大型汽輪發電機帶負荷失磁模型建立與分析

呂艷玲， 戈寶軍

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080)

大型汽輪發電機帶負荷失磁模型建立與分析

呂艷玲， 戈寶軍

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080)

大型汽輪發電機帶負荷失磁分析中，首先建立大型汽輪發電機從失磁到失磁后有功功率調節過程的仿真模型，然后通過對QFQS－200－2失磁到有功功率調節全過程進行仿真與試驗對比分析，證明該大型汽輪發電機從失磁到有功功率調節過程的仿真模型的正確性，最后對QFQS－200－2汽輪發電機帶不同比例有功功率負荷發生失磁故障進行分析，分析了該電機失磁后定子電流、定子電壓、轉子的轉速、輸出的有功、無功的變化，以及失磁后立刻減少所帶有功功率負荷后上述各輸出量的變化，為大型汽輪發電機帶額定負荷發生失磁故障，提供有功功率調節量值。

汽輪發電機;失磁;調節;有功功率;仿真分析

0引言

同步發電機勵磁出現故障可能會導致其失磁，失磁故障后會導致發電機失去同步，轉子出現轉差，發電機將從電網吸收大量的無功功率;失磁故障后若系統無功儲備不足，系統電壓將降低，可能使相鄰某些點電壓低于允許值，破壞負荷與電源之間穩定運行，甚至使系統電壓崩潰;失磁故障后定子電流增大，可能造成其他發電機、變壓器或線路過載，后備保護動作，增大故障波及范圍［1］。

除了要研究與改進發電機勵磁系統，提高其運行的可靠性以及減少運行中誤操作，來防止發電機失磁故障發生外，還應該研究當發電機發生失磁故障時，防止發電機解列停機，而是讓其迅速從較大的額定有功負荷降低到使發電機能夠快速進入穩態異步或同步運行狀態的有功負荷，以此為運行人員爭取處理失磁故障的時間;并且在失磁故障消除后，發電機能夠很快地恢復額定有功負荷運行，保證電力用戶的供電可靠性。

在研究失磁的文獻中，研究失磁保護的較多［2－4］，也有一些文獻研究了失磁過程分析［5－9］，但是當汽輪發電機帶額定負荷發生失磁故障時，為了避免發電機解列停機，按照規范要求，在短時間內使發電機立即自動減負荷，有功功率在30 s時減到額定值的0.6倍，并在2min內減到額定值的0.4倍，定子和轉子電流不大于1.0～1.1倍額定值，允許運行10 min［10］。但目前還沒有一個準確的模型來分析失磁有功負荷調節全過程。200 MW機組是我國生產的汽輪機組的主力機組，因此保證國產200 MW汽輪發機組的安全、穩定、可靠及經濟運行是電力科研人員與運行人員的主要任務之一。建立一套能夠準確分析大型汽輪發電機從失磁到失磁故障排除后恢復運行的有功負荷調節全過程的仿真模型，然后從仿真分析與試驗分析的角度分別對QFQS－200汽輪發電機失磁后，有功功率調節全過程中定子轉子等各輸出量的變化進行分析，對200MW汽輪機的失磁異步運行分析有很重要的意義。

1 失磁故障系統仿真模型的建立

1.1 汽輪發電機的數學模型

發電機的失磁過程是一個復雜的機電暫態過程，在此過程中，轉速是變化的。由于派克方程的系數與轉速有關，因此它是一組變系數的微分方程，這給分析帶來困難。為方便定量分析發電機失磁異步運行時定、轉子上各電氣參量的變化規律，基于以下簡化條件進行數學分析:

1)發電機為理想電機，正方向的規定為定子繞組采用發電機慣例，即以輸出電流作為電流的正方向，定子各相繞組通過正向電流時，產生負值磁鏈;勵磁繞組和阻尼繞組采用電動機慣例，即以輸入電流為電流的正方向，繞組通過正向電流時，產生正值磁鏈;驅動轉矩規定為正［11］;

