)磁系統(tǒng)必不可少的限制器，其在抑制機(jī)組強(qiáng)勵(lì)過程中轉(zhuǎn)子發(fā)熱、延長(zhǎng)系統(tǒng)故障過程中機(jī)組在網(wǎng)時(shí)間、提高電壓支撐能力方面作用十分顯著。而SCL在OEL動(dòng)作以后，防止機(jī)組定子過電流效果明顯，具備作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的一個(gè)附加控制的必要性。

但是在系統(tǒng)嚴(yán)重故障，如系統(tǒng)電壓下降較多情況下，SCL動(dòng)作以后，發(fā)電機(jī)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(jī)有功電流超出了發(fā)電機(jī)定子電流額定值，SCL已無法調(diào)節(jié)定子電流，此時(shí)，需要閉鎖SCL。

綜上所述，勵(lì)磁系統(tǒng)的SCL和OEL兩個(gè)限制器均有存在的必要性，但優(yōu)先級(jí)應(yīng)以O(shè)EL為高，SCL作為OEL的一個(gè)補(bǔ)充，共同組成勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)限制。

[1] 李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)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(jī)的勵(lì)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(biāo)執(zhí)行依賴啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃勵(lì)磁控制[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2012, 24(3): 28-34.

[4] 丁傲, 謝歡，等. 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低勵(lì)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(jī)組勵(lì)磁低勵(lì)限制引起功率異常波動(dòng)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(jī)組無功功率波動(dòng)分析[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2012,36(4):17-19.

[責(zé)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(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，工程師，長(zhǎng)期從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)及理論研究工作。

TM311

A

1672-9706(2015)03- 0001- 05