1000MW水輪發電機并網運行暫態穩定性問題研究

曹雪蘭 王二軍

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

1000MW水輪發電機并網運行暫態穩定性問題研究

曹雪蘭 王二軍

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

本文首先根據1 000MW水輪發電機設計數據建立二維有限元模型，然后將有限元模型經500kV升壓變壓器和一段150km的架空輸電線路接入無窮大電網，由此構成并網運行機-場-網耦合模型。最后，利用時域仿真法分別對是否考慮機組自動調節作用兩種情況下，4種典型的短路故障發生在發電機機端或線路末端時，1 000MW水輪發電機組的暫態穩定性能進行仿真，得到不同工況下不同故障發生時1 000MW水輪發電機能夠保持暫態穩定的故障極限切除時間。所得結論可以為1 000MW水輪發電機初步設計數據的優化、保護方案的確定以及后期實際運行提供可供參考的依據。

1 000M水輪發電機；暫態穩定性；時域仿真法

巨型水輪發電機是未來我國水電資源開發利用的必然趨勢，是實現又好又快開發和利用水電的重要途徑。1 000MW水輪發電機組目前世界上尚未有投產運行的先列，其相關技術問題仍然尚待研究解決［1］。為了保證電力系統的安全穩定可靠運行，大型同步發電機組的運行穩定性是運行過程中必須首要關心的問題。本文就是在此背景下，提出對1 000MW水輪發電機并網運行過程中的暫態穩定性進行仿真分析。利用時步有限元方法，建立由1 000MW水輪發電機有限元模型、變壓器及輸電線路構成的機-場-網耦合模型，從場路耦合的角度出發進行仿真分析，得到了發生不同短路故障時的故障極限切除時間。

11 000MW水輪發電機場路耦合模型的建立

1.11 000 MW水輪發電機二維有限元模型

1 000 MW水輪發電機尺寸巨大，以正在規劃建設中的某大型水電站為分析對象，其主要額定參數如表1所示［2］。

在二維有限元模型建立以及求解過程中，考慮到該機組容量達到1 000MW且尺寸巨大，做以下合理假設，以減少仿真運算過程中所需時間［3］：①電機磁場作二維場處理，矢量磁位沿發電機轉子軸向分布不變；②考慮到多凸級發電機結構的對稱性及磁場的周期性，取一個磁極作為求解區域即可，可以大幅減少運算量；③忽略鐵心及導體位移電流，認為求解區內電磁場為近似穩定場；④忽略遲滯效應，認為鐵磁材料為各向同性。圖1為巨型水輪發電機組有限元求解域。

圖2 1000MW水輪發電機并網運行機-場-網耦合模型

圖3 發電機轉速及勵磁自動調節仿真電路

表1 巨型水輪發電機組部分主要額定參數

圖1 1000MW水輪發電機求解域

利用有限元法分析巨型水輪發電機內電磁場分布情況，并進一步分析發電機運行性能過程，在求解域內，可以用以下二維泊松方程來描述矢量磁位Az［4］：

式（1）中，Az（t）為矢量磁位在t時刻的縱軸（z軸）分量；Jz（t）為內部磁場的源電流密度；μ為鐵磁材料的磁導率。

1.21 000 MW水輪發電機并網運行場路耦合模型

將上述二維泊松方程、水輪發電價定子、轉子繞組回路，以及轉子阻尼繞組回路的電路方程聯立，可得到巨型發電機的機-場-網耦合形式的時步有限元方程，如下式所示［4］：

式（2）中各關聯矩陣中的具體元素在文獻［4］中進行了詳細介紹，其中Cd1、Dd1表示轉子阻尼繞組導條電流對磁場作用的系數矩陣，K為剛度矩陣。

后差分歐拉法為求解有限元方程常用方法，進行離散求解，結合發電機轉子機械運動方程：

經過計算可得，發電機發生不同類型故障或者改變運行方式等暫態過渡過程中的動態響應特性。

1.31 000 MW水輪發電機場路耦合仿真模型

在給出場路耦合模型數學基礎的前提下，本文建立了巨型水輪發電機機-場-網耦合仿真模型，將該有限元模型經500kV升壓變和150km的雙回架空輸電線路連接至無窮大電力系統。模型中，升壓變壓器參數參考了與大型汽輪發電機配套使用的升壓變參數［5］，500kV輸電線路參數參考了相關文獻中對500kV輸電線路進行測試的測試結果［6］，所參考的數據具有實用價值。

具體的仿真模型如圖2所示，機-場-網耦合仿真模型中調用Matlab/simulink中控制模塊可實現勵磁調節和原動機功率自動調節，調節方法如圖3仿真電路所示，通過實時監測端電壓的動態變化，并將其反饋給發電機勵磁調節模塊，實現對發電機端電壓的連續快速調節。

2 發生三相短路故障時暫態穩定性

在綜合考慮計算量和計算精度的要求下，取仿真步長為0.000 5s；接地電阻取為0.001Ω，對1 000MW水輪發電機額定運行過程中突然發生三相短路時的幾種情況進行仿真分析。

2.1 線路末端故障時不考慮調節時暫態穩定性

假設巨型水輪發電機在額定運行時，于仿真時刻第3秒時線路末端發生三相短路，故障持續0.424 5s后切除故障時仿真波形如圖4（a）所示，故障持續0.425 0s后切除故障時仿真波形如圖4（b）所示，即分別于3.424 5s或3.425 0s時切除故障，可得發電機電角速度的響應曲線如圖4所示。

