发电机低励限制功能的设置原则.pdf

第 3 9卷 第 6 期 2 0 1 1 年 3 月 1 6日 电 力 系 统 保 护 与 控 制 Po we r Sys t e m Pr o t e c t i o n a nd Con t r ol Vb1 3 9 NO 6 M a r 1 6 2 0l 1 发电机低励限制功能的设置原则 王 青 刘肇旭 孙华东 吴而华 马世英 李柏青 中国电力科 学研 究院 北京 1 0 0 1 9 2 摘要 电网实际运行 中多次发生因发电机低励限制功能设置不当导致机纽运行异常甚至掉机的严重后果 分析 了低励限制的 应用 目标 比较 了不 同类型低励 限制器的功能特点 将低励 限制的性能要 求划分为静 态和动 态两方面 提 出 了相应 的设 置原 则 静态性能遵循在有功出力全范围合理定义 满足定子端部热稳定 满足系统静稳定 根据机端电压变化调整 与失磁保 护协调配合原则设置 限制 线 动态性能遵循保证控制 系统稳 定性 优选控制 结构 防止严重影响 P S S作用 避免 暂态期间不 必要 动作原则优化控制 器结构 和参数 关键词 低励 限制 设 置原 则 静 态性能 动 态性 能 励磁控制 系统 电力 系统 G e ne r a l pr i nc i p l e o f g e ne r a t o r u nde r e x c i t at i o n l i r ni t e r s e t t i ng s WA NG Q i n g L I U Z h a o X U S U N H u a d o n g WU L i h u a MA S h i y i n g L I B a i q i n g C h i n a E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e Be ij i n g 1 0 0 1 9 2 C h i n a Ab s t r a c t I n t h e r e a l p o we r s y s t e m o p e r a t i o n i n c o r r e c t f u n c t i o n s e t t i n g s f o r Un d e r E x c i t a t i o n L i mi t e r UE L w i l l r e s u l t i n a n a b n o r ma l o p e r a t i o n o f t h e u n i t e v e n l o a d r e j e c t i o n T h e p a p e r a n a l y z e s t h e a p p l i c a t i o n o b j e c t i v e o f t h e UE L c o mp a r e s t h e f u n c t i o n ch a r a c t e r i s t i c s o f di ffe r e n t t ype s of UEL Th e pe r f o r ma nc e r e q ui r e me nt of UEL i s vi e we d f r o m t wo a s pe c t s n amel y t he s t oi c a s pe c t a n d t h e d y n a mi c a s p e c t Co r r e s p o n d i n g s e tti n g p r i n c i p l e s a r e p r o p o s e d a s f o l l o ws a s f o r t h e s t a t i c p e r f o r ma n c e t h e l i mi t l i n e i s s e t b y c o n f o r mi n g t o t h e r u l e s o f d e fin i n g r e a s o n a b l y i n t h e wh o l e s c o p e o f a c t i v e p o we r o u t p u t me e t i n g t h e n e e d o f t h e s t a t o r e n d t h e r ma l s t a b i l i z a t i o n a n d t h e s t a t i c s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m a d j u s t i n g w i t h t h e c h a n g e s o f t e r mi n a l v o l t a g e a n d c o o r d i n a t i n g wi t h l o s s