大中型發(fā)電機轉(zhuǎn)子過勵限制與過負荷保護控制策略及配合研究

余 振，邵宜祥，黃 志，張 寅，王 嘯

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大中型發(fā)電機轉(zhuǎn)子過勵限制與過負荷保護控制策略及配合研究

余 振，邵宜祥，黃 志，張 寅，王 嘯

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年來，伴隨我國用電負荷不斷增長，大中型電機在電網(wǎng)中所占比例越來越大。目前對于大中型電機轉(zhuǎn)子過勵限制和過負荷保護的研究一般局限于各自過流動作值的整定，而限制與保護定值的配合往往被忽略。同時對于電機運行過程中，轉(zhuǎn)子繞組載流溫升特性并未深入研究，給大中型電機的安全運行帶來隱患。微機勵磁系統(tǒng)一般配置頂值電流限制器，其控制策略及其與過勵限制和過負荷保護的配合目前并無文獻涉及。本文探討了轉(zhuǎn)子溫升特性，在此基礎(chǔ)上，提出勵磁改進型轉(zhuǎn)子過勵限制、勵磁頂值電流限制控制策略，并進行了仿真，對指導(dǎo)發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵磁與保護參數(shù)整定工作具有重要意義。

大中型發(fā)電機；轉(zhuǎn)子溫升特性；過勵限制；頂值電流限制；過負荷保護

0 前言

為保障電機安全運行，防止電機轉(zhuǎn)子因過流而過熱燒損，微機勵磁系統(tǒng)一般配置轉(zhuǎn)子過勵限制器和頂值電流限制器；同時，發(fā)變組保護配置過負荷保護跳閘功能。

受現(xiàn)場試驗條件限制，勵磁技術(shù)人員一般根據(jù)發(fā)變組保護轉(zhuǎn)子過負荷曲線整定勵磁轉(zhuǎn)子過勵限制曲線。目前已有不少文獻論述兩者之間的配合關(guān)系[1-3]，但普遍僅說明了轉(zhuǎn)子過勵限制動作曲線的整定，并未考慮到調(diào)整過程中轉(zhuǎn)子溫升特性及其與勵磁頂值電流限制器的配合問題。故本文探討了轉(zhuǎn)子溫升特性，在此基礎(chǔ)上，提出勵磁改進型轉(zhuǎn)子過勵限制和頂值電流限制控制策略，及其與過負荷保護的有效配合方式，并進行了仿真，對指導(dǎo)發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵磁與保護參數(shù)整定工作具有重要意義。

1 轉(zhuǎn)子溫升特性

電機部件內(nèi)溫度及其分布，除與其自身材料性質(zhì)相關(guān)之外，主要依賴于熱源和散熱情況[4-5]。文獻[5]研究表明，在保證電機良好散熱條件下，熱源對溫度的影響集中反映在電損耗上，表述如式（1）所示：

當電機散熱能力達到飽和后，轉(zhuǎn)子溫升與載流損耗關(guān)系見式（3）：

2 過勵限制整定及其與保護配合

2.1 過勵限制整定

轉(zhuǎn)子過勵限制動作曲線應(yīng)與電機溫升特性一致，滿足式（4）的要求，故有：

一般有，汽輪發(fā)電機（隱極）的轉(zhuǎn)子發(fā)熱時間常數(shù)和水輪發(fā)電機（凸極）的轉(zhuǎn)子發(fā)熱時間常數(shù)分別為[6-7]：

圖1給出了汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子過勵限制動作曲線。

圖1 汽輪發(fā)電機與水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子過勵限制動作曲線

一般而言，同等過電流倍數(shù)條件下，水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子短時耐受過電流能力約為汽輪發(fā)電機的2倍。

2.2 過勵限制與過負荷保護配合

電機轉(zhuǎn)子過負荷保護與過勵限制本質(zhì)上均是考慮轉(zhuǎn)子載流耐受能力，保護電機轉(zhuǎn)子繞組避免長時過流運行，過熱燒損，其整定原理一致，均應(yīng)符合如公式（5）所描述的反時限特性[8-10]。

電機轉(zhuǎn)子過負荷保護特性如下：

轉(zhuǎn)子過勵限制與過負荷保護的配合整定計算示例如下：

圖2為典型汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過勵限制與保護動作曲線整定示意圖。如圖所示，當電機轉(zhuǎn)子繞組過載時，系統(tǒng)應(yīng)滿足勵磁限制先動，保護后動的邏輯，動作時間應(yīng)滿足級差要求[11]。

圖2 轉(zhuǎn)子過勵限制與保護動作曲線

3 過勵限制控制策略

3.1 過勵限制電流調(diào)節(jié)特性

轉(zhuǎn)子過勵限制是在勵磁系統(tǒng)提供強勵的同時，為防止電機轉(zhuǎn)子繞組長時間過熱造成磁極燒損而設(shè)計。圖3給出了電機轉(zhuǎn)子過勵限制的控制策略流程圖。

圖3 轉(zhuǎn)子過勵限制控制策略

過勵限制動作時，一般可認為系統(tǒng)受到大的擾動，等效為進行大電流階躍試驗。對勵磁系統(tǒng)控制模型和調(diào)節(jié)參數(shù)提出了較高要求，勵磁調(diào)節(jié)速度需足夠快以防轉(zhuǎn)子過負荷保護誤動作，同時須避免轉(zhuǎn)子載流下降太快引起系統(tǒng)振蕩。

