勵磁調節器低勵限制曲線與汽輪發電機失磁保護整定配合研究

張明江，劉國玉,祖光鑫，武國良，穆興華，崔佳鵬

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030; 2.國網北京電力調度控制中心,北京 100035)

0 引 言

勵磁系統的低勵限制特性應由系統靜穩極限和發電機端部發熱限制條件確定，并計及發電機端電壓的變化[1-2]。低勵限制又稱為欠勵限制或P/Q限制[3-4]，是在低勵限制器中整定的發電機允許的最小無功功率與有功功率關系的曲線。

在發電機的保護中設置有失磁保護，反映勵磁系統中勵磁電流的消失或減小[5-6]。在發電機進相試驗時，人為減磁的過程中，可能造成低勵限制和失磁保護動作。勵磁調節器低勵限制與發電機失磁保護的配合關系是否正確尤為重要，同時也是網源協調的一項重要內容[7-8]。根據相關標準[9]，發電機低勵限制和失磁保護的動作關系應該是低勵限制保護首先動作，然后失磁保護動作，而兩者之間在定值上的相互配合是滿足上述動作順序的前提。

現有的低勵限制整定方法[10-11]是從保證機組安全穩定運行的角度出發，但這遠遠沒有發揮出機組的進相運行能力。提出一種基于靜穩阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發電機低勵限制曲線整定方法，既能保證機組和系統的安全穩定運行，又能更大限度地發揮機組進相運行能力。

1 失磁保護

發電機失磁保護反映勵磁系統中勵磁電流的消失或減小，主要判據為低電壓判據[12]、轉子側判據和定子側阻抗判據。而定子側阻抗判據分為：異步邊界阻抗圓和靜穩極限阻抗圓。文中論述與低勵限制配合的失磁保護主要涉及靜穩極限阻抗圓判據。

汽輪發電機靜穩極限阻抗圓如圖1所示，其整定值為

圖1 靜穩極限阻抗圓動作特性Fig.1 Action characteristic of static stable limit impedance circle

(1)

式中：UN為發電機額定電壓，kV；SN為發電機額定視在功率，MVA；Xd為發電機同步電抗(不飽和值)，標么值；Xcon為發電機與系統間的聯系電抗(包括升壓變壓器阻，系統處于最小運行方式)，標么值(以發電機額定容量為基準)；nV為發電機機端電壓互感器變比；nA為發電機機端電流互感器變比。

靜穩極限阻抗圓的圓心和半徑為

(2)

2 低勵限制

低勵限制的整定一般是在進行進相試驗前，由調控中心根據實際情況給定一組有功功率和無功功率值。否則，可以根據相關規定[9]，低勵限制的整定原則是按發電機不同有功功率靜穩極限及發電機端部發熱條件確定的。由系統靜穩條件確定進相曲線時，應根據系統最小運行方式下的系統等值阻抗，確定該勵磁系統的低勵限制動作曲線。如果對進相沒有特別要求，一般可按有功功率P=PN時允許無功功率Q=-0.05QN和P=0時Q=-0.3QN兩點來確定低勵限制的動作曲線，如圖2所示。其中，PN、QN分別為發電機的額定有功功率和額定無功功率。低勵限制的動作曲線方程為

圖2 低勵限制的動作曲線Fig.2 Action curve of low excitation limit

(3)

3 低勵限制和失磁保護的配合

上述低勵限制的整定過于簡單，不能更大限度地發揮發電機的進相能力。提出一種基于靜穩阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發電機低勵限制曲線整定方法，該方法整定簡單，能更大限度地發揮發電機的進相能力。

為了防止失磁保護先于低勵限制動作，根據式(2)寫出靜穩極限裕度阻抗圓，其圓心和半徑為

(4)

式中，Kk為可靠系數，一般取1.05≤Kk≤1.2。

接下來，分別做出靜穩極限裕度阻抗圓的外切正六邊形1和外切正六邊形2，依次連接靜穩極限裕度阻抗圓和外切正六邊形1的交點、外切正六邊形1和外切正六邊形2的交點、靜穩極限裕度阻抗圓和外切正六邊形2的交點，便可得到R-X坐標系下基于靜穩阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發電機低勵限制的整定曲線，如圖3所示。

圖3 基于靜穩阻抗圓雙外切正六邊形的低勵限制的整定曲線Fig.3 Setting curve of low excitation limit based on static stable impedance circle double external tangent hexagon

發電機機端的復功率可表達為

所以，有

(5)

