發電機保護與控制協調研究

C.J.莫茲納

李 璇 歐陽友 譯自美刊《水電評論》2009年第3期

近來發生的數次電力系統停電故障,致使北美電力安全管理公司(NERC)要求發電廠業主驗證發電機保護及控制的協調性。由于在主要電力系統振蕩期間,發電機保護容易誤動作,例如 2003年美國東海岸大停電,所以需要加強發電機保護及控制的協調性。這種協調的技術方法在教科書、論文及繼電保護設備生產廠家的產品使用說明書中都可以找到。但在實際工作中,許多需要使用這些技術的工程師對這些技術并不熟知。

每個電力系統可能偶有瞬時振蕩,主要是因為短路故障或主負荷切換所導致。通常在發電機調速器和勵磁系統這兩大發電機主控制系統的幫助下,系統將趨于一個新的穩態。在一個電力系統中,由調速器控制系統頻率,勵磁系統控制電壓。本文對此進行了深入分析,提供了發電機保護與這些控制系統間,以及發電機保護與發電機有功功率(MW)、無功功率(MVAR)之間的協調方法。

1 調速器控制及低頻協調

調速器控制的首要作用是在電力系統中為發電機機組維持合適的速度調節和負荷分配。對同步發電機而言,轉速與頻率有直接關系。如果發電機突然失負荷,則轉速將立即加快,頻率將加大。調速器將通過合上導葉以減少機械力,達到降低輸出功率的作用。

與之相反,如果發電機過載,則轉速將變慢,頻率將減小。如果發電機在低頻狀態時滿負荷運轉,沒有現地控制操作能糾正這一過載問題。低頻甩負荷需要在整個系統負荷匹配時發生。例如,在大型系統發生振蕩時,電力系統將解列成幾個典型的由數個電廠構成的孤網。在這些孤網里,存在著典型的負荷失配。如果在一個孤網上發生過載,頻率將減小,導致發電機轉速減緩。此時,需要系統低頻甩負荷。低頻甩負荷程序廣泛應用于北美電網中。

由于水輪發電機低頻運轉時一般不會導致事故,因而許多這種機組未配置低頻保護。盡管如此,某些發電廠還是設置了使其水輪發電機組在持續低頻運轉期間跳閘。理由是,持續低頻運行會損害用戶或同一孤網上的其他發電廠的設備。另一個原因是它們只是發電廠總發電量的一部分。當發電廠的汽輪發電機(在低頻運轉時被損壞了)由于低頻運行跳閘,水輪發電機組將急劇過載。由于這種情況,這些水輪發電機組需裝配發電廠發電機低頻保護程序。發電廠需與北美電力安全管理公司(NERC)協調在低頻故障時的區域性甩負荷程序。

圖1中標示出了北美電力安全管理公司(NERC)控制的 8個區域。每個區域中都已確定在預先設定的頻率下,每個發電廠需甩脫其負荷峰值百分比的甩負荷程序。強調發電機的低頻保護系統需與系統甩負荷協調。

圖1 北美電力安全管理公司控制的8個區域

表1中顯示了一個低頻協調要求的典型例子。這些是西部電力協調委員會(WECC)的要求。這些要求為改進美國西部其他區域準則提供了相似的指導方針。發電機低頻保護須延時,以便與系統甩負荷程序相協調。表 1中的時間顯示了在各種不同頻率下協調所需的最短時間。

表1 西部電力協調委員會對低頻協調的要求

2 勵磁保護及系統穩定

發電機的勵磁系統為保證發電機與電力系統同步提供磁場能,它為發電機轉子繞組輸入直流電。在當前勵磁系統中,直流電一般從連接至發電機出口的交直流轉換變壓器中獲得。交流電將轉換成直流電,為給這臺變壓器啟動時提供電勢,該磁場需配置一套蓄電池以起勵。在過去的勵磁系統中,該直流電源是由主發電機軸上的一臺小發電機提供的。

除維持發電機同步以外,勵磁系統還影響著由發電機吸收或輸出的無功功率值。勵磁電流的加大會提高無功功率的輸出并使電壓升高。減小勵磁會起到相反的效果,并且在極端情況下,可能導致發電機不再與電力系統同步。如果發電機已與電網解列或與電力系統聯系微小,也沒有其他無功電源控制其出口電壓,加大勵磁電流會使發電機出口電壓升高。

最常用的 10MW及以上發電機電壓控制方式是自動電壓調節(AVR)。在這種方式下,勵磁系統通過輸出或吸收無功功率將電力系統的電壓維持在可接受的范圍內。在由于短路而造成系統電壓降低、發生振蕩的地方,電量不能完全傳遞到輸電系統。AVR和勵磁系統的速動有助于提高同步轉矩,使發電機保持與系統同步。在短路故障被清除以后,發電機轉子轉速受系統頻率振蕩的影響將導致發電機出口電壓在 AVR的整定值上下波動。