2)發電機與無限大系統母線相聯，母線電壓恒定不變;

3)勵磁電壓由失磁前的額定電壓按正比例減小，即勵磁繞組通過放電電阻短路失磁。

發電機失磁動態過程中，定、轉子的電壓方程:

磁鏈方程:

轉子運動方程:

式中:p為微分算子d/d t;ω為轉子角速度;δ為功角;ψ為磁鏈;L為自感;M為互感，其角標表示對應的繞組;Hj為發電機轉動部分總的慣性常數;Tm為原動機機械轉矩;Te為發電機電磁轉矩。

1.2 勵磁系統數學模型

采用的是可控硅整流勵磁系統［12］，發電機帶負載運行時，勵磁回路電壓方程為

式中，R為勵磁電阻與滅磁電阻之和。

1.3 故障系統仿真模型

為了實現模型的通用性，在系統仿真模型中，首先根據同步發電機定、轉子繞組內部電磁關系和轉子運動方程，建立汽輪發電機的模型，然后根據勵磁系統故障的約束條件輸入勵磁電壓信號，利用Matlab/SIMULINK的交互式仿真集成環境，構建了失磁故障系統模型如圖1所示。

2 失磁故障系統仿真模型的驗證

2.1 汽輪發電機參數

為了驗證上述建立的仿真模型的正確性，對QFQS200－2汽輪發電機進行失磁過程仿真分析與試驗驗證，該發電機的參數如表1所示。

2.2 QFQS－200－2汽輪發電機失磁仿真分析

利用上述建立的失磁故障仿真模型，對QFQS－200－2汽輪發電機帶額定負載PN和40MVar的無功功率(33%QN)進行失磁故障分析，勵磁系統在運行20 s開始失磁，立即減小輸出有功功率，9 s使發電機帶60%PN，10s時使發電機輸出有功功率減小到50%，11 s使發電機輸出有功功率減小到40%，仿真結果如圖2所示。

從圖2可以看出，失磁開始到完全失磁，穩態異步運行時定子電流增加到1.05倍額定電流，電機吸收無功功率，失磁過程中產生最大的滑差為2.5%，阻尼條的渦流明顯增加達到0.2倍額定電流，調節有功功率后11 s左右進入穩態異步運行狀態。

2.3 試驗驗證

為了驗證上述仿真分析的正確性，對QFQS－200－2發電機進行帶額定有功功率200MW經滅磁電阻短路失磁試驗，失磁試驗接線如圖3所示。

試驗過程如下:

將發電機調整到200 MW，對應無功功率為40MVar;啟動試驗儀器錄取試驗前發電機的參數，拉開發電機滅磁開關使發電機失磁，失磁9 s后把發電機的有功負荷調到120 MW，再減到100 MW，后又減到90MW，失磁10 s內發電機進入穩態異步運行;平均滑差不超過2.5%;失磁15min以后合上發電機的滅磁開關，手動增加勵磁電流，發電機在恢復勵磁10秒內平穩地恢復同步運行。試驗結果如表2所示。

從試驗數據與仿真數據可以得出，發電機帶200MW的有功功率負荷，40MVar無功功率時發生失磁，試驗首先減少發電機輸出有功功率到120 MW(60%PN)，然后減少輸出有功功率到100 MW (50%PN)，最后減少到90MW(45%PN)，發電機10 s內進入穩態異步運行，仿真分析中發電機失磁11 s左右進入穩態異步運行，兩組數據分析中，進入穩態異步運行的時間基本一致;試驗分析中失磁前定子電流為0.81倍額定電流，進入穩態異步運行時最大的定子電流為0.96倍額定電流，比仿真值低0.09倍額定電流;試驗中測得平均滑差為2.5%，仿真結果得出最大的滑差為2.5%，試驗結果與仿真結果也基本一致。綜合上述分析，仿真結果與試驗結果吻合，證明該模型可以較準確地分析大型汽輪發電機失磁故障調節過程。

