自并励励磁系统灭磁容量计算与仿真分析.pdf

自并励励磁系统灭磁容量计算与仿真分析杨 玲许其品朱宏超谢燕军林元飞李厚俊(国电南瑞科技股份有限公司江苏 南京)摘 要:为保证发电机发生短路等故障时灭磁系统能够安全、迅速地给发电机灭磁并将发电机转子绕组中的磁场能量消耗在灭磁回路耗能元件中文中通过求解同步发电机的五绕组微分方程并计及饱和采用 编写程序模拟空载误强励、负载误强励、负载三相金属性短路等工况下的灭磁过程以某电厂参数进行仿真分析计算并对照实际详细数学分析说明仿真计算结果精确可靠可用于各种机组的灭磁容量设计并为未来智能化励磁灭磁系统分析提供技术支撑关键词:五绕组微分方程 空载误强励 负载误强励 三相短路 灭磁容量中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.(.):.:引 言同步发电机在运行中当发生定子绕组匝间短路、定子绕组相间短路、定子接地短路等故障时继电保护装置就快速地将发电机从系统中切除但发电机的感应电势却依然存在继续供给励磁电流故将会发生导线的熔化和绝缘材料的烧损甚至烧坏铁芯 因此当发生上述发电机故障时在继电保护动作将发电机断路器跳开的同时还应迅速地给发电机灭磁 灭磁系统的作用就是当发电机内部与外部发生上述事故时迅速切断发电机的励磁将发电机转子绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路耗能元件中现行标准规定了灭磁容量的计算工况包括空载误强励、负载误强励及机端三相金属性短路文献根据 电阻的伏安特性及灭磁回路拓扑结构在理想情况下对励磁电流与灭磁时间的函数关系进行了推导并给出了 电阻耗能公式同时分别对空载误强励和机端三相短路两种极端灭磁工况的灭磁电阻耗能作出了理论分析 文献 运用电力电子软开关技术实现快速灭磁并利用储能元四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期 件存储灭磁过程中的部分磁场能量 文献增加了辅助逆变器的新技术应用同时对跨接器回路进行了改进采用多重冗余触发电路电子跨接器 文献提出了一种线性电阻与非线性电阻组合灭磁的方式 文献通过 工具的基本模块求解同步发电机的微分方程从而进行灭磁仿真下面通过差分法求解同步发电机的五绕组微分方程计及磁路饱和利用 程序对灭磁系统进行精确仿真研究发电机空载误强励、负载误强励及机端三相金属性短路时的灭磁容量计算 同步发电机 方程为准确模拟灭磁系统的工况需要计及发电机转子的阻尼效应 对于凸极发电机而言需要建立 个回路的方程 个回路分别为定子三相绕组的 轴分量、定子三相绕组的 轴分量、转子绕组、直轴(轴)阻尼绕组、交轴(轴)阻尼绕组 为方便分析认为转子以同步转速旋转转子角速度标幺值为则回路方程可表示为:()()式中:、分别为定子绕组的、轴电压、电流分量、分别为磁场绕组的电压、电流、分别为、轴阻尼绕组的电流、分别为定子绕组、转子绕组、轴阻尼绕组、轴阻尼绕组的电阻、分别为发电机的直轴、交轴同步电抗、分别为发电机的直轴、交轴电枢反应电抗、分别为励磁绕组、直轴阻尼绕组、交轴阻尼绕组的自电抗 为各绕组磁链为磁链对时间的导数/灭磁时磁场断路器断开接入灭磁电阻转子与灭磁电阻形成通路 灭磁时的电路方程表示为 ()()式中:为灭磁电阻可以为线性电阻或非线性电阻也可为组合电阻(非线性与线性组合或者其他组合)这里选取为非线性电阻因此非线性电阻的电压降 为非线性电阻位形系数 