基于ETAP的發電廠電氣系統暫態分析

錢序，萬里寧，楊華

(1.東北電力設計院，長春市，130021;2.長春職業技術學院，長春市，130033)

0 引言

在發電廠的運行過程中，電力系統經常會受到很多擾動，如各類故障、母線的投切、電動機的啟停等，此時電氣系統相應的繼電保護動作，廠用電系統能繼續安全、穩定地運行。在設計過程中，如果要得到某種情況下的暫態曲線，需要解系統網絡方程和機械微分方程，計算過程十分繁瑣費時。所以，實際工作中只能計算某點的極限狀況來簡化計算，或者計算系統在某種情況下的穩定狀態，對于各種擾動從發生到結束這一段時間的暫態過程則難以獲得。隨著計算機仿真技術的發展，越來越多的軟件都可以實現對系統暫態的計算及仿真，為設計和運行提供更加精確的計算結果。本文利用電力瞬時分析程序(electrical transient analysis program，ETAP)，依托某國外發電廠2×660MW空冷機組的廠用電系統進行暫態特性仿真和分析。

1 某電廠電氣系統概況

某電廠當期裝機容量2×660MW，發電機—主變壓器為單元接線，接入廠內400kV配電裝置。400kV系統為一個半斷路器接線，通過4條架空線接入系統。主變壓器設置3臺250 MVA的單相變壓器，裝設發電機斷路器。每臺機組設置1臺75/45－45 MVA高壓廠用變壓器(下稱高廠變)和1臺45 MVA高壓公用廠用變壓器(下稱高公變)。全廠共用1臺高壓備用變壓器(下稱高備變)。2臺機組的高公變互為備用，高備變從廠內400kV配電裝置引接［1］。

1.1 電氣主接線

本工程電氣主接線采用一個半斷路器接線，本期2回主變壓器進線、4回出線、1回高備變、2回出線經廠內400/132kV變壓器向煤礦供電，構成5個完整串，其中包含1個預留出線擴建位置［1-2］。

1.2 主要設備參數

(1)發電機。額定容量784.7 MVA，額定功率667MW，功率因數0.85，額定電壓22kV，額定電流20.593 kA，頻率 50 Hz，轉速 3 000 r/min，勵磁電壓498 V，勵磁電流4.733 kA，定子繞組接線為YY，冷卻方式為水－氫－氫，勵磁方式為靜止自并勵，直軸暫態電抗(飽和值)27.8%，直軸次暫態電抗(飽和值)21.6%，短路比不小于0.51，絕緣等級及溫升為F級(溫升按B級校驗)，轉子轉動慣量10 250 kg·m2(發電機)、31 051 kg·m2(汽輪機)［3-4］。

(3)高廠變。額定容量75/45－45 MVA，變比(22±2×2.5%)kV/10.5kV，阻抗電壓17.2%，接線組別為D、yn1-yn1。

(4)高公變。額定容量45 MVA，變比(22±2×2.5%)kV/10.5kV，阻抗電壓 12.5%，接線組別為Dyn1。

(5)高備變。額定容量75/45－45 MVA，變比(400±8×1.25%)kV/10.5kV，阻抗電壓17.6%，接線組別為YNyn0yn0/d。

1.3 10kV廠用電系統

每臺機組設2段10kV單元工作段，單元負荷均由單元工作段供電。全廠設2段10kV公用母線，分別由2臺高公變供電。2段公用母線之間設聯絡斷路器，可由任意一臺高公變帶全部公用負荷。圖1為廠用電接線示意［1，5］。

圖1 廠用電接線示意Fig.1 Sketch drawing for auxiliary power system

2 電氣系統暫態分析

2.1 計算方法

暫態穩定的研究采用ETAP電力工程計算軟件，該軟件在暫態分析部分遵循 IEEE 1110—2002［6］、IEEE 421.5—2002［7］。利用 ETAP 軟件對發電機系統及單元、公用高壓廠用電系統、低壓廠用電系統以及升壓站400kV系統進行仿真計算。