o f e x c i t a t i o n p r o t e c t i o n a s for t h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e t h e s t r u c t u r e a n d p a r a m e t e r s o f t h e c o n t r o l l e r a r e o p t i mi z e d b a s e d o n t h e p r i n c i p l e s o f g u a r a n t e e i n g t h e s t a b i l it y o f t h e c o n t r o l s y s t e m s e l e c t i n g t h e c o n t r o l s t r u c t u r e o p t i ma l l y p r e v e n t i n g s e r i o u s l y we a k e n i n g t h e P S S f u n c t i o n a n d a v o i d i n g t h e u n n e c e s s a r y o p e r a t i o n d u r i n g t h e t r a n s i e n t p e r i o d Ke y wo r ds u nd e r e xc i t a t i o n l i m i t e r s e t t i n g p r i n c i pl e s t a t i c pe r f o rma n c e d yn ami c pe r f o r man c e e x ci t at i o n c on t r ol s ys t e m powe r s y s t e m 中图分类号 T M7 1 文献 标识码 A 文 章编 号 1 6 7 4 3 4 1 5 2 0 1 1 0 6 0 0 5 5 0 6 0 引言 励磁控制系统是发电机的重要组成部分 其主 要功能有 维持机端或者其他控制点 电压在给定水 平 控制并联运行机组无功功率分配 提高系统的 功角稳定性和 电压稳定性 保护机组 自身的安全等 励磁控 制系统对于机组和 电网的安全稳定影 响重 大 在 电力系统分析和控制领域 励磁控制系统的 研究始终 占有重要地位I l J 随着研究的深入和励磁控制技术的进步 现代 大型机组的励磁控制系统的性能比以往有了很大的 改进 并且具备 了多项辅助的功能 其中一种重要 的功能是低励 限制I J 用于防止励磁水平过低威 胁机组 自身和系统的安全 以往在工程实际中曾多 次出现因低励 限制功能设置不当导致机组运行异常 甚至掉机 的严重后果 例如澳大利亚西部 Mu n g a r r a 电站安装 的两台燃气轮机在运行中曾因低励 限制原 因出现机组的有功功率 无功功率 电压等 电气量 持续振荡l l 引 我国福建 四川等地有 电厂机组因低 励 限制原因在运行 中掉闸 而 以往关于正确设 置低励 限制功能的系统性研究较少 大多针对的是 具体型号产 品的分析 或者局限于从单一某个方面 进 行讨 论 本文将首先分析低励限制的应用 目标和功能特 点 在 此基 础上 提 出工程 实 际 中设置低 励 限制 功 能的一 般 原则 为 正确 发挥 低励 限制 功 能提供 参考 一5 6 1 低励 限制的功 能特 点 电力 系统保护与控制 良好的动态性能 下面从这两方面分别进行讨论 发电机运行中会有励磁水平偏低的情况 1 电网在负荷低谷期 常规感性无功补偿设备投入量 不足时存在 电压偏高问题 此时常采取发电机降低 励磁进相运行的调压措施 2 系统因扰动或故障 电压突然升高时 发电机励磁调节器会 自动响应降 低励磁 3 励磁 调节器 故 障引起励 磁水 平 降低 发电机工作于低励磁 区存在几个 问题 首先 发电 机 定子端部铁芯 由于漏磁 的增大发热量会显著增 加 使温度升高 有可能超过最大允许值 其次 如果进相较深 励磁 电流过小 有可能达到系统静 态稳定极限 发生稳定破坏事故 此外还增大了失 磁保护误动的可能性 作为发电机励磁控制系统的重 要辅助功 能 低励 限制器又称 为欠励 限制器 就是针 对上述问题提出的 当低励限制器检测到机组励磁水 平降低到动作值时就产生控制作用增大励磁使机组 运行点回到允许范围 提高机组和系统的安全性 低励限制器按照接入励磁调节系统的方式可划 分为两种类型 选择 门接入方式类型和叠加接入方 式类型 选择门接入方式指低励 限制器输出信号 与励磁调节器正常调压信号 通过选择 门 高 电平选通或低 电平选通 两选一的方式 当机组吸 收的无功功率9达到并超过低励限制线 I二 的动作 阈 值QU E L 时 U E L 将通过选择门 UA v R 被切断 低 励 限制器控制励磁系统增加励磁 