为非线性电阻系数为磁场漏感基本为常数为与定子磁链的主电感受磁路饱和影响是励磁电流的函数 由于回路电感变化不大转子电阻较小因此当灭磁初始电流一定时转子电流变化率与 有关越大变化率越大即灭磁时的衰减速度越快 因此若想提高灭磁速度需要 尽可能地保持在最大值发电机的精确分析要求考虑磁路饱和效应对电机模型的影响 而为了节省材料同步发电机运行在额定条件时定子和转子就已经处于浅度饱和状态因此励磁电流和励磁电压的计算需要考虑磁路饱和通过查询发电机空载特性饱和曲线选取线性段数据 点及非线性段上 点共 点对数据进行二项式拟合可根据实际情况增减点数越多拟合越准确 求解拟合后的方程找到饱和段与不饱和段的分叉点令该点对应电流值为 将曲线分为线性段和非线性段用式()表示 ()式中:为动态电感为饱和段与不饱和段分叉点对应的机端电压值、为拟合系数若没有发电机空载特性饱和曲线那么空载特性可用通用表达式表示为.()四川电力技术 第 卷 灭磁仿真模型验证以某水电站的参数为例进行仿真主要参数见表 表 机组参数项目名称参数项目名称参数额定功率/额定电压/额定电流/额定功率因数(滞后).额定频率/直轴同步电抗(不饱和值)/().直轴瞬变电抗(不饱和值)/().直轴瞬变电抗(不饱和值)/().直轴瞬变电抗(饱和值)/().直轴超瞬变电抗(不饱和值)/().直轴超瞬变电抗(饱和值)/().交轴同步电抗(饱和值)/().交轴瞬变电抗(不饱和值)/().交轴同步电抗(饱和值)/().交轴超瞬变电抗(不饱和值)/().交轴超瞬变电抗(饱和值)/().转子电阻/.直轴瞬态短路时间常数/.直轴超瞬态短路时间常数/.交轴超瞬态短路时间常数/.直轴瞬态开路时间常数/.直轴超瞬态开路时间常数/.交轴超瞬态开路时间常数/.定子绕组短路时间常数/.定子漏抗/().定子绕组电阻()/.励磁变副边电压/.灭磁电阻残压/.空载励磁电流/.空载励磁电压/.额定励磁电流/.额定励磁电压/.该电厂灭磁电阻采用碳化硅电阻非线性系数.根据/.发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件 第 部分:灭磁容量计算标准要求发电机灭磁仿真的工况只考虑发电机空载误强励、负载误强励及机端三相金属性短路 种严重工况 一方面由于现场极少出现此 种工况另一方面由于现场灭磁电压和灭磁电流的监测手段限制无有效数据进行对比所以为验证模型的准确性只有根据理论计算进行对比对同步发电机初始条件为空载态、定子三相突然短路进行数学分析 此时励磁电流包含 个分量见式():第一个分量是由励磁电压所产生的的稳态分量第二个分量是以直轴瞬态短路时间常数衰减的非周期自由分量第三个分量是以定子绕组短路时间常数 衰减的基频周期分量()()通过计算短路后励磁电流的第一个波峰值来对比公式与仿真模型)理论计算:式()中若转速不变不考虑饱和及阻尼绕组且认为短路瞬间时间 则励磁电流出现第一个波峰值的时间为.其稳态值 将表 中参数代入计算可得短路后励磁电流 第一个波峰值约为 .)仿真模型:同时改变计算模型的初始条件不考虑饱和及阻尼绕组仿真波形如图 所示短路后.励磁电流达到第一个波峰波峰值为 与理论计算值基本一致 因此可以认为所使用的模型具有较高的准确性图 空载三相短路灭磁仿真 各工况下的灭磁仿真分析.空载误强励工况采用通用的饱和特性表达式进行仿真计算 当发电机运行在额定空载工况时突然失控误强励在机端电压达到.倍额定值后延时.