蔣 琛, 劉亞南, 唐一銘,曹海歐, 韓葉松
( 1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211102;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京210029;3. 江蘇國(guó)信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司,江蘇 揚(yáng)州225131)
目前,江蘇省內(nèi)新建汽輪發(fā)電機(jī)組出線多采用“同桿并架”的設(shè)計(jì)方式,可以節(jié)省大量投資。但當(dāng)對(duì)側(cè)變電站發(fā)生母線故障或者線路開關(guān)偷跳時(shí),將直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組功率無(wú)法送出,此時(shí)若發(fā)電廠未設(shè)置功率突降保護(hù)或超速保護(hù)不動(dòng)作,極易造成汽輪機(jī)超速、發(fā)電機(jī)變壓器組過電壓等惡劣后果,這對(duì)發(fā)電廠安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。因此,功率突降保護(hù)裝置被廣泛應(yīng)用以解決該問題[1-3]。
隨著國(guó)內(nèi)大型機(jī)組日趨增多,發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的聯(lián)系也越來越緊密。如何提高機(jī)組和電網(wǎng)發(fā)生異?;蚬收蠒r(shí)機(jī)網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)能力,提高電廠繼電保護(hù)、熱工技術(shù),提升設(shè)備的穩(wěn)定性就成了發(fā)電技術(shù)的一個(gè)新課題[4-7]。
文中針對(duì)江蘇某電廠送出線路區(qū)外故障,引起功率振蕩,導(dǎo)致機(jī)組全停事件進(jìn)行原因分析,闡述防范措施,為解決國(guó)內(nèi)機(jī)組可能存在的類似隱患提供了合理化建議和改進(jìn)思路。
江蘇某電廠2臺(tái)600 MW機(jī)組正常運(yùn)行,升壓站采用雙母線接線方式,送出線為4條220 kV線路,母聯(lián)開關(guān)正常合環(huán)運(yùn)行。機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digital electric hydraulic control system,DEH)采用西門子T3000控制系統(tǒng),通過數(shù)字計(jì)算機(jī)、電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、高壓抗燃油系統(tǒng)和油動(dòng)機(jī)控制汽輪機(jī)主汽門、調(diào)節(jié)汽門的開度,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的實(shí)時(shí)控制。
機(jī)組送出線路區(qū)外,電網(wǎng)某處發(fā)生B相接地故障,30 ms后單相接地消失,之后120 ms衍變?yōu)槿喽搪贰R蚬收暇€路未裝設(shè)全線速動(dòng)保護(hù),故三相故障后后備距離保護(hù)II段延時(shí)300 ms才動(dòng)作切除故障,致使整個(gè)故障持續(xù)時(shí)間為450 ms。
因三相故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),造成電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)較大,波動(dòng)過程持續(xù)3個(gè)周期,歷時(shí)2.67 s左右。系統(tǒng)波動(dòng)造成發(fā)電機(jī)機(jī)端二次相電壓最低至36 V(額定電壓的62%)左右,主變高壓側(cè)二次相電壓最低至26 V(額定電壓的45%)左右。整個(gè)過程中發(fā)電機(jī)端二次電壓的最大變化幅度超過27 V,主變高壓側(cè)二次電壓的最大變化幅度超過40 V。發(fā)電機(jī)端二次電流最高達(dá)到8.8 A(額定電流為4.23 A),超過額定電流2倍。
在機(jī)端電壓波動(dòng)過程中,廠用電電壓也隨之波動(dòng),使鍋爐給煤機(jī)跳閘,導(dǎo)致鍋爐主燃料跳閘(main fuel trip,MFT)。此外,因發(fā)電機(jī)功率變送器存在傳變周期與DEH刷新頻率不匹配且波形畸變的情況,故系統(tǒng)振蕩時(shí),滿足汽機(jī)快控功能(又稱負(fù)荷干擾控制功能,簡(jiǎn)稱KU)動(dòng)作條件,使得調(diào)門快速關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組有功功率降至發(fā)電機(jī)額定功率的12%以下時(shí),功率突降保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。