增大无功输出 该方式控制逻辑简单 易于实施 不足之处是在它 作 用期 问 A VR和 或 P S S作 用无 法发挥 有 可能 降 低系统的稳定性 A B B公司生产的 Un i t r o l 5 0 0 0型 数字式励磁调节器采用 的低励限制器就属于此类 型 叠加接入方式是指低励限制器输出信号 己 厂 F 与励磁调节器正常调压信号 叠加在一起共 同 作用的方式 当机组吸收的无功功率 p未超过低励 限制线上的动作阈值 Q F 时 U F 0 低励限 制器不起作用 否则有 0 低励限制器产生 增 大励磁 的作用 该 方式 的最大 优点 是在低励 限制 器作用期间 A V R和 P S S的作用能够仍然有效 有 利于系统的稳定性 但是整定相对复杂 需与励磁 调节器综合考虑 GE公司生产的 E X2 0 0 0型数字式 励磁调节器采用的低励限制器就属于此类型 要使低励限制器发挥理想的作用 一方面需要 为低励限制器设置合理的限制线 保证 良好的静态 性能 另一方面应优化设计控制结构和参数 获得 2 低励限制静态性能要 求 低励 限制线应 根据 发 电机 定子端部发热 限制 和系统静态稳定定极限确定I J J 它是关于发电机 有功出力和机端 电压的函数 J P Ut 在某个工况点下 低励限制线上对应一个 Ql 如 果Q1 0 5 区段没有 明确设置 根据默认规则沿 A B 线 段 延 长 取 值 这 就 使 得 低 励 限 制 线 在 尸 1 0 5 区段 Q 0并且变化率较大 一旦机组 大出力运行进入该区段达到低励 限制器动作值便会 引起 低励 限制器 动作 切断 A V R通 道 控制 机组无 功出力增至低励 限制线上的阈值 随后低励 限制器 退 出 A V R重 新投 入 在机组 出力 从 3 1 5 MW 增至 3 3 0 Mw 期间 发生了低励限制器和A V R来回切换 导致机组出力和电压大幅变化 最终导致机组跳 闸 后来的解决办法是改变低励限制线上B点处的设置 为P 1 0 5 Q 一 0 2 5 图 1 给 出了低励限制 线在高功率区段修改设置前后两种情况的比较 设 置 1 线段为原始情况 2线段为修改后的情况 下 青 等 发电机低励限制功能的设置原则 5 7 1 l I 一 2 l y 骨 图 1低励 限制线修 改前后的 比较 Fi g 1 Co mp ar i s o n of UEL ch a r a c t e r i s t i c s wi t h di ffe r e n t s e t t i ng s 2 2满足定子端部热稳定限制要求 当励磁 电流减小发 电机进相运行 时 原来起到 去磁作用的电枢反应将会逐渐减弱并向增磁方向变 化 定子铁芯中的磁通密度将会 明显增加 特别是 端部铁芯部分 引起 比其他部位更为显著的温升 机组定 子端部铁芯允许的最高温度构成热稳定限制 要求 具体参数与发电机 的类型 结构 冷却方式 及容量等因素有关 应通过实测或者由发电机制造 一 家提供 在 P p 平面当热稳定限制 曲线位于静态 稳定极 限曲线之上 即机组进相运行先到达热稳定 限制时 低励限制线应按热稳定限制 曲线设置 位 于 该热 稳 定 限制 曲线之 上并 适 当 留有 一 定 的裕度 2 3满足静态稳定限制要求 在 P Q 甲面 当静态稳定极限曲线位于热稳定 限 制 曲线之上时 低励 限制线应按静态稳定极限曲线 设置 使低励限制线处于静态稳定极限 曲线上部 且留有一定裕度 建议参照 电力系统安全稳定导 则 对事故后运行方式和特殊运行方式静态稳定储 备系数不低于 1 0 的要求掌握 l 考虑使所设置 的 低励 限制线对运行方式变化有足够的裕度 并且便 丁 与 失 磁 保 护 仂 调 配 合 工 程 中 采 用 基 于 不 计 A V R 即空载电势 恒定的假设条件计算静态稳定 极限曲线的方法L 9 容 易推知静态稳定极限曲线方 程 为 圆方程 P I Q一 R 1 式 中 Q o f 一 1 j 孚 f 1 X d 为 s d s d 发电机的同步 电抗 为发电机与系统问的联系电 抗 为机 端 电压 静 态稳 定极 限 曲线 与 Q 轴 的 交点 A 处的无功值 Q 一 ut 实际上该点为失 一 磁状态点 静态稳定极 限曲线与 P轴的交点 B处的 有功值 为 一 x d x s 静态稳定 限制条件要求机组运行在静态稳定极 限 曲线 以内 由于 发 电机 与系统 间电气联 系 的减弱 会 使静 态稳 定 极 限 曲线 上移 使 机组 允许 进相 范 围 减小 因此设置低励 限制线时应考虑机组与系统联 系较弱的小负荷方式 图 2给出了 一个算例系统中 机组与系统问联系 电抗变化时静态稳定极 限曲线的 变 化情 况 0 0 1 0 2 j 0 3 d 0 4 0 5 0 6 0 7 0 0 商 P 0 L l 图 2机组与系统不 同联 系电抗时的静 态稳 定极 限 Fi g 2 S t e a d y s t a