跳灭磁断路器同时将灭磁电阻接入灭磁回路进行灭磁此时边界条件为定子电流、轴分量为 轴绕组磁链为 无 轴阻尼绕组电流和磁链阻尼绕组电流为 交轴绕组电流为 空载时考虑阻尼绕组的条件下 由于轴电流为且轴阻尼无外加电势因此 因此回路方程式()、式()变为:第 期 杨 玲等:自并励励磁系统灭磁容量计算与仿真分析 ()()/.中要求的空载误强励灭磁容量计算工况为:对于凸极发电机整流桥控制角为发电机定子电压为.倍额定值延时.跳磁场断路器 经过仿真计算结果如图 所示由图()显示:灭磁电阻耗能为.这里所指的灭磁时间是从空载额定励磁电流达到 空载额定励磁电流的时间为.灭磁时最大转子电流为 .最大灭磁电压为 .由图()可以看出假设稳态时的动态电感标幺值为 当发生误强励时磁路饱和越来越大对应动态电感变小灭磁后动态电感逐渐恢复到不饱和值图 空载误强励灭磁仿真模型.负载误强励工况当发电机运行在额定负载工况时突然失控误强励由于发电机并列在网上当电网比较强时可认为机端电压一直为额定电压当电网较弱、机组较大时需要考虑机端电压会升高的情况 因此判定条件为:在发电机定子电流达到热稳定极限、转子电流达到热稳定极限跳灭磁断路器同时将灭磁电阻接入灭磁回路进行灭磁或机端电压达到.倍额定值后延时.跳灭磁断路器同时将灭磁电阻接入灭磁回路进行灭磁 发生负载误强励时需要考虑两种情况:机端电压不升高此时灭磁时的容量相对较小这里不再赘述机端电压因误强励而升高时需要考虑并网电抗的影响 负载误强励造成磁场断路器分断后可以认为与空载灭磁一致/.中要求的负载误强励灭磁容量计算工况为:负载额定工况运行励磁控制角突然变为 定子过电压保护或定子过负荷保护或转子过负荷保护动作分磁场断路器 对于凸极发电机发电机定子电压达.倍额定值延时.保护动作 经过仿真计算结果如图 所示 由图()显示灭磁电阻耗能为.灭磁时间为.灭磁时最大转子电流为 .最图 负载误强励灭磁仿真模型 四川电力技术 第 卷大灭磁电压为 .由图()可以看出当发生误强励时磁路饱和越来越大对应动态电感变小灭磁后动态电感逐渐恢复到不饱和值 并网断路器断开发电机变为空载态由于电枢反应突然消失而励磁绕组的磁链不能跃变转子中要感应出电流来抵制定子磁链的变化 因而励磁电流将产生一个变化量使得励磁电流突然减小由于空载时即 与励磁电流和直轴阻尼绕组电流的变化量正相关因此灭磁瞬间机端电压会产生一个跃变.负载三相短路工况发电机负载工况时发生三相金属短路将造成机端电压为 对于自并励系统而言励磁电压也为 机端短路分为发电机内部短路及并网断路器外短路两者区别在于:当发电机内部短路后故障点无法切除灭磁时相当于负载态当发生并网断路器外短路后断路器断开即可切除故障点灭磁时已变为空载态额定负载下发生定子短路时的物理过程:突然短路时定子基频电流突然增大电枢反应磁通也突然增加励磁绕组和阻尼绕组为了保持磁链不变都要感生出自由直流由它产生磁通来抵消电枢反应磁通的增量/.中要求机端三相金属性短路的灭磁容量计算条件为:发电机额定工况下机端三相金属性短路延时.分磁场断路器灭磁.短路故障点切除模拟该机组正常额定负载运行.时机端发生三相金属性短路故障点位于并网断路器网侧.保护动作跳并网断路器同时联跳励磁系统磁场断路器故障点切除励磁系统磁场断路器断开灭磁电阻投入开始灭磁 仿真波形如图 所示 从图()中可以看出:短路瞬间转子电流从额定 增至 然后保护动作并网断路器断开发电机变为空载态由于电枢反应突然消失而励磁绕组的磁链不能跃变转子中要感应出电流来抵制定子磁链的变化 因而励磁电流将产生一个变化量使得励磁电流突然减小短路.后灭磁电阻投入此时最大转子电流为 .