給煤機(jī)變頻器控制回路電源使用廠用400 V系統(tǒng),由變比為380 V/115 V的穩(wěn)壓變供電。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相故障時(shí),因發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降到額定電壓的62%,380 V電壓降至236 V,致使給煤機(jī)變頻器控制回路中的1ZJ繼電器線圈電壓降至67 V以下,低于1ZJ繼電器動(dòng)作值(70.2 V),其結(jié)果是變頻器發(fā)給煤機(jī)停運(yùn)信號(hào),5臺(tái)運(yùn)行中的給煤機(jī)同時(shí)發(fā)停運(yùn)信號(hào),致使燃料消失保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)鍋爐MFT,根據(jù)正常爐-機(jī)-電跳閘動(dòng)作邏輯,鍋爐MFT動(dòng)作后啟動(dòng)汽機(jī)跳閘,汽機(jī)跳閘動(dòng)作后,電氣逆功率保護(hù)動(dòng)作全停。
該電廠采用傳統(tǒng)的模擬式有功功率變送器,采集發(fā)電機(jī)電壓、電流量,利用時(shí)分割乘法器原理產(chǎn)生模擬量功率信號(hào)[8-10]。有功功率變送器的功率信號(hào)送至DEH系統(tǒng),作為其測(cè)量及控制的基礎(chǔ)。
由于國(guó)標(biāo)對(duì)于模擬式有功功率變送器的暫態(tài)性能(電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)變送器輸出量的特性)并沒有要求,故變送器產(chǎn)品暫態(tài)性能較差,容易發(fā)生功率畸變[11-12]。畸變?cè)蚩赡苁枪收想娏鬟^大或含有的非周期分量導(dǎo)致變送器內(nèi)小電流互感器飽和,從而使參與計(jì)算的電流量畸變,變送器輸出信號(hào)放大了實(shí)際功率變化值。
由于控制系統(tǒng)波形無(wú)法調(diào)取,故從電廠DEH曲線推斷得:在系統(tǒng)振蕩過程中,發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率的變化并沒有達(dá)到DEH中關(guān)于調(diào)門快控的規(guī)定值,但由于變送器輸出功率畸變,DEH監(jiān)測(cè)到機(jī)組有功功率大于功率跳變限值,誤以為滿足KU觸發(fā)條件(①突然出現(xiàn)負(fù)荷干擾大于負(fù)荷跳變限值,②負(fù)荷控制偏差大于設(shè)定值,兩者同時(shí)滿足),從而導(dǎo)致調(diào)門快速關(guān)閉,發(fā)電機(jī)輸出功率突降。
當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生正功率突降時(shí),若動(dòng)力原因造成突降,則鍋爐及汽機(jī)保護(hù)先動(dòng)作,然后機(jī)跳電邏輯實(shí)現(xiàn)發(fā)變組保護(hù)出口全停;若功率送出系統(tǒng)原因引起功率突降,則由送出系統(tǒng)(一般是線路保護(hù))遠(yuǎn)方投切回路聯(lián)跳發(fā)變組保護(hù)實(shí)現(xiàn)出口全停。
功率突降保護(hù)就是在發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷或者由于輸電線路故障,發(fā)電機(jī)無(wú)法輸出功率時(shí),迅速動(dòng)作關(guān)閉主汽門、滅磁、解列,以防止發(fā)電機(jī)組超速、升壓,從而保證發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)、鍋爐等主設(shè)備安全。該電廠在鍋爐MFT觸發(fā)爐跳機(jī)過程中,功率突降保護(hù)動(dòng)作出口條件滿足,觸發(fā)出口動(dòng)作跳閘,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組安全停機(jī)。
功率突降保護(hù)邏輯判據(jù)分為啟動(dòng)判據(jù)、動(dòng)作判據(jù)、閉鎖條件3部分。
2.3.1 啟動(dòng)判據(jù)分析
當(dāng)發(fā)電機(jī)功率大于保護(hù)投入功率定值時(shí),保護(hù)功能投入。啟動(dòng)判據(jù)由電壓突增判據(jù)和頻率突增判據(jù)構(gòu)成,邏輯如圖1所示。圖中:ΔUf1,ΔUf1set分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓突變量實(shí)測(cè)值、整定值;ΔUt1,ΔUt1set分別為主變高壓側(cè)正序電壓突變量實(shí)測(cè)值、整定值;f,fset分別為發(fā)電機(jī)頻率實(shí)測(cè)值、整定值;Δf,Δfset分別為發(fā)電機(jī)頻率變化量實(shí)測(cè)值、整定值;PG,Pset.1分別為發(fā)電機(jī)有功功率實(shí)測(cè)值、整定值I段;T0為判據(jù)判別延時(shí)。
