背壓發電機低勵限制參數配置影響分析

王 剛，趙利民，廉 永

(國家電投集團河南電力有限公司沁陽發電分公司，河南 焦作 454550)

0 引言

近年來，風電、光伏等新能源在電力系統中所占比例穩步上升，因其波動性較強，對火電廠的調頻提出了更高要求。部分火電廠利用多余熱能在廠內建立小型的背壓發電機，接入其高壓廠用電系統中，對火電廠的廠用電電壓和調頻起到一定的改善作用，但背壓發電機接入后對火電廠內部的電壓和頻率穩定產生了一定影響。

以某火電廠為例，計算背壓發電機低勵限制參數配置，分析背壓發電機的進相運行能力，研究低勵限制的主要約束因素以及相關參數配置與約束條件的配合關系等，以確保背壓發電機在進相運行時盡可能挖掘進相潛力，但又不至于過度進相，導致失磁保護動作而影響背壓發電機的設備安全，對保障發電機的安全運行具有一定的參考作用。

1 背壓發電機主要參數

接入電廠的背壓發電機為隱極發電機，背壓發電機等值電路為如圖1所示。

圖1 背壓發電機的等值電路

背壓發電機直接接入發電廠10 kV廠用電母線，由于高廠變短路阻抗百分比參數較大，而主發電機和電網側不能等值為無窮大系統。

背壓發電機接入系統后被等值為如圖1所示的等值電路，左上角為主發電機與系統合并后的等值發電機，Xc為等值發電機的內阻，對應計算公式為：

其中：XT為升壓變短路阻抗百分比，X12為高廠變高壓側至背壓發電機所在側的穿越阻抗，Xd為主發電機的d軸同步電抗。

約束背壓發電機低勵限制的主要條件有靜穩極限、功角約束、失磁保護、最大定子電流約束及最小轉子電流約束。

2 背壓發電機低勵限制約束條件

2.1 靜穩極限

背壓發電機的靜穩極限是根據背壓發電機的內電勢Eq和等值機的的內部電壓Ut之間的關系，功角等于90°時對應的約束表達式為：

其中：P為背壓發電機有功，Q為背壓發電機無功，Xdz為背壓發電機的d軸同步電抗。

將背壓發電機參數值代入公式(2)后，得出背壓發電機靜穩極限的具體值為：

從式(3)可以看出，靜穩約束在(P，Q)坐標系下是圓曲線，對進相起到主要約束作用的是坐標軸第4象限的曲線。Xc越大，對應靜穩極限圓越小，發背壓發電機允許進相的范圍越小。

討論復合材料補片種類的不同對修復效果的作用，分別采用硼/環氧樹脂、碳/環氧樹脂和玻璃纖維材料的補片對損傷結構進行再制造膠粘修復。圖7給出復合材料補片種類對修復效果的作用，圖8所示為補片種類作為變量時裂紋尖端半橢圓中心角α為0°和90°處對應的修復效果。

2.2 功角約束

根據電力行業標準DL/T 1523—2016《同步發電機進相試驗導則》的規定，功角的計算公式為：

其中：δ為背壓發電機功角。

根據GB/T 7064—2008《隱極同步電機技術要求》規定，進相運行時發電機功角不宜大于70°，取進相運行時允許運行的最低機端電壓為0.9 p.u.，Xdz取1.89 p.u.，則公式(3)可改寫為：

從式(5)可看出，在最大功角約束條件下，背壓發電機的有功和無功呈一次線性關系，P=0時，對應的最大無功進相值為-0.4073 p.u.。當Q=0時，P=1.12 p.u.。該曲線與發電機勵磁規范中推薦的默認進相曲線基本一致，說明該曲線在一定程度上代表背壓發電機的進相規律。

2.3 最大定子電流約束

背壓發電機定子電流的表達式為：

背壓發電機在進相運行時定子電流不應該大于1.05 p.u.，考慮機端電壓為最小值0.9 p.u.，則式(6)對應有功和無功約束條件為：

從式(7)可看出，在最大定子電流約束條件下，進相的有功和無功約束條件為圓，圓心為原點，圓的半徑為1.0 p.u.左右。

2.3 最小轉子電流約束

其中：If為背壓發電機的轉子電流。

進相運行時要求發電機轉子電流最小值為0.1倍額定轉子電流。將式(8)進行變形可得：

從式(9)可以看出，在最小勵磁電流約束條件下，背壓發電機的有功和無功呈現圓特性，圓心在Q軸的負半軸，半徑為0.1倍額定空載轉子電流。

將背壓發電機參數值代入式(9)中，可得最小勵磁電流的約束條件為：

2.4 失磁保護約束

發電機失磁保護定值一般使用(R，X)坐標整定，但實際勵磁限制曲線在(P，Q)坐標下，因此需要將兩者進行轉化，失磁保護異步失穩圓轉化到(P，Q)坐標系統的約束曲線表達式為：

其中：為背壓發電機d軸瞬態電抗，將背壓發電機參數代入式(11)，可得出式(11)對應圓的具體數值為：

可知，在失磁保護約束條件下，背壓發電機的有功和無功呈現圓的特性，圓心在Q軸的負半軸，半徑為發電機參數和機端電壓組成的函數。

2.5 仿真分析

根據上述幾種約束條件后，可得出低勵限制參數的大致選擇范圍?？傮w而言，低勵限制的約束條件可以分為3類。

(1) 第一類為內部圓約束，如靜穩極限和最大定子電流，該類約束的特點是穩定條件為封閉圓圈，超過圓外的范圍認為是低勵限制的不可行條件。

(2) 第二類為直線約束，如最大功角限制，此類約束的特點是開放性直線，將(P，Q)界面劃分為兩部分，低勵限制需要在該直流的左上方，如在直線的右下方則認為是不可接受的低勵限制范圍。

(3) 第三類也是圓約束，如最小勵磁電流和失磁保護，圓外為不安全的低勵限制運行范圍，圓內則是可接受的低勵限制運行范圍。

根據公式(2)～(9)，得出對應的穩定低勵限制運行范圍，對應的曲線如圖2所示。

圖2 低勵限制的約束曲線

圖2 中，有功和無功是以背壓發電機視在功率和額定機端電壓為基準計算。背壓發電機約束曲線主要由兩部分組成，在發電機有功出力很小時，受到最小轉子電流約束，其余部分受到最大功角限制。說明小型背壓發電機在實際進相運行和配置低勵限制參數時，關注最大功角即可。背壓發電機勵磁低勵限制曲線可以配置成與最大功角曲線一致。

3 結束語

針對背壓發電機接入火電廠工程的低勵限制約束中靜穩極限約束、最大定子電流、最小轉子電流、失磁保護、最大功角約束等方面進行了分析計算，確定了背壓發電機實際運行中的運行約束安全邊界，計算結果對背壓發電機的進相運行和低勵限制參數配置工作提供了一定參考。