2.2 輸入數據

(1)系統阻抗。規劃容量為4 800MW;400kV系統的短路電流為43.4 kA，由系統提供的短路電流約為23.2 kA。

(2)主要設備參數見第1.2節。

(3)高壓廠用電動機的功率及負載狀況如表1所示。

表1 高壓電動機功率及轉動慣量Tab.1 Power and moment of inertia for high voltage motor

(4)高壓負荷。10kV工作段的負荷計算表見文獻［1］，在模擬過程中的負荷容量和配置均遵循該表。

3 暫態穩定的仿真

3.1 發電機切除

狀況1:1號發電機因為發電機斷路器動作在1.0 s時切除，廠用電系統將由主變壓器倒送供電。圖2表示10kV母線1BBA和2BBA的電壓曲線。從圖2可以看出，母線1BBA在這個過程中會有大約1%的電壓降。受1號發電機切除的影響，母線2BBA電壓會有一個短時的震顫，幅度也在1%以內。

圖2 10kV母線1BBA和2BBA電壓曲線(狀況1)Fig.2 Voltage curve of 10kV busbar 1BBA and 2BBA(case 1)

狀況2:1號發電機由于400kV斷路器動作在1.0 s時停運。由于主變壓器失去電源，1號高廠變將被快速切換至廠用變，1號公用變的負荷將由2號公用變一并承擔。快切將在100 ms內完成。圖3為10kV母線1BBA和2BBA的電壓曲線。

從圖3(a)、(b)曲線可以看出，母線1BBA在切換過程中有一個電壓降，但母線電壓水平還可以保持在80%以上，并且在1 s之內就可以恢復正常。2BBA受到1號發電機退出的影響，母線電壓會出現一個1%以內的波動，并持續數秒。圖3(c)表示當1號發電機退出運行后，公用段1BCA切至2號公用變時，1BCA段在切換中有一段短時失電，當2段母線負荷全部由2號公用變負擔時，母線電壓會降低到額定電壓的97%。從母線電壓的曲線來看，有發電機斷路器的發電廠在切除發電機時，由主變倒送供廠用電時維持停機負荷對廠用電系統的擾動可更小一些。

圖310kV母線1BBA和2BBA電壓曲線(狀況2)Fig.3 Voltage curve of 10kV busbar 1BBA and 2BBA(case 2)

3.2 400kV母線故障及清除

400kV II母線在1.0 s發生三相故障，并在1.1 s時被切除，這一情況和線路故障類似。圖4(a)表示1號發電機的功角，圖4(b)表示1號發電機轉速曲線，圖4(c)表示400kV母線的電壓曲線，圖4(d)表示10kV母線1BBA在此故障影響下的電壓曲線。

圖4 400kV母線故障時功角、轉速、電壓曲線Fig.4 Curves of power angle，speed and voltage for 400kV fault bus

受400kV母線故障的影響，故障點之外的400kV電壓會瞬間降低為0，直至故障被切除。當故障在一定時間內被切除后，母線電壓會很快恢復正常，發電機的功角也會趨于穩定，并恢復正常。但是，故障切除時間并不是可以無限延長的，當400kV母線發生三相故障時間過長，發電機功角將大于180°，從而失去穩定必須停機。這個故障的允許時間與發電機以及汽輪機的自身特性有關。從本工程的設定參數來看，在汽輪機調速器不參與的情況下，400kV三相故障超過180 ms將導致發電機功角超過180°，并最終失去穩定［8］。

在調速器以及勵磁調節共同作用下，發生故障時，勵磁電壓和電流將會降低使發電機出力減小，調速器也會控制汽輪機轉速和輸入功率［9］。但是在整個故障過程中，本機組的發電機轉速將無法穩定在3 000 r/min。圖5是故障時間為2 s時發電機的相對功角和轉速曲線。