圖1 啟動(dòng)邏輯Fig.1 Start up logic
裝置啟動(dòng)前,機(jī)組負(fù)荷約為44.3%PN(PN為發(fā)電機(jī)額定有功功率),大于保護(hù)投入功率定值(設(shè)定值為25%PN),保護(hù)功能投入。裝置啟動(dòng)時(shí)機(jī)組頻率曲線如圖2所示。
圖2 頻率曲線Fig.2 Frequency curve
在0.06 s時(shí),機(jī)組頻率已經(jīng)上升到50.34 Hz,上升速率約1.5 Hz /s,大于頻率突增定值0.28 Hz /s,滿足頻率突增條件。
根據(jù)以上分析,保護(hù)投入功率條件、頻率突增條件滿足,切機(jī)功能投入。
2.3.2 動(dòng)作判據(jù)分析
動(dòng)作判據(jù)由低功率判據(jù)、電流突降判據(jù)和低電流判據(jù)構(gòu)成,邏輯如圖3所示。
圖3 動(dòng)作邏輯Fig.3 Action logic
圖中:ΔIt1,ΔIt1set分別為主變高壓側(cè)正序電流突變量實(shí)測(cè)值、整定值;Ifa,Ifb,Ifc分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端A,B,C相正序電流;Iφset為發(fā)電機(jī)機(jī)端電流整定值;PG,Pset.2分別為發(fā)電機(jī)有功功率實(shí)測(cè)值、整定值II段。
2.738 s時(shí),機(jī)組有功功率P降至11.68%PN,達(dá)到裝置低功率定值,如圖4所示。
圖4 有功功率曲線Fig.4 Active power curve
2.52 s時(shí)(第3個(gè)振蕩周期)主變高壓側(cè)電流突降值為0.113 6 A,高于主變高壓側(cè)正序電流突降定值0.11 A,如圖5所示。
圖5 主變高壓側(cè)電流幅值及突降量Fig.5 Current amplitude and dump of main transformer’s high voltage side
2.71 s時(shí),發(fā)電機(jī)正序電流最低降至0.88 A,小于發(fā)電機(jī)機(jī)端低電流定值1.01 A,如圖6所示。
圖6 發(fā)電機(jī)正序電流Fig.6 Positive sequence of generator
2.3.3 閉鎖判據(jù)分析
閉鎖判據(jù)由正序過電壓判據(jù)和負(fù)序欠電壓判據(jù)構(gòu)成,邏輯如圖7所示。
圖7 閉鎖邏輯Fig.7 Blocking logic
圖中:U1set為正序電壓整定值;U2set為負(fù)序電壓整定值;Uf1為發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓;Ut1為主變高壓側(cè)正序電壓;Uf2為發(fā)電機(jī)機(jī)端負(fù)序電壓;Ut2為發(fā)主變高壓側(cè)負(fù)序電壓。
零功率保護(hù)動(dòng)作前,發(fā)電機(jī)和主變正序電壓始終高于閉鎖定值49.1 V,不滿足正序電壓閉鎖條件。發(fā)變組三相電壓對(duì)稱,故負(fù)序電壓始終偏低,也不滿足負(fù)序電壓閉鎖條件。
2套保護(hù)均配置光纖差動(dòng)、三段式距離、零序過流等保護(hù),故障期間,保護(hù)裝置及線路故障錄波器均啟動(dòng)。
由于故障發(fā)生在電站送出線變電站的下級(jí)線路,故電廠側(cè)光纖差動(dòng)保護(hù)、距離I段保護(hù)、距離II段保護(hù)均未動(dòng)作。距離III段整定時(shí)間為3.8 s,時(shí)間較長(zhǎng),故距離III段保護(hù)未動(dòng)作。系統(tǒng)單相接地故障持續(xù)30 ms,零序II段、III段延時(shí)分別為2 s,3.8 s,故零序II段、III段保護(hù)均未動(dòng)作。
該電廠發(fā)變組保護(hù)南瑞繼保PCS-985系列,有發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、高廠變保護(hù)等。故障過程中,保護(hù)啟動(dòng),但均未動(dòng)作,動(dòng)作行為正確。
綜合以上研究分析,可以得出發(fā)生事故的主要原因:(1) 給煤機(jī)跳閘觸發(fā)鍋爐全燃料中斷信號(hào);(2) 下級(jí)線路故障造成功率大幅波動(dòng),觸發(fā)調(diào)門快控功能動(dòng)作,調(diào)門關(guān)閉后機(jī)組功率下降,達(dá)到保護(hù)動(dòng)作條件,引起零功率保護(hù)動(dòng)作,機(jī)組解列。
功率突降保護(hù)是在機(jī)組無(wú)法正常輸出功率時(shí)動(dòng)作,線路故障會(huì)引起功率振蕩,然而不應(yīng)該造成機(jī)組跳閘,因此這是一起由于線路故障造成零功率切機(jī)動(dòng)作的誤動(dòng)事件,需要進(jìn)一步分析并采取相應(yīng)的防范措施,消除機(jī)組的誤跳隱患。