3 QFQS－200－2汽輪發電機失磁過程有功功率調節過程分析

隨著科技的進步，大型汽輪機的容量不斷提高，200MW汽輪發電機在20世紀80年是我國的主力機組，目前還在應用中，對其失磁過程的研究仍具有實際應用價值。下面利用上述驗證的模型，對QFQS－200－2汽輪發電機失磁過程進行分析，主要研究帶不同比例有功負荷時發生失磁故障后的手動減負荷過程的分析。失磁前帶100%PN有功負荷，33%QN的無功負荷，發生失磁故障后，迅速調節其所帶負荷已經在圖2中分析。如果失磁前帶100% PN有功負荷，發生失磁故障后，不調節發電機所帶負荷的值，其分析結果如圖4所示。

在分析中，發電機帶100%PN時發生失磁故障，如果不調節有功功率的輸出，從仿真結果可以得出，定子電流達到2.8倍的額定電流，滑差達到11.5%以上，阻尼繞組產生渦流大于額定電流，對電機危害很大，這時發生失磁故障的大型汽輪發電機如果不快速減負荷，必須從系統解列。

以上綜合分析了，帶70%PN以上的有功負荷發生失磁故障，需要立即逐步減少有功負荷，才能使大型汽輪發電機較快進入穩態異步運行。那么，帶多少比例的負荷發生失磁故障，不需要調節有功負荷，而很快進入穩態異步運行呢?下面分析QFQS－200－2汽輪發電機帶50%PN、45%PN及40%PN發生失磁故障。分析結果如圖7、8、9所示。

從圖7、8、9可以明顯看出，當發電機帶50%PN發生失磁故障，不調節有功功率輸出，分析結果圖7看出，整個暫態過程中定子電流達到2倍的額定電流值，滑差達到2.0%左右，不符合穩態異步運行的規范。

當發電機帶45%PN發生失磁故障，不調節有功功率輸出，分析結果圖8看出，整個暫態過程中定子電流達到1.5倍的額定電流值，滑差達到1.9%左右，也不滿足穩態異步運行的規范。

但是當發電機帶40%PN發生失磁故障，不調節有功功率輸出，分析結果圖9看出，整個暫態過程中定子電流達到1.05倍的額定電流值以內，滑差達到1.6%左右，滿足規范要求，定子和轉子電流不大于1.0～1.1標幺值，允許運行10min。

4結論

通過對QFQS－200－2汽輪發電機的失磁過程的仿真與試驗分析得出以下結論:

1)建立了大型汽輪發電機的失磁故障有功負荷調節過程的模型，該模型能夠準確地分析大型汽輪發電機的失磁故障有功負荷調節的過程，為其他大型汽輪發電機的失磁故障分析及負荷調節提供了準確的仿真模型。

2)大型汽輪發電機失磁后，根據失磁前所帶負荷的比例(＞40%PN)，快速減少失磁前所帶的有功負荷比例，發電機可以很快進入穩態異步運行，發電機在失磁故障排除后，增加勵磁電流，發電機能很快進入同步運行狀態。

3)如果QFQS－200－2汽輪發電機帶小于40% PN發生失磁故障后，不需要立即減小輸出有功功率，發電機會很快進入穩態異步運行，為查找勵磁故障及恢復勵磁提供了時間。

［1］ 周德貴．發電機失磁異步運行的問題分析［J］．四川電力技術，2000，(1):1－4．ZHOU Degui．Study on asynchronous operation problem of generator［J］．Sichuan Power Technology，2000，(1):1－4．

［2］ 徐健，徐金，王翔．發電機失磁保護和失步保護的沖突與協調［J］．電力系統自動化，2007，31(17):61－64．XU Jian，XU Jin，WANG Xiang．Coordination between generator loss2of2excitation protection and out2of2step protection［J］．Automation of Electric Power Systems，2007，31(17):61－64．