t e s t a bi l i t y l i mi t wi t h d i ffe r en t c o nn ec t i o n r ea c t a nc e 2 4根据机端电压变化进行调整 低励 限制线应随机端 电压的变化进行调整 因 为电压变化会直接影响机组的进相能力 比如电压 减小机组允许吸收的最大无功也将减小 此 时应将 低励 限制线上移 保证在机端 电压允许的变化范围 内 例如 0 9 5 g n 1 0 5 低励限制线始终与定子 端 部热稳定限制和静态稳定限制配合 良好 工程上 目 前 应 用 效 果 较 好 的 调 整 公 式 为 D 己 其L j 系数 m 根据低励 限制线 u 设置时是基于热稳定限制条件还是静态稳定限制条 件分别取为 1 或 2 2 5与失磁保护协调配合 发电机由于灭磁开关误跳 转子励磁绕组短接 励磁绕组回路开路 以及交流励磁电源消失等原因会 发生失磁故障 对发电机 自身和系统稳定运行构成 很大的威胁 发 电机失磁保护是检测机组是否发生 失磁并采取例如发出报警信号 一 一 定时限跳机等措 施 的重要保护 失磁保护的主要动作判据有机端测 量 阻抗 判据 励磁 电压 判据 和 系统 电压判 据等 1 最为常用的是机端测量阻抗判据 测量机端的等效 阻抗变化轨迹 如果落入预先设计的动作区则动作 测量阻抗判据的动作判断 曲线包括静态稳定极限阻 抗 曲线和异步边界阻抗 曲线两种 失磁保护与低励 限制的协调配合是指 随着机 5 8 电力 系统保护与控制 组励磁电流减小 机组进入进相区并且进相深度逐 渐增大 要求在任何工况和扰动情况下低励限制均 先于失磁保护动作 由于失磁保护动作判断 曲线是 在阻抗平面设置的 而低励限制的限制线是在功率 平面设置的 要研究两者的配合关系就必须进行坐 标变换 将两者统一到阻抗平面或者功率平面上 在此基础上满足如下配合关系 在阻抗平面 低励 限制线应位于失磁动作判断曲线之外 在功率平面 低励限制线应位于失磁动作判断 曲线之 内 1 统一到阻抗平面 将低励限制线转换到阻抗平面 易推得转换公 式为 R 2 P I Q P Q 式中 R和 分别为机端等效电阻和等效电抗 例如对于常用的圆周型低励限制线方程 尸 Q 一 3 可推导转换到阻抗平面的转换方程为 R f 一 1 4 式中 Q o R o 这样就可以在阻抗平面检查是否满足低励 限制 线位于失磁动作判断曲线之外的配合要求 2 统 N功率平面 将失磁动作判断 曲线由阻抗平面转换到功率平 面 易推得转换公式为 P Q 例如对 于常用 的 隐极机异 步边 界阻抗 圆方程 R 一 6 式 中 一 十 一 可推导转换到功率平面的转换方程 为 p Q R 7 热 2 I f x 尺 等 这样就可以在功率平面检查是否满足低励限制 线位于失磁动作判断曲线之内的配合要求 3 低励 限制动态性能要 求 为保 证低 励限制 器有 良好 的动态 性能 应优化 设计控制结构和参数 遵循 以下四点原则 保证控 制系统的稳定性 优选控制结构提高控制精度 防 止严重影响 P S S的作用 避免暂态过程期间低励 限 制器不必要的动作 3 1保证控制系统的稳定性 低励 限制器有选择 门接入方式和叠加接入方式 两种 无论何种类型首先需要保证励磁调节系统在 低励 限制器动作后的稳定性 如果设置不当 控制 器将无法稳定工作 甚至引起机组跳闸的严重后果 澳大利亚西部 Mu n g a r r a电站发生的振荡事故 其原 因就在于叠加接入式的低励 限制器参数设置不当 导致 了控制系统 的不稳定 事故后现场采取的解决 措施是降低低励 限制器增益为原设定值的 1 4 引 图 3 一 图 5 给出了一台额定容量为 5 5 0 MW机组 在其励磁参考电压降低3 的阶跃扰动下 选择门接 入式低励限制器正常作用的仿真结果 扰动后低励 限制器取代了励磁调节器 的调压作用 有效控制 了 机组的进相深度 图 6为当低励限制器的增益增大 为正常设定值 2倍时的仿真结果 此时因增益过大 引起 了控制系统失稳 因此 应特别重视低励 限制 器 增益 的合理 设置 餐 筌 0 f s 图 3发 电机励磁 电压 曲线 Fi g 3 Ge n e r a t o r e xc i t a t i o n vo l t a ge c u r ve s 图 4发 电机机端 电压曲线 Fi g 4 Ge n e r a t o r t e r mi na l vol t a ge c ur ve 王 青 等 发电机低励 限制功 能的设置原则 5 9 蠢 囊 祷 8 6 4 邕 2 谨 堡 0 一 4 6 t s 图 5 发电机 无功功率 曲线 F i g 5 Ge n e r a t o r r e a c t i v e p o we r c u r v e 图 6发 电机励磁 电压 曲线 Fi g 6 Ge ne r a t or e xc i t a t i on vol t a g e c