張建濤，胡 剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行仿真分析

張建濤，胡 剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

指出汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行可以減小起停機(jī)成本，而且對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。采用Simulink軟件搭建了汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的仿真模型，仿真得到了勵(lì)磁回路短路和開(kāi)路兩種失磁情況下的電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，為汽輪發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)及運(yùn)行控制提供了依據(jù)。

汽輪發(fā)電機(jī)；失磁；異步運(yùn)行；仿真

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行，是指發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后仍輸出一定的有功功率，以低轉(zhuǎn)差率與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的一種特殊運(yùn)行技術(shù)。發(fā)電機(jī)突然地部分或全部失磁，是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路常見(jiàn)的故障之一。大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的種類很多，其中以誤操作、檢修維修不良、失磁保護(hù)誤動(dòng)作等居多。多數(shù)失磁故障是能夠快速排除的。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)失磁故障時(shí)，若能允許短時(shí)異步運(yùn)行，電氣人員便可藉此機(jī)會(huì)尋找失磁原因，迅速消除失磁故障，恢復(fù)勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)再同步，恢復(fù)電機(jī)正常運(yùn)行[1-3]。

當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后，如果采取立即解列以至停機(jī)的措施，并不是最好的方法。對(duì)于大容量的機(jī)組，突然切機(jī)、甩負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是不利的，對(duì)發(fā)電機(jī)本身的壽命也是有影響的。如果發(fā)電機(jī)所處的電網(wǎng)，有一定的無(wú)功儲(chǔ)備，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行不會(huì)危機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定，也不會(huì)影響電機(jī)本身的安全運(yùn)行，則可以允許發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行一段時(shí)間。這對(duì)于減少用戶停電、確保供電可靠、提高電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行是具有重要意義的[3]。

20世紀(jì)80年代，在電科院的指導(dǎo)和推動(dòng)下，以試驗(yàn)研究所為主，聯(lián)合調(diào)度部門、發(fā)電廠共同配合，并邀請(qǐng)高等院校參加，在一批100 MW、125 MW和200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行了失磁異步運(yùn)行試驗(yàn)，積累了很多經(jīng)驗(yàn)和研究成果。“七五”期間，哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)所對(duì)國(guó)產(chǎn)化300/600 MW汽輪發(fā)電機(jī)失磁后異步運(yùn)行進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)手段限制，采用了很多的假設(shè)，比如發(fā)電機(jī)鐵磁材料的非線性、定子結(jié)構(gòu)形式等。近年來(lái)，有些高校采用機(jī)網(wǎng)耦合的有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行方面進(jìn)行了研究，但耗時(shí)較長(zhǎng)，不適用于工程應(yīng)用。因此，筆者采用Matlab/Simulink軟件建立汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的仿真模型，分析電機(jī)失磁后的動(dòng)態(tài)行為。

1 失磁異步運(yùn)行的基本原理

由電機(jī)理論可知，汽輪發(fā)電機(jī)的直軸和交軸同步電抗近似相等。當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其輸出電磁功率可用下式表示

其中Pe為電磁功率，U為電網(wǎng)電壓，δ為功角，xd為直軸同步電抗。Ed為勵(lì)磁磁勢(shì)在定子中所感應(yīng)的同步電勢(shì)。

以發(fā)電機(jī)短路失磁為例。在失磁瞬間，轉(zhuǎn)子仍處于同步運(yùn)行狀態(tài)。雖然轉(zhuǎn)子電壓變?yōu)?，但由于磁通不能突變，轉(zhuǎn)子電流將近似地按指數(shù)規(guī)律衰減。于是Ed也逐漸減小，而端電壓與電網(wǎng)保持不變，則發(fā)電機(jī)電磁功率減小。由于原動(dòng)機(jī)所供給的機(jī)械功率不變，故轉(zhuǎn)子逐漸加速，功角隨之增大，以自動(dòng)補(bǔ)償Ed的下降，而使電磁功率Pe與機(jī)械功率Pm保持平衡。這個(gè)過(guò)程可用功角特性曲線加以描述，如圖1所示。失磁后，由于Ed下降，功角特性按1、2、3、4依次下移。顯然，功角特性下降到2時(shí)，電機(jī)尚不會(huì)失步，只是功角δ1由增大到δ2，仍保持Pe與Pm的平衡。當(dāng)功角特性下降到曲線3時(shí)，功角δ增大到靜態(tài)穩(wěn)定極限90°，發(fā)電機(jī)處于臨界失步狀態(tài)。之后，隨著Ed繼續(xù)下降，功角特性繼續(xù)下移如曲線4所示，則原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率大于發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)差率升高，平均異步轉(zhuǎn)矩增大，發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，直至平均異步轉(zhuǎn)矩與輸入機(jī)械功率相等，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行狀態(tài)[1]。