(1) 該機(jī)組給煤機(jī)的低壓變頻器不具備低電壓和高電壓穿越能力(現(xiàn)有的一類輔機(jī)高低電壓穿越能力標(biāo)準(zhǔn)討論稿稱:電壓低到20%UN,UN為低壓母線額定線電壓,運(yùn)行0.5 s;低到60%UN,運(yùn)行5 s;低到90%UN時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行;高電壓130%UN時(shí)運(yùn)行0.5 s),是電廠安全運(yùn)行的隱患,應(yīng)積極落實(shí)整改,對(duì)于已投運(yùn)變頻器應(yīng)對(duì)其控制部分和動(dòng)力部分進(jìn)行整體改造,如外加串聯(lián)不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)等措施,從根本上解決變頻器控制、動(dòng)力部分固有問題,確保機(jī)組一類輔機(jī)具有高電壓、低電壓穿越能力。
若受客觀條件所限,暫時(shí)無(wú)法實(shí)施改造措施,則可以根據(jù)輔機(jī)設(shè)備能力、電廠安全運(yùn)行要求、變頻器安全經(jīng)濟(jì)能效比等因素,考慮對(duì)優(yōu)化分散控制系統(tǒng)(distributed control systems, DCS)進(jìn)行優(yōu)化。以低壓給煤機(jī)為例,當(dāng)全廠給煤機(jī)變頻器低電壓動(dòng)作瞬時(shí)全部停運(yùn)時(shí),煤倉(cāng)內(nèi)剩余煤粉仍可短時(shí)運(yùn)行,不用瞬時(shí)觸發(fā)鍋爐MFT。若在短時(shí)內(nèi)廠用電電壓能及時(shí)恢復(fù)正常,給煤機(jī)變頻器則配合自啟動(dòng);若廠用電電壓未能及時(shí)恢復(fù),則給煤機(jī)變頻器正常停運(yùn)。給煤機(jī)變頻器DCS 控制策略優(yōu)化可以考慮在廠用電瞬間失去或波動(dòng)時(shí)防止熱工自動(dòng)回路切換的邏輯,即在這短暫的時(shí)間內(nèi)熱工自動(dòng)回路不進(jìn)行切換,保證整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)不產(chǎn)生大的擾動(dòng);從 DCS 送給煤機(jī)的啟動(dòng)指令應(yīng)在廠用電電壓波動(dòng)或瞬間失去恢復(fù)后能夠自動(dòng)啟動(dòng)給煤機(jī),即將 DCS 啟動(dòng)給煤機(jī)的指令由脈沖改為電平形式;給煤機(jī)就地控制柜的邏輯應(yīng)保證在廠用電電壓波動(dòng)或瞬間失去恢復(fù)后,能夠在 DCS 遠(yuǎn)方控制等措施[13-15]。
(2) 在外部故障發(fā)生至切除期間,從機(jī)組DCS畫面查看,機(jī)組負(fù)荷均出現(xiàn)大幅波動(dòng)。目前,國(guó)內(nèi)多數(shù)電廠在電氣側(cè)選用的功率變送器為國(guó)產(chǎn)三相三線制功率變送器,響應(yīng)時(shí)間一般為250 ms,測(cè)量穩(wěn)態(tài)功率信號(hào)時(shí),效果較好,但當(dāng)功率突變時(shí),由于響應(yīng)能力的制約,其輸出可能產(chǎn)生畸變。省外也發(fā)生過多起由于功率變送器輸出波形畸變?cè)斐蓹C(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的情況。故對(duì)于T3000 DEH系統(tǒng),建議改用動(dòng)態(tài)性能更為可靠的功率變送器,目前新型功率變送器可在暫態(tài)時(shí)由穩(wěn)態(tài)測(cè)量繞組切換至保護(hù)繞組進(jìn)行計(jì)算,有效地解決了電流互感器飽和問題;另一方面新型功率變送器響應(yīng)時(shí)間一般小于30 ms,與實(shí)際功率擬合度較高,與控制系統(tǒng)計(jì)算周期和刷新率可以很好地進(jìn)行匹配[16]。
另外發(fā)電廠熱控專業(yè)一般要求提供3個(gè)功率功率變送器信號(hào)以便在邏輯上進(jìn)行 “三取二”配置,因此一般都會(huì)在電氣系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)有功功率變送器,但這些變送器電壓回路卻取自同一組電壓互感器的二次繞組,輔助電源也取自同一個(gè)電源開關(guān),帶來許多安全隱患。一旦在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生電壓互感器二次繞組斷線或變送器輔助電源失電,會(huì)造成變送器輸出歸零或功率信號(hào)減半,嚴(yán)重影響機(jī)組調(diào)節(jié),甚至造成停機(jī)。故建議參與機(jī)組協(xié)調(diào)的功率變送器應(yīng)分別從電壓互感器的3個(gè)繞組取得機(jī)組電壓信號(hào)輸入,變送器電源可從 2 套機(jī)組不間斷電源輸出,保安電源取得3路互相獨(dú)立的交流輔助電源;也可以在不降低設(shè)備運(yùn)行可靠性的前提下,盡量減少電流互感器、電壓互感器二次負(fù)載,如采用雙輸出功率變送器,以提高變送器測(cè)量精度。