勵磁控制是用來防止不被允許的工況強加于發電機上。這是帶有過勵和欠勵限制功能的 AVR控制。過勵控制可防止 AVR試圖提供超過了系統能提供的或發電機磁場能承受的更多的勵磁電流。過勵控制必須在發電機過電壓保護動作前限制勵磁電流。欠勵限制可防止 AVR降低勵磁到導致發電機有失去同步的危險低水平,防止超出機械欠磁承受力或因為超出失磁保護設置而跳閘。過勵和欠勵限制功能是為了防止發電機超出其額定功率 MW或MVAR(見圖 2)運行。該有功功率 MW和無功功率MVAR的向量之和與視在功率 MVA值相等。發電機通過控制轉子和定子繞組的電流來控制其正常運行方式(過勵)。在欠勵運行方式下,發電機通過從系統吸收無功功率來控制系統側的高電壓。

圖2 過勵和欠勵限制功能作用示意

3 發電機靜態穩定性

當電廠輸電到負荷中心的輸電線路太少時,靜態穩定會變得不穩定。當負荷中心和一個遠端發電廠之間的電壓相角(兩個電壓向量之間的夾角)增至 90°以上時,可傳輸的電能會減少,電力系統會變得不穩定,且通常解列成幾個孤網。如果有很多在負荷中心和發電廠之間的線路跳閘,這兩點之間的電抗會增加到一個可供傳輸的但不足以維持同步的最大電能點。在不穩定的狀態下,發電機可能會磁極滑動并失去同步。由于跳閘的輸電線路增加了負荷中心與偏遠的發電廠之間的電抗,電勢衰減和靜態穩定不穩定可同時發生。

4 失磁保護

失磁保護需要與靜態穩定、發電機容量以及欠勵限制相協調。為降低系統的高電壓,發電機須在欠勵工況下運行,并從電力系統中吸收無功功率。這一點在一個大型系統發生振蕩并解列成幾個孤網時尤其明顯。重要的是,發電機可吸收無功來調節系統的電壓。發電機吸收無功的能力可以從發電機容量曲線中看出。發電機欠勵限制必須設置為在發電機容量曲線中可持續運行(見圖 2)。失磁保護必須設置為允許發電機在欠勵工況下運行。

同步發電機部分或全部失磁都不利于發電機及與其相連的電力系統。這種狀況必須盡快被檢測出來,并從電力系統中隔離以避免損壞發電機。失磁狀況若未被檢測出,則會大量消耗無功功率,從而對電力系統造成破壞性影響。一臺大型發電機失磁導致的無功損耗,會造成電力系統電壓下降。當發電機失去勵磁,它就會像異步發電機一樣運行,由于轉子滑環引起的渦流,轉子和阻尼條的溫度也會迅速增加。供給發電機磁場繞組的直流供電回路短路、磁場繞組短路或勵磁系統斷路器不慎跳閘都會引發失磁。當失磁發生時,來自電力系統的高無功電流就會流經發電機,從而導致其定子繞組過載。

最廣泛使用的檢測發電機失磁的方法是使用阻抗繼電器來檢測發電機出口的阻抗變化。兩段式阻抗繼電器的檢測方法被廣泛用于提供快速檢測。這種繼電器安裝在發電機的出口。它可以測量發電機的電流和電壓,并計算出由此產生的發電機終端阻抗。繼電器特性曲線在 R-X(電阻 -電抗)圖上是一個圓。當終端阻抗軌跡(由失磁繼電器監測到的)進入該圓,失磁保護繼電器切機。有兩種基本保護設計類型,圖 3顯示的是使用最為廣泛的一種。由圖 3可以看出,當阻抗軌跡 1從失磁點進入這些區域之一,繼電器就切機。

失磁繼電器由 2個偏移的阻抗特性(1區和 2區)組成。阻抗圓直徑等于發電機同步電抗并向下偏移。發電機暫態電抗的一半作為保護的第2區。

第2區保護動作將延遲 30至 45個周期,以防止在暫態振蕩中誤操作。第2個繼電器區(1區)是以標幺值為 1的同步電抗(各臺發電機)為直徑,同樣以發電機暫態電抗的一半為偏移量。第1區操作有幾個周期的延遲,并且能更迅速地檢測到一部分失磁工況。當同步電抗小于或等于標幺值為 1的同步電抗(各臺發電機)時,只有 2區投入,且設置成圓直徑等于標幺值為 1的同步電抗(各臺發電機)。

圖2為一個發電機有功 -無功性能參數圖。該資料各制造廠都會提供。發電機失磁繼電器檢測阻抗,因此這些繼電器特性都顯示在 R-X圖上。為協調發電機容量與失磁繼電器,必須將容量曲線和勵磁控制轉換到 R-X圖或將阻抗繼電器設置到有功 -無功性能參數圖上。

此外,還需核查這種情況,即一般由輸電系統短路引起的在瞬變過程中的阻抗軌跡不回轉到失磁繼電器動作的阻抗特性區域內造成的穩態系統暫態誤跳閘。這就要求進行計算機暫態穩定研究,一般是由發電廠的系統工程師進行規劃。

5 結 語

發生在大型電力系統振蕩中的發電機保護誤動作突顯了改進發電機保護與發電機控制之間協調的必要性。本文提供了有實踐經驗的指導,特別是明確提出發電機保護與發電機滿負荷運行容量以及發電機靜態穩定之間必須協調。繼電保護的設置是一門藝術,也是一門科學。上述討論的協調方法已為行業實踐公認。盡管如此,其他可以達到相同目的的方法也可以被采用。在大型系統發生振蕩時保持發電機并網運行是一個重要目標,它需要發電機保護與發電機控制的良好協調。