1、2、3、4分別為不同的功角特性曲線，Pm為機(jī)械功率，Pjp為平均異步轉(zhuǎn)矩，s為轉(zhuǎn)差率圖1 發(fā)電機(jī)失磁后功角特性

2 失磁異步運(yùn)行的仿真模型

2.1 基本假設(shè)

采用Simulink軟件建立汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的仿真模型，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，需要做如下假設(shè)：

1) 忽略電機(jī)磁場(chǎng)變化，假定電機(jī)在失磁過(guò)程中電磁參數(shù)保持不變；

2) 不考慮汽缸的調(diào)節(jié)作用，假定失磁過(guò)程中的機(jī)械輸入功率不變；

3) 電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)相連，并且電網(wǎng)無(wú)功容量充足。

2.2 仿真模型

根據(jù)以上假設(shè)，建立汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行

的仿真模型，如圖2所示。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行仿真模型

發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障的類型很多，像開(kāi)路失磁、部分失磁，經(jīng)消弧線圈失磁、短路失磁等。針對(duì)兩種極端情況，即完全開(kāi)路和短路失磁進(jìn)行仿真分析。

發(fā)電機(jī)發(fā)生短路失磁后，轉(zhuǎn)子外施電壓為0，在仿真中可以用階躍變化的電壓信號(hào)模塊實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，而發(fā)生開(kāi)路失磁后，轉(zhuǎn)子電流為0，轉(zhuǎn)子電阻相當(dāng)于無(wú)窮大。根據(jù)這一原則，在勵(lì)磁回路中添加一控制開(kāi)關(guān)，如圖3所示。當(dāng)發(fā)生開(kāi)路失磁后，轉(zhuǎn)子回路接入一外部電阻Rex(Rex=1 000Rf)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)路失磁工況的模擬。

圖3 勵(lì)磁回路模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電機(jī)基本數(shù)據(jù)

以一臺(tái)350 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，分析其發(fā)生失磁故障后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，表1為電機(jī)基本數(shù)據(jù)。

表1 電機(jī)基本數(shù)據(jù)

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述仿真模型，可以仿真不同失磁情況的電機(jī)動(dòng)態(tài)性能。圖4為帶額定負(fù)載時(shí)發(fā)生短路失磁后的異步運(yùn)行情況。失磁前，電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，在5s的時(shí)候轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路失磁。從圖上可以看出，失磁后，發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生波動(dòng)，最大幅值可達(dá)到額定的1.5倍，但平均值基本與額定功率相等。發(fā)電機(jī)由發(fā)出無(wú)功變?yōu)槲諢o(wú)功，定子電流有效值發(fā)生變化，勵(lì)磁電流變?yōu)榻蛔冸娏?，頻率為定子電流波動(dòng)頻率的一半，定子電流達(dá)額定電流的1.28倍。所以失磁后需關(guān)注定子線棒的發(fā)熱情況。功角也在-200°與+200°間波動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速以一定周期波動(dòng)。

圖4 短路失磁仿真結(jié)果

圖5為電機(jī)發(fā)生開(kāi)路失磁后的仿真結(jié)果。電機(jī)故障前帶額定負(fù)載正常運(yùn)行，5 s時(shí)發(fā)生開(kāi)路失磁，轉(zhuǎn)速上升，無(wú)功功率由正變負(fù)，表明從電網(wǎng)吸收無(wú)功來(lái)給電機(jī)勵(lì)磁，在7 s左右電機(jī)已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行階段。故障發(fā)生后，電流、功率及轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大，波動(dòng)周期較短路失磁的小，機(jī)組運(yùn)行很不穩(wěn)定。因此，發(fā)生開(kāi)路失磁后，需要減小汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，降低電機(jī)輸出。

圖5 開(kāi)路失磁仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

筆者采用Simulink軟件，構(gòu)建了汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的仿真模型，仿真得到了勵(lì)磁回路短路和開(kāi)路兩種失磁情況下的電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，得出結(jié)論如下：

