1000MW水輪發電機非正常運行工況網機耦合仿真

郝金偉 肖翦

摘 要：本文通過對水輪發電機非正常運行工況瞬態電磁過程的分析，建立了以發電機為主，包括水輪機、調速器、主變壓器、斷路器、電網、勵磁系統等在內的數值模型，對一臺1000MW水輪發電機機端突然短路和非同期并網工況進行了網機耦合仿真研究，為發電機結構設計、保護整定和安全運行提供理論依據。

關鍵詞：1000MW水輪發電機;突然短路;非同期并網;網機耦合仿真

1.引言

1000MW水輪發電機單機容量大，一旦由于某種原因造成發電機非正常運行，則有可能造成發電機的損壞，嚴重時將危及電網運行，甚至使系統瓦解。為了保護機組和電網的安全，在發電機設計階段就需要較準確地計算各種擾動下機組與電網的瞬態過渡過程。

本仿真借助于在電機電力系統及電機控制研究中廣泛應用的商業軟件，對1000MW水輪發電機的各種突然短路和非同期并網進行全面的瞬態行為仿真，仿真模型不僅計入了變壓器、線路、機械系統部分的影響，同時還可以考慮電機飽和勵磁調節器的作用，使得計算結果更準確，對發電機結構設計和電力系統的保護整定有十分重要的作用。

2.發電機主要參數

3.系統仿真模型

根據發電機運行情況，以機端突然短路為基礎，建立了1000MW水輪發電機與電網耦合仿真計算模型，通過控制故障短路開關，完成發電機突然短路、非同期并網等瞬態運行過程的仿真。

圖 l為1000MW水輪發電機及電網系統的物理模型，含有發電機、水輪機、調速器、勵磁系統、主變壓器、斷路器、電網等主要設備。

4.計算結果

4.1 發電機機端突然短路

發電機機端發生突然短路是發電機運行中最為嚴重的故障工況之一，仿真分析了：

（1）機端三相短路，發電機先處于空載運行狀態，在0.5 s時機端斷路器的A、B、C三相合閘，進入三相短路運行狀態，計算結果如圖2。

（2）機端兩相短路，發電機處于空載運行狀態，在0.5s時機端斷路器的A、C兩相合閘，進入兩相短路運行狀態，計算結果如圖3。

表1中給出了短路故障對電流、電磁轉矩的影響，表2和表3分別給出了三相突然短路和兩相突然短路工況的電流的各個分量在不同時刻的值。

三相突然短路瞬間電流最大值將達到額定電流值的12.03倍，電磁轉距將達到定電流值的4.58倍。

兩相突然短路瞬間電流最大值將達到額定電流值的9.86倍，電磁轉距將達到定值的5.38倍。

4.2 發電機非同期并網

發電機非同期并網不但出現較大的電流沖擊，而且出現較大的電磁轉矩沖擊，其中可能包含較大的單向電磁轉矩。單向電磁轉矩比交變電磁轉矩產生更嚴重的機械應力，從而使轉軸造成更嚴重的損傷，危及發電機的安全運行。

仿真分析了：

（1）120°非同期并網，發電機首先處于空載運行狀態，在合閘前，發電機與電網電壓頻率相同，大小相同，相位相差120°，在0.67s時網側斷路器的A、B、C三相合閘，開始進入120°非同期并網運行狀態，計算結果如圖4。

（2）180°非同期并網，發電機處于空載運行狀態，在合閘前，發電機與電網電壓頻率相同，大小相同，相位相差180°，在0.67s時網側斷路器的A、B、C三相合閘，開始進入180°非同期并網運行狀態，計算結果如圖5。

表4給出了各種誤并列工況對電流、電磁轉矩的影響。

120°非同期并網瞬間電流最大值將達到額定電流值的14.03倍，電磁轉距將達到定值的7.02倍。

180°非同期并網瞬間電流最大值將達到額定電流值的16.04倍，電磁轉距將達到定值的6.55倍。

5.結語

（1）本文建立了大型水輪發電機非正常運行工況仿真模型，同時考慮了電網、勵磁和機械系統的綜合影響，計算結果更準確。

（2）通過對1000MW水輪發電機空載突然短路、非同期并網的仿真分析，得到電磁動力特性變化曲線，可用于發電機的動力特性響應分析、剛強度分析、端部結構設計，以滿足機組安全穩定運行要求。

參考文獻

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作者簡介：郝金偉（1986-），男，工學學士，工程師，2010年畢業于華中科技大學電氣學院，現任職于東方電機有限公司從事水輪發電機設計工作。