從圖5可見，當400kV母線發生三相故障時，發電機轉速趨于升高，但最高不超過3 150 r/min，也就是發電頻率不超過52.5 Hz。根據汽輪發電機組的超速能力，在52～53 Hz時可以累積運行1 min，每次不超過10 s［3-4］。所以，當高壓母線發生短路故障，即使保護動作時間較長，發電機在控制系統的干預下也不會強迫停機，但縮短故障切除時間對于機組壽命還是很有好處的。

圖5 1號發電機相對功角和轉速曲線(故障時間2 s)Fig.5 Relative power angle and speed curves for unit 1 generator(fault duration 2 s)

3.3 10kV母線故障并清除

10kV母線1BBA或接于1BBA的某回路發生三相故障，并在0.2 s之內切除。圖6(a)表示此時1BBA母線的電壓曲線。對于這種故障，更應關注的是它對于其他10kV母線的影響。圖6(b)和(c)表示1BBB和2BBA母線的電壓曲線，圖6(d)則是2臺發電機的功角曲線。

母線1BBA的故障，將會導致1BBB母線產生一個大約13%的電壓降，并隨著故障的切除而恢復。該故障還會影響到2號機的廠用電系統，但是影響較小，只有大概2%的電壓波動。根據發電機的功角曲線可以看出，系統將在故障切除后趨于穩定。

圖6 10kV母線1BBA故障時電壓和發電機功角曲線Fig.6 Voltage and power angle curves of generator for 10kV 1BBA fault bus

從這個案例中可以看出，盡管發電廠的不同單元機組之間的電氣聯系只有400kV母線，但是受1號機的10kV母線故障影響，發電機的運行狀態依然會發生改變，主要體現在發電機的電流受勵磁系統的控制影響會發生暫時的波動，其電流有效值會在瞬間升高大約13.6%。因此其他機組的廠用電仍會受到1號機故障的干擾。

當一個三相短路故障發生并切除之后，本段母線上的其他電動機會受到怎樣的影響，這同樣是值得關注的問題。現對故障母線段上的電動給水泵的狀態進行研究。通過圖7可以看出，電流曲線上存在3個尖峰。在故障發生的時刻(1 s)，電動機在短路瞬間提供了大約5倍的短路反饋電流，這一數值取決于電動機的堵轉電流倍數。然后這一反饋電流在故障期內快速衰減，衰減速度和電動機的負載轉矩相關。1.2 s故障切除后，電動機恢復了供電，由于轉子作用于定子的反電勢依然較小，所以形成了第2個電流峰值，大約為額定電流的3倍。此時，負載制動轉矩依然大于電磁轉矩，電動機仍然在繼續減速，轉差率還在提高。但是受定子電流增加的影響，轉子感應電勢也相應增加，引起了電流的第二次衰減［10］。電磁轉矩逐步增加，直到電動機的電磁轉矩大于負載的制動轉矩以后，也就是第2個電流峰值右側的最小值位置，電動機轉速降到最低值，轉差率開始減小，電動機轉速開始提高，開始進入正常的電動機啟動狀態形成第3個電流峰值。整個過程大約持續了1.5 s。

圖7 電動給水泵電流曲線Fig.7 Current curve of feed water pump

3.4 0.4kV母線故障并切除

在這個案例中，0.4kV母線(1號汽機PC)發生三相故障并切除。圖8為此時10kV母線1BBA的電壓曲線。0.4kV母線的故障，將會對上級母線(10kV 1BBA)的電壓產生影響，造成一個5%以內的電壓波動，并隨著故障的切除而恢復正常。

圖8 10kV母線1BBA電壓曲線(0.4kV母線故障)Fig.8 Voltage curve of 10kV bus 1BBA(0.4kV fault bus)