1) 由于發(fā)生失磁后，電機(jī)有功功率、轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，需要迅速減小有功輸出，以免引起電機(jī)振動(dòng)過(guò)大；

2) 由于失磁后電機(jī)由發(fā)出無(wú)功變?yōu)槲諢o(wú)功，需要注意電網(wǎng)中無(wú)功功率容量是否足夠，以免拉低電網(wǎng)電壓；

3) 電機(jī)失磁異步運(yùn)行后，相當(dāng)于進(jìn)入進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，端部發(fā)熱嚴(yán)重，需要關(guān)注邊端鐵心發(fā)熱情況。

[1] 姚晴林.同步發(fā)電機(jī)失磁及其保護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[2] 周德貴, 鞏德林. 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行技術(shù)與實(shí)踐[M].2版.中國(guó)電力出版社, 1995.

[3] 汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000.

·信息點(diǎn)滴·

能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代清潔能源裝備前景廣闊

能源互聯(lián)網(wǎng)是解決國(guó)家能源環(huán)保命題的必由之路，其領(lǐng)域主要可以包括傳統(tǒng)煤電燃?xì)獾那鍧嵏咝Ю谩⒏吆哪軇?dòng)力設(shè)備裝置的節(jié)能降耗、風(fēng)電光伏可再生能源的利用、分布式能源的廣泛利用、新能源汽車和儲(chǔ)能的應(yīng)用、電力系統(tǒng)的智能化互聯(lián)網(wǎng)化。

從特定意義上說(shuō)，所謂能源互聯(lián)網(wǎng)就是把以上六者有機(jī)串聯(lián)融合起來(lái)的紐帶。能源互聯(lián)網(wǎng)是個(gè)價(jià)值經(jīng)濟(jì)體: 安全穩(wěn)定、可靠高效、節(jié)能環(huán)保。構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，針對(duì)當(dāng)前能源利用現(xiàn)狀，國(guó)家電網(wǎng)公司董事長(zhǎng)、黨組書記劉振亞指出，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)最需要加快能源變革、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而完成這兩點(diǎn)最根本的出路是實(shí)現(xiàn)清潔替代和電能替代。清潔替代要求未來(lái)清潔能源代替化石能源，而電能替代則要求在能源消費(fèi)模式上實(shí)現(xiàn)以電代煤、以電代油。“清潔能源、新能源、可再生能源是未來(lái)能源行業(yè)的主力軍，取代傳統(tǒng)能源是大勢(shì)所趨，積極發(fā)展清潔能源對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型有巨大幫助?！睂＜曳治霰硎?。同時(shí)，清潔能源項(xiàng)目能夠帶動(dòng)大量基礎(chǔ)設(shè)備產(chǎn)業(yè)投資、拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，并能有效降低環(huán)境污染、為環(huán)保工作作出巨大貢獻(xiàn)。

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國(guó)家能源局局長(zhǎng)吳新雄在2014年全國(guó)能源工作會(huì)議上曾強(qiáng)調(diào)，2014年國(guó)家能源局將大力發(fā)展清潔能源，促進(jìn)能源綠色發(fā)展。

專家建議，未來(lái)我國(guó)裝備業(yè)的出口仍將面臨較大的壓力。因?yàn)殡S著國(guó)外的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移或者升級(jí)，更多的高能耗或者高污染、有重大危險(xiǎn)源的裝備制造，要么被淘汰，要么向國(guó)外轉(zhuǎn)移，會(huì)使市場(chǎng)的需求度降低，因此國(guó)內(nèi)的裝備制造業(yè)應(yīng)該向高端化發(fā)展，加大清潔能源裝備的開(kāi)發(fā)力度，形成水電、核電、燃?xì)?、風(fēng)電、太陽(yáng)能“新五電”并舉的清潔能源裝備研制能力。要不斷開(kāi)拓進(jìn)取，力爭(zhēng)有更大的作為，讓新能源裝備成為拉動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。建議政府財(cái)政撥款建立“清潔技術(shù)與新能源裝備發(fā)展基金”，主要用于開(kāi)發(fā)所需科研費(fèi)用補(bǔ)貼，支持中小企業(yè)投資清潔技術(shù)與新能源裝備。

20140404

張建濤，女，1983年生，2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及電機(jī)電磁場(chǎng)分析。