式中，U為發電機電壓，kV。

由于一般勵磁調節器中的低勵限制定值整定的是有功功率和無功功率，所以根據上式，即可將上述24點坐標轉換至P-Q坐標系下。

4 案例分析

4.1 設備和系統參數

以黑龍江某電廠勵磁調節器低勵限制保護和失磁保護整定為例，用上述方法校核低勵限制和失磁保護是否滿足配合關系。該電廠機組參數如表1和表2所示，系統電壓為220kV，系統等值電抗標么值為0.0206(基準容量為100MVA)。

表1 發電機參數Table 1 Parameters of generator

表2 變壓器參數Table 2 Parameters of transformer

4.2 失磁保護定值計算

根據式(1)，代入相關數值，得到靜穩極限阻抗圓的上下兩點坐標為Xc=3.7 Ω、Xd=-31.62 Ω。根據式(2)，得到靜穩極限阻抗圓的圓心坐標為(0,-13.96)，半徑r=17.66 Ω。取Kk=1.2，得到靜穩極限裕度阻抗圓的圓心坐標為(0,-13.96)，半徑r裕=21.19 Ω。

4.3 低勵限制定值計算

低勵限制定值的整定分為三種。

第一種：調控中心給定的低勵限制定值，如表3所示。

表3 調控中心給定的低勵限制定值Table 3 Setting values of low excitation limit given by control center

由于所給定的功率點太少，并且這三點在一條直線上，所以根據這三點寫出所確定的直線方程為

根據式(6)，代入相關數值，可將上述9點坐標轉換至R-X坐標系下，分別為(0，-39.19)、(15.26，-38.24)、(25.42，-27.67)、(26.84，-16.54)、(24.27，-9.22)、(21.02，-5.01)、(18.14，-2.61)、(15.78，-1.2)、(13.88，-0.36)。

(6)

根據式(6)，代入相關數值，可將上述9點坐標轉換至R-X坐標系下，分別為(0，-74.532)、(39.92，-53.3)、(41.202，-24.308)、(33.16，-11.326)、(26.519，-5.764)、(21.773，-3.11)、(18.355，-1.71)、(15.817，-0.912)、(13.872，-0.431)。

第三種：也就是文中提出的方法。依據前文論述，代入相關數值，得到R-X坐標系下的24點坐標為(0，7.23)、(5.678，7.23)、(10.596，4.391)，其余各點坐標依次類推；得到P-Q坐標系下的24點坐標為(0，672.2)、(326.5，415.7)、(391.4，162.2)，其余各點坐標依次類推。

4.4 進相試驗數據

進相試驗時，取有功功率分別為80%PN、70%PN、60%PN三種工況，試驗過程中的有功功率和無功功率數據如表4所示。

表4 進相試驗時的有功功率和無功功率Table 4 Active power and reactive power during leading phase test

將失磁靜穩阻抗圓整定值、低勵限制整定值、進相試驗數據，一起畫在R-X坐標系下，如圖4所示。

圖4 R-X坐標系下的試驗數據Fig.4 Test data in R-X coordinate system

從圖4可以看到，從坐標原點向R軸正方向的曲線依次為低勵限制整定值(第三種)、低勵限制整定值(第一種)、低勵限制整定值(第二種)。也就是說，在進相試驗過程中，最先觸碰到的是低勵限制整定值(第二種)曲線，然后是低勵限制整定值(第一種)曲線，最后是低勵限制整定值(第三種)曲線。從保證機組安全穩定運行的角度來說，低勵限制整定值(第二種)曲線最安全可靠，但是這也過于保守，遠遠沒有發揮出機組的進相運行能力。而按照低勵限制整定值(第三種)曲線整定，也就是本文提出的方法，在保證機組安全穩定運行的前提下，能更大限度地發揮機組進相運行的能力，這在系統電壓偏高、保證系統安全穩定運行方面更有利。同時，該方法的低勵限制曲線的整定完全按照代數和幾何知識，簡單方便直觀，實用性強。

將失磁靜穩阻抗圓整定值、低勵限制整定值、進相試驗數據，一起畫在P-Q坐標系下，能得到相同的結論。

5 結 語

勵磁調節器低勵限制與發電機失磁保護的配合關系是否正確尤為重要，同時也是網源協調的一項重要內容。在概要介紹低勵限制和失磁保護的基礎上，提出了一種基于靜穩阻抗圓雙外切正六邊形的汽輪發電機低勵限制曲線整定方法。通過案例分析，結合三種進相運行工況，將該方法與另外兩種方法進行了對比，證明了該整定方法在更大限度發揮機組進相運行能力、保證系統安全穩定運行方面的優越性，有很高的實用價值。