［3］ 林莉，牟道槐，孫才新，等．同步發電機失磁保護的改進方案［J］．電力系統自動化，2007(22):88－93．LIN Li，MOU Daohuai，SUN Caixin，et al．Improvement on loss-ofexcitation protection of synchronous generators［J］．Automation of Electric Power Systems，2007(22):88－93．

［4］ 柳煥章．發電機失磁保護的原理及整定計算［J］．電力系統自動化，2004，28(14):72－75．LIU Huanzhang．Principle of generator loss-of-excitation protection and its setting calculation［J］．Automation of Electric Power Systems，2004，28(14):72－75．

［5］ 孫文濤，劉滌塵，趙潔，等．大型壓水堆核電機組失磁動態特性及機理研究［J］．中國電機工程學報，2014，34(10):1538－1545．SUNWentao，LIU Dichen，ZHAO Jie，etal．Study on dynamic characteristics and mechanism of the loss of excitation of large－scale pressurized water reactor nuclear power plant［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34(10):1538－1545．

［6］ 周茜，蘇鵬聲，王祥珩．水輪發電機失磁的動態過程分析［J］．電力自動化設備，2002，22(6):9－11．ZHOU Qian，SU Pengsheng，WANG Xiangheng．Analysis of dynamic processes for hydro generator under low excitation and field loss［J］．Electric Power Automation Equipment，2002，22 (6):9－11．

［7］ 郭文宇．同步發電機的失磁過程分析與保護方法研究［D］．重慶大學碩士論文，2013．

［8］ 梁艷萍，陸永平，朱寬寧，等．汽輪發電機失磁異步運行時轉子端部漏磁參數與渦流損耗的分析計算［J］．中國電機工程學報，2004，24(11):112－115．LIANGYanping，LU Yongping，ZHU Kuanning，etal．Calculation of leakage reactance and eddy current losses in the rotor end region of large turbogenerator at asynchronous operation［J］．Proceedings of the CSEE，2004，24(11):112－115．

［9］ 戈寶軍，呂艷玲．能量變換器失磁運行分析［J］．中國電機工程學報，2010，30(12):93－97．GE Baojun，L Yanling．Dynamic simulation analysis of powerformer under loss of excitation［J］．Proceedings of the CSEE，2010，30(12):93－97．

［10］ 汪耕，李希明．大型汽輪發電機設計、制造與運行［M］．上海:上海科學技術出版社，2012:35－36．

［11］ 湯蘊璆，張奕黃，范瑜．交流電機動態分析［M］．北京:機械工業出版社，2005:91－92．

［12］ 李基成．現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］．北京:中國電力出版社，2002:66－70．

(編輯:劉素菊)

M odel of large steam turbine generator w ith load loss of excitation and analysis of loss of excitation process

L Yan-ling， GE Bao-jun
(College of Electrical＆Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

In analysis of large steam turbine generatormodelwith load loss of excitation，simulaionmodel of the large steam turbine generator from excitaion loss to the active power regulation was set up，and for QFQS－200－2，regulating process from excitation loss to active power were simulated and experimental comparison was conducted．It shows the correctness of the simulationmodel in the active power regulation process，and excitation loss faultswere analyzed which are caused by the QFQS－200－2 turbine generator with different proportion of active power load．The stator current，stator voltage，rotor speed，the change of the output of the active and reactive power，and variation of all output immediately after loss of excitation reduction with active power load were analyzed．The results and analysis provide regulated values of active power when large steam turbine generatorswith rated load generate faults of excitation loss．

turbine generator;loss of excitation;change;active power;analysis of simulation

10．15938/j．emc．2015．06．004

TM 312;TM 301

A

1007－449X(2015)06－0022－06

2015－02－01

國家自然科學基金(51407049);高等學校博士點專項科研基金資助項目(20132303120001)

呂艷玲(1975—)，女，博士，副教授，研究生導師，研究方向為大型電機及其系統運行分析;

戈寶軍(1960—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為大型電機與特種電機。

呂艷玲