（1）I?[1.05p.u.，I]時，滿足：

（2）I?[I，1.05p.u.]時，滿足：

3.2 仿真驗證

在全數(shù)字實時仿真技術(shù)（RTDS）平臺上進行轉(zhuǎn)子過勵限制試驗予以驗證。

試驗過程如下：

（1）電機負荷穩(wěn)定，校核其電氣參數(shù)，勵磁電流為0.94p.u.，機端電壓為1.0p.u.；

（2）根據(jù)實際情況臨時設(shè)置過勵限制器參數(shù)如下：Ilimhot=1.05p.u.，lim=30，I=0.9p.u.；

（3）進行20%機端電壓上階躍試驗，觀察轉(zhuǎn)子電流變化情況。

圖4 轉(zhuǎn)子過勵限制電流調(diào)節(jié)特性

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在過勵限制動作后，轉(zhuǎn)子載流由初始值下降到1.05p.u.的動態(tài)調(diào)節(jié)時間小于0.5s，滿足機組運行中，轉(zhuǎn)子過勵限制動作而轉(zhuǎn)子過負荷保護拒誤動的快速性要求，同時，增強了勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 頂值電流限制控制策略

4.1 頂值電流限制器電流調(diào)節(jié)特性

轉(zhuǎn)子頂值電流限制器是為防止電機轉(zhuǎn)子繞組過磁通引起磁極嚴重磁化損壞而設(shè)計。為了能將勵磁電流快速而穩(wěn)定地控制在要求范圍之內(nèi)，在設(shè)計頂值電流限制器功能時，采用如下策略：

圖5 頂值電流限制控制策略

4.2 仿真驗證

試驗過程如下：

（1）電機負荷穩(wěn)定，勵磁電流為0.952p.u.，機端電壓為1.0p.u.；

（2）根據(jù)實際情況臨時設(shè)置勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)如下：I=2.0p.u.，Ilim=1.86p.u.；

（3）進行20%機端電壓上階躍試驗驗證頂值電流限制動態(tài)特性。

圖6 頂值電流限制器電流調(diào)節(jié)特性

5 過勵限制與頂值電流限制配合

5.1 過勵限制與頂值電流限制定值配合

轉(zhuǎn)子過勵限制與頂值電流限制都是以保護電機轉(zhuǎn)子繞組為目的，但是兩者的保護機理、動作特性和控制結(jié)果不同，這就要求兩者配合運行，尤其是切換過程中轉(zhuǎn)子電流不能出現(xiàn)大的擾動。

5.2 仿真驗證

試驗過程如下：

（1）電機負荷穩(wěn)定，校核其電氣參數(shù)，勵磁電流為0.952p.u.，機端電壓為1.0p.u.；

（2）根據(jù)實際情況臨時設(shè)置過勵限制器和頂值電流限制器參數(shù)如下：

Ilimhot=1.05p.u.，I=0.9p.u.，lim=30，I=2.0p.u.，Ilim=1.86p.u.；

（3）進行20%機端電壓上階躍試驗，觀察頂值電流限制與轉(zhuǎn)子過勵限制的配合情況。

圖7 轉(zhuǎn)子過勵限制與頂值電流限制配合

仿真表明，過勵限制動作后，轉(zhuǎn)子載流從1.86p.u.下降到1.05p.u.的過渡時間約為0.4s，滿足圖2轉(zhuǎn)子過勵限制與過負荷保護時間差裕度的要求。同時，在整個調(diào)節(jié)過程中，頂值電流限制可靠動作，無電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)非正常往復(fù)互切現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子過勵限制動作后，轉(zhuǎn)子載流平穩(wěn)快速調(diào)節(jié)，滿足保護拒誤動和避免系統(tǒng)振蕩的雙重要求。

6 結(jié)語

本文對電機轉(zhuǎn)子溫升特性進行了研究，在此基礎(chǔ)上提出了轉(zhuǎn)子過勵限制和頂值電流限制控制策略，探討了頂值電流限制與過勵限制的定值配合方式，并進行仿真研究其暫態(tài)電流調(diào)節(jié)特性，驗證了轉(zhuǎn)子過勵限制及頂值電流限制控制策略的正確性及有效性，對指導(dǎo)發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵磁與保護參數(shù)整定工作，增強電網(wǎng)電源穩(wěn)定性具有重要意義。

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Study of the Control Strategy of Rotor Over-excitation Limit and Over-current Protection Applied to Large and Medium Generator

YU Zhen, SHAO Yixiang, HUANG Zhi, ZHANG Yin, WANG Xiao

(NARI Technology Co., Ltd., Nanjing 211106, China)

Recently, with the increasing growth of electricity load, the proportion of large and medium generator in power system is growing in our country. The study of rotor over-excitation limit and over-current protection applied to large and medium generator is restricted to setting over-current-curve value. Yet, whether the value is reasonable or not, the rotor thermal properties in the adjusting process is seldom mentioned, bringing certain hidden risks to the large and medium generator. The excitation system is usually equipped with maximum current limit, while the control strategy and its coordination with over-excitation limit and over-current protection have not been researched. In this paper, the relationship between rotor power-loss and rotor thermal properties is discussed, and on this basis, the approved control strategy and effective cooperation of over-excitation limit, maximum current limit and over-current protection is proposed, which can be used to guiding parameter settings during actual production, improving reliability and safety of electrical systems.

large and medium generator; rotor thermal properties; over-excitation limit; maximum current limit; over-current protection

TM301.2

A

1000-3983(2018)01-0048-05

2017-08-10

余振（1983-），2015年6月畢業(yè)于河海大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事發(fā)電機勵磁相關(guān)技術(shù)的研究，高級工程師。