灭磁电压最大为.灭磁电阻耗能为.图()为直轴阻尼绕组电流波形由于阻尼绕组在稳态时不起作用电流为 而短路时转子与旋转磁场有相对运动阻尼绕组产生感应电流该电流与旋转磁场相互作用产生阻止转子相对旋转磁场运行的转矩随着灭磁电阻投入转子电流下降阻尼绕组电流开始上升体现出阻尼作用图 短路故障点切除灭磁仿真波形.短路故障点不切除模拟该机组正常额定负载运行.时机端发生三相短路故障点位于发电机侧.时保护动作跳并网断路器同时联跳励磁系统磁场断路器但由于故障点在发电机侧而无法切除因此灭磁时短路点仍然存在励磁系统磁场断路器断开灭磁电阻投入开始灭磁 仿真波形如图 所示 从图()中可以看出:短路瞬间转子电流从额定 增至 然后保护动作并网断路器断开但故障点不能切除短路.后灭磁电阻投入由于定子继续短路定子在转子中感应的周期电流一直存在此时最大转子电流为 灭磁电压最大为 灭磁电阻耗能为.由于定、转子耦合存在定子绕组的能量会不断传递到转子从而使消耗在灭磁电阻上的能量大大增加同时定子电阻也在消耗能量随着转子电流的减小定子电流也在减小最终都趋于 图()为直轴第 期 杨 玲等:自并励励磁系统灭磁容量计算与仿真分析 阻尼绕组电流波形短路瞬间阻尼绕组最大电流达 左右体现出阻尼作用图 短路故障点不切除灭磁仿真波形 理论计算上述 种工况下的仿真计算结果显示负载三相金属性短路工况下灭磁电阻容量最大为.根据/.第.节要求当参数不全时灭磁电阻容量估算的计算公式为()()式中:为灭磁电阻容量为灭磁电阻容量与转子磁场能量的比例可取.为饱和系数凸极机可取.隐极机可取.为发电机直轴短路暂态时间常数为发电机励磁绕组热态电阻值可取 时的电阻值为电流倍数可取 为发电机额定负载励磁电流将机组参数代入式()计算可得:.由此可见灭磁电阻容量估算值偏大当现场参数缺失时可参考估算值进行选择 结 论上面通过求解同步发电机的五绕组微分方程计及饱和采用 编写程序模拟空载误强励、负载误强励、负载三相金属性短路等工况下的灭磁过程以某电厂参数进行仿真分析计算对比说明仿真计算结果精确可靠可用于各种机组的灭磁容量设计并为未来智能化励磁灭磁系统分析提供技术支撑参考文献 电力行业水电站自动化标准化技术委员会.发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件 第 部分:灭磁容量计算:/.北京:中国电力出版社.王帅吴方元.大型核电机组 灭磁电阻容量的选择.发电设备():.王悦旸谭亲跃润子玉等.基于储能电路的大型发电机组灭磁方式优化.大电机技术():.罗远旺郭文峰罗泽文等.某大型水电站灭磁回路及控制技术分析.水电与新能源():.许其品孙素娟程小勇.大型发电机组合灭磁方式.电力系统自动化():.陈贤明王伟吕宏水等.汽轮发电机三相短路后灭磁仿真.电力设备():.陈贤明朱晓东王伟等.水轮发电机突然三相短路后灭磁研究.水电厂自动化():.许其品杨铭徐蓉.汽轮发电机灭磁电阻选择.电力系统自动化():.李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用.北京:中国电力出版社:.李光琦.电力系统暂态分析.北京:中国电力出版社.汤蕴缪.电机学.北京:机械工业出版社.吴龙.发电机励磁设备及运行维护.北京:中国电力出版社.作者简介:杨 玲()女硕士高级工程师从事励磁系统控制工作许其品()男硕士研究员级高级工程师从事励磁系统控制工作朱宏超()男硕士高级工程师从事励磁系统控制工作(收稿日期:)四川电力技术 第 卷