3.5 大功率電動機啟動

在這個案例中，功率最大的一臺電動機(電動給水泵電動機)滿載啟動，啟動過程對本段母線的電壓影響和對母線1BBB的影響見圖9。

圖9 電動給水泵啟動時10kV母線電壓曲線Fig.9 Voltage curve of 10kV bus when feed water pump starts up

從圖9可以看出，母線的最低電壓出現在電動機啟動的一瞬間。電動機的全部啟動時間大約為25 s。受1BBA段母線上電動泵啟動影響，母線1BBB的電壓將存在一個大約3%的下降，時間與電動機啟動時間一致。

3.6 大功率電動機切除及再啟動

功率最大的一臺電動機(電動給水泵電動機)退出及再啟動，此時其母線電壓的曲線見圖10。這種工況主要是模擬電動給水泵備用泵進行切換時對廠用電的影響。這個過程的電壓曲線與電動機啟動的電壓曲線相似，母線電壓在電動泵退出運行時將有一個提高，隨后進入一個電動機啟動的過程。受此過程影響，0.4kV母線將具有一個與10kV相似的電壓曲線。

圖10 電動給水泵切換時10kV和0.4kV母線電壓曲線Fig.10 Voltage curves of 10kV and 0.4kV bus when feed water pump transfers

3.7 快切動作

這種工況下，母線1BBA、1BBB以及1BCA的工作電源將斷開，同時投入備用電源。以上動作將在快切指令下同時進行(即快切的同時切換功能)。圖11表示此時1BBA的電壓曲線。快切動作時間為70～100 ms，廠用10kV段的短時電壓降大概10%，對于公用段而言，由于2臺公用變壓器互為備用，快速切換將使2段公用段母線由1臺公用變來供電。

圖1 110kV母線1BBA電壓曲線(快切)Fig.11 Voltage curve of 10kV bus 1BBA(fast transfer)

由于母線1BBA在快切動作中會有短時的失電，因此本段母線上的電動機在快切結束后，會有一個再加速過程。從電動泵1 A的電流曲線(圖12)來看，再加速電流大約為額定電流的1.5倍。這也證明了在進行母線電壓校驗計算時，電動機啟動電流倍數在快切狀態下取2.5倍是合理的，并且是有裕度的。

圖12 電動給水泵1A電流曲線(快切)Fig.12 Current curve of feed water pump 1A(fast transfer)

4 結語

通過仿真，可對發電廠電氣系統在各種事件下的暫態過程有一個直觀的概念。隨著我國發電機組容量及等級的快速提升，規程和規范跟不上發展速度，因此在進行設計時往往沒有可參考的機型以及適用的設計規定。在這種情況下，很多設想和設計都能夠通過暫態分析的仿真計算進行驗證并得到支持。發電廠電氣系統的暫態分析對于提高設計水平、提高系統的可靠性及精確性有很大的幫助，值得深入研究。

［1］東北電力設計院.Design description of electrical for mmamabula energy project power station［R］.長春:東北電力設計院，2009.

［2］MEPPS 2×660MW超臨界空冷機組發電機技術協議［R］.上海:上海電氣集團，2009.

［3］MEPPS 2×660MW超臨界空冷機組汽輪機技術協議［R］.上海:上海電氣集團，2009.

［4］IEEE 1110—2002 Guide for synchronous generator modeling practices and applications in power system stability analyses［S］.New York ，US:IEEE，2002.

［5］IEEE 421.5—2005 Recommended practice for excitation system models for power system stability studies［S］.New York ，US:IEEE，2005.

［6］李光琦.電力系統暫態分析［M］.北京:中國電力出版社 ，2000.

［7］劉取.電力系統穩定性及發電機勵磁控制［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［8］趙軍友.電機學［M］.北京:水利電力出版社 ，2009.

［9］DL 5000—2000火力發電廠設計技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2001.

［10］DL/T 5153—2002火力發電廠廠用電設計技術規定［S］.北京:中國電力出版社 ，2002.