u r ve wh e n i n c r e a s i n g UEL g ai n 3 2优选控制结构提高控制精度 低励 限制器常用的控制结构有两类 一类是 比 例偏差型 属于有差调节 参数整定时需要考虑控 制 的实际效果与控制 目标 问的差距 控制准确度不 高 另一类是 比例积分型 属于无差调节 低励 限 制器 动作后可将无功功 率严格控制到整 定 目标值 上 无需设置裕度 因此从精确控制角度出发 宜 采用后一种类型 的控制结构 3 3 防止 严重 影 响 P S S的作 用 随着 电网互联规模 的扩大 新技术应用带来不 确定因素的增多和受环保经济 因素制约运行点 日益 趋于稳定极限 电力系统动态稳定已成为当前威胁 电网安全稳定运行 的突出问题 而电力系统稳定器 P S S 是保证和提高系统动态 稳定水平最基本 的 措施 从保证系统始终具有足够的动态稳定性的需 求 出发 要求低励 限制器动作时不应严重影响 P S S 正常的作用 对于叠加接入方式的低励限制器 由 于低励 限制器输出信号是叠加在含有 P S S输出信号 的励磁调节器正常调压信号之上的 因此不会切断 P S S作用 通道 但 是有 的选择 门接 入 方式 的低 励 限 制器设计不尽合理 将 P S S输 出信号接入到 比较门 之前 这样在低励限制器动作后会切断 P S S信号通 道直至低励限制器控制作用退 出 在此期问机组相 当于没有投入 P S S 会降低与该机相关机 电振荡模 式的阻尼 存在引发低频振荡的风险 对此情况 应采用将 P S S输出信号接入到比较 门之后的方法予 以改进 3 4避 免暂态过程期 间低励限制器不必要的动作 在暂态过程中 有可能出现机组运行变量剧烈 变化 机组运行点短时超过低励限制线又回落到正 常区域 的现象 可延用以往设计延时环节 1 3 1 4 1 的方 法防止暂态过程期间低励限制器不必要 的动作 干 扰 A VR正常的调节作用 4 结论 针对机 组励磁水平 过低 可能 出现 定子端 部过 热 静态稳定破坏和失磁保护误动风险增大 问题 发 电机励磁控制系统配置了低励限制功能 增强了 机组应对特殊工况条件 的能力 但如果设置不当有 可能成为事故隐患 本文从设置原则角度对低励 限 制功能进行 了研究 提 出了满足静态性能和动态性 能两方面要求的设置原则 静态性能方面要求设置 合理的低励 限制线 遵循 1 在有功 出力全范 围 合理定义 2 满足定子端部热稳定限制要求 3 满足静态稳定限制要求 4 根据机端 电压变化进 行调整 5 与失磁保护协调配合 动态性能方面 要求优化设计控制结构和参数 遵循 1 保证控 制系统的稳定性 2 优选控制结构提 高控制精度 3 防止严重影响 P S S的作用 4 避免暂态过 程期间低励 限制器不必要的动作 本文的研究可为 工程实际中合理设置低励限制功能提供参考 参考文献 1 K U NDU R P P o w e r s y s t e m s t a b i l i t y a n d c o n t r o l M Ne w Yo r k M c Gr a w Hi l l I nc 1 9 94 2 DE ME L L O F P C O NC OR DI A C C o n c e p t s o f s y n c h r o n o u s ma c h i n e s t a b i l i t y a s a f f e c t e d b y e x c i t a t i o n c o n t r o l J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P AS 1 9 6 9 8 8 4 31 6 32 9 3 I E E E T a s k F o r c e o n Di g i t a l E x c i t i o n S y s t e ms Co mpu t e r mod e l s f o r r e pr e s e nt a t i o n o f d i g i t a l ba s ed e x c i t i o n s y s t e ms J I E E E T r a n s a c t i o n s o n E n e r g y C o n v e r s i o n 1 9 9 6 l 1 3 6 0 7 6 1 5 4 I E E E S t d 4 2 1 5 2 0 0 5 I E E E r e c o mme n d e d p r a c t i c e for e xc i t i on s ys t e m mod e l s fo r po we r s ys t e m s t a bi l i t y s t u d i e s S 5 3 I EEE S t d 4 2 1 4 2 0 0 4 I E EE g u i d e for t h e