圖4 線路末端三相短路故障不考慮調節作用時仿真波形

對以上仿真結果進行深入分析，取仿真步長為0.000 5s時，線路末端發生三相短路并且不考慮機組的自動調節作用時，機組暫態穩定所允許的故障極限切除時間為0.424 5s。

2.2 線路末端故障時考慮調節時暫態穩定性

假設巨型水輪發電機在額定運行時，于仿真時刻第3秒時線路末端發生三相短路，故障持續0.455 5s后切除故障時仿真波形如圖5（a）所示，故障持續0.456 0s后切除故障時仿真波形如圖5（b）所示，即分別于3.455 5s或3.560s時切除故障，可得發電機電角速度的響應曲線如圖5所示。

圖5 線路末端三相短路故障考慮調節作用時仿真波形

對以上仿真結果進行深入分析，取仿真步長為0.000 5s時，線路末端發生三相短路并且考慮機組的自動調節作用時，機組暫態穩定所允許的故障極限切除時間為0.455 5s。

3 發生其他類型短路故障時暫態穩定性

采用相同的方法，對發生其他類型的短路故障時進行仿真分析，通過大量的仿真分析，可得不同故障時的故障極限切除時間如表2所示。

從表2可以看出，發生幾種常見短路故障時，巨型水輪發電機組轉速發生較長時間持續振蕩，但并未失步的現象，分析原因主要為：①幾種故障持續期間，發電機電磁功率雖然發生了大幅振蕩，因機組的轉動慣量巨大，轉速變化緩慢，并且在發電機功率振蕩過程中，平均功率仍維持在額定輸出功率點附近，因此并未引起發電機失步，而是發生較長時間持續大幅震蕩；②所建立的機-場-網耦合仿真模型為水輪發電機并入無窮大電網，故障發生時故障點所消耗的故障功率大部分為無窮大電網提供，其與電力系統中保護裝置未能將某處發生的故障及時清除隔離，也不至于將聯入系統的所有的發電機解列的事實相符合；③機-場-網耦合仿真模型中，充分考慮了發電機勵磁調節器和轉速調節器的調節作用，發生故障時引起發電機通過勵磁調節降低發電機機端電壓系統進行強勵。另外，仿真模型中轉速調節器很好地仿真了水輪機根據發電機輸出有功功率的變化情況自動進行水門調節的運行工況，因此一定程度上保證了系統的暫態穩定性得以提高。

表2 不同故障情況時的故障極限切除時間

4 結論

所建立的機-場-網耦合模型和傳統的穩定性分析時所采用的模型相比，充分考慮了鐵磁材料飽和，磁極偏心等發電機本體因素，可以更準確地反應工程實際問題，更準確地估計1 000MW巨型水輪發電機的運行性能。在此基礎上，通過大量仿真，得到了不同工況、不同故障發生時的故障極限切除時間。所得結論對巨型水輪發電機組的繼電保護裝置設計、并網調試試驗及大電網機網協同調度等其他方面同樣具有重要的參考價值。

［1］哈爾濱大電機研究所.1000MW水輪發電機組設計制造關鍵技術研究［A］//李菊根.大型水輪發電機組技術論文集［C］.北京：中國水力發電工程學會，2008：23-26.

［2］陳剛，馮真秋.白鶴灘水電站1000MW水電機組設計方案［A］//李菊根.大型水輪發電機組技術論文集［C］.北京：中國水力發電工程學會，2008：8-12.

［3］胡笳，羅應立，劉曉芳，等.汽輪發電機時步有限元計算參數對大擾動仿真結果的影響［J］.中國電機工程學報，2009 （27）：59-66.

［4］胡敏強，黃學良.電機運行性能數值計算方法及其應用［M］.南京：東南大學出版社，2003.

［5］李峰，李文平，宋秀生，等.1000MW超超臨界發電機組配套主變壓器的研制［J］.電力設備，2006（11）：8-10.

［6］盧明，馬林，張科，等.500kV架空輸電線路線路參數的測量與分析［J］.河南電力，2003（1）：5-7，32.

Research on the Transient Stability of 1 000MW Hydro-generator when Working with Power Grid Connected

Cao XuelanWang Erjun
（XJ Electric Limited by Share Ltd，Xuchang Henan 461000）

In this paper,1 000 MW hydro-generator was expressed as a two-dimensional finite element model firstly, and then,the field-circuit coupling model of 1 000 MW hydro-generator was established,the field-circuit coupling model was established by connecting the generator model to power grid through a 500 kV transformer and 150 km transmission line.Finally,for two cases of short-circuit faults locating at generator terminal(GT)or the end of transmission line(EOL),1 000 MW hydro-generator operation transient stability was analyzed and calculated based on field-circuit coupling model by using time-domain simulation method.For different conditions,fault clearing time limit was obtained by simulation.The conclusion is helpful to the optimization of preliminary design data,the determination of protection scheme and the practical operation for 1 000 MW hydro-generator.

1 000 MW hydro-generator；transient stability；time-domain simulation method

TM312

A

1003-5168（2017）04-0092-04

2017-03-09

曹雪蘭（1975-），女，工程師，研究方向：微機保護的研究、開發和市場工作。