(3) 當(dāng)機(jī)組功率突降后,在發(fā)電機(jī)電抗和主變電抗上的電壓降消失,在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來不及反應(yīng),故引起主變高壓側(cè)和發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓突升,而機(jī)端電流會(huì)隨即衰減,衰減時(shí)間由電流互感器負(fù)荷電流以及二次回路衰減常數(shù)決定。故可在啟動(dòng)或者動(dòng)作邏輯中可考慮增加電壓突升、電流突降等輔助判據(jù),防止機(jī)組振蕩時(shí)功率突降保護(hù)誤動(dòng)作。
主變高壓側(cè)正序電壓突升值如式(1)所示:
(1)
式中:ΔU為突變時(shí)間內(nèi)電壓突變值;Δt為突變時(shí)間;PG為發(fā)電機(jī)有功功率;φ為額定功率因素角;SB為基準(zhǔn)功率;Xd′為折算后直軸瞬變電抗飽和值;XT為折算后主變短路阻抗;Un為二次額定電壓;K為靈敏系數(shù)。
機(jī)端正序電壓突升值如式(2)所示:
(2)
機(jī)端電流突降值如式(3)所示:
(3)
式中:ΔI為機(jī)端電流變化值;Iload,Iload′分別為功率突降前、后機(jī)端電流互感器二次負(fù)荷電流;τ為功率突降后電流互感器二次回路衰減時(shí)間常數(shù),其值由二次電纜長(zhǎng)度、截面、電流互感器剩磁大小等因素決定。
在功率突降保護(hù)自身邏輯功能優(yōu)化的同時(shí),也可以考慮對(duì)功率突降保護(hù)定值進(jìn)行優(yōu)化。如適當(dāng)延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間,以可靠躲過失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,目前省內(nèi)220 kV及以上電壓等級(jí)失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約為0.2~0.3 s,考慮到回路整組時(shí)間,可將功率突降保護(hù)延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定至0.4~0.5 s。另外可適當(dāng)增加啟動(dòng)判據(jù)中頻率突增定值。以省內(nèi)某660 MW機(jī)組為例,發(fā)電機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子慣量、高壓轉(zhuǎn)子慣量、低壓轉(zhuǎn)子慣量之和。故機(jī)組慣性常數(shù)如式(4)所示:
(4)
式中:M為機(jī)組慣性常數(shù);J為發(fā)電機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,取7 167.7 MPa;SN為發(fā)電機(jī)額定容量,取667×106W;ω0為發(fā)電機(jī)角速度。經(jīng)計(jì)算得M為10.596 s,故對(duì)于大型火電機(jī)組,M一般約為10 s。發(fā)電機(jī)功率突降到零時(shí)的df/dt值為如式(5)所示:
(5)
(4) 局部電網(wǎng)振蕩主要成因是電網(wǎng)系統(tǒng)呈弱阻尼特性,一旦系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng),易形成電網(wǎng)振蕩。故發(fā)電廠電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilization, PSS)應(yīng)按照要求進(jìn)行相關(guān)涉網(wǎng)試驗(yàn)并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,機(jī)組并網(wǎng)后PSS功能必須投入運(yùn)行,可以抑制系統(tǒng)低頻振蕩,從而降低功率突降保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
功率突降保護(hù)在電廠送出線路出現(xiàn)異常時(shí),能夠有效保護(hù)設(shè)備的安全,然而系統(tǒng)振蕩造成功率突降保護(hù)誤動(dòng)作的事件也時(shí)有發(fā)生。文中通過分析事件經(jīng)過及原因,提出了合理化建議和改進(jìn)思路,消除了大型發(fā)電機(jī)組在線路故障時(shí)由于功率振蕩造成機(jī)組誤跳的隱患,保證了機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,具有重要的意義。
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