燃气轮发电机组起停机保护的特殊问题

1、燃气轮发电机起停机保护的特殊问题吴笃贵赵志华(厦门红相电力设备进出口有限公司,福建厦门,361001(重庆工商大学计算机科学与信息工程学院,重庆,400067摘要:燃气轮发电机起动方式的特点决定了其必须装设可靠的起停机保护,而且必须考虑波形畸变和低频运行对保护装置性能的影响。文章分析了燃气轮发电机起动期间相间故障和静止变频器直流侧接地故障的特点,为起停机保护的原理设计提出了建议。最后,文章也阐述了起停机保护在频率跟踪和有效值计算两种保护测量算法方面存在的挑战。关键词:燃气轮发电机;静止变频器;起停机保护;Specificity of Starting-Up Protection for Gas

2、 Turbine GeneratorWU Dugui, ZHAO Zhihua(Xiamen Red Phase Instruments Imp & Exp Co.Ltd,Xiamen,361001(Chongqing Industrial and Commercial University, Chongqing,400067Abstract:The electrical feature of starting-up mode determines the necessity of configuring reliable starting-up protection for gas

3、turbine generator. Simultaneously, the influence of waveform distortion and operation with low frequency on performance of protection relays must be considered. The paper analyzes the characteristics of phase-to-phase fault and DC bus grounding of static frequency converter during gas turbine genera

4、tor starting-up and makes a suggestion for principle design of starting-up protection. Finally,the paper points out the challenge faced by starting up protection in respect of frequency tracking and RMS computation algorithm.Keywords:Gas Turbine Generator;Static Frequency Converter(SFC;Starting-up P

5、rotection;1 前言近年来,我国电力工业一方面需要解决经济发展和电力短缺之间的矛盾,另一方面需要优化电源结构,改善调峰性能,缓解因燃料成本上升和环保法规趋严而导致的运营压力。同燃煤电站相比,燃气轮机电站具有建设周期短、发电效率高,调峰性能优越以及能够满足日益苛刻的环保要求等特点,正在成为许多发达国家电源建设的主流1。在国内,珠江三角洲、长江三角洲等经济发达地区以及“西气东输”工程的沿途各省近年来都加大了对燃气轮机电站的投资力度,其它地区也在研究建设燃气轮机电站的可行性。燃气轮机电站已经成为我国改善电源结构和常规火电厂技术改造的重要措施。与水电和火电机组相比,燃气轮发电机的正常运行对继电

6、保护没有特殊要求,因此完全可以套用常规机组成熟的继电保护原理和配置方案。但是,其起动过程则存在很多的特殊问题,因此其起停机保护的原理设计和配置方案都必须充分考虑这些特殊问题才有可能保证发电机的安全运行。本文借鉴抽水蓄能机组继电保护技术的成熟经验,对燃气轮发电机起停机保护的特殊问题进行归纳和总结,并另文专门介绍起停机保护的配置和解决方案,期望能够改变我国燃气轮发电机继电保护设备长期成套进口的局面。2 燃气轮机电站的主接线图1给出了现代大型燃气轮机电站的典型系统接线。与常规电站相比,燃气轮机电站在厂变低压侧增加了静止变频器SFC 及其电源侧断路器CBF 和发电机侧隔离开关DSF ,辅助励磁变AET

7、 及其电源侧断路器CBAE 和励磁装置侧隔离开关DSAE 。为了在燃气轮发电机在起动期间避免主变低压侧和厂变高压侧绕组导致的分流问题,提高SFC 的利用率2,因此世界上80%的燃气轮发电机组均装设有出口断路器GCB 3。 System图1:燃气轮机电站的典型系统接线Fig.1:Typical System Connection of Gas Turbine Power Plant当起动燃气轮发电机时,必须首先闭合DSAE 和CBAE ,然后闭合DSF 和CBF 。然后,在主控制器的作用下,自动电压调节器A VR 向励磁绕组提供适量励磁电流,SFC 则按照控制策略向发电机定子绕组提供电流,驱动发

8、电机由静止开始旋转,并按照预定方案分别控制燃气轮机的清洗、点火、暖机、并加速至自保持转速。由于燃气轮发电机的定、转子绕组在起动过程中始终带电运行,因此必须针对可能出现的故障类型装设必要的起停机保护。3 静止变频器对起停机保护的影响燃气轮发电机广泛采用静止变频器起动不仅因为变频器自身的性能优良,还因为这种起动方式对电机的绕组结构没有特殊要求,甚至同一电厂的多台机组可共用一台变频器起动4,5,6。但是,采用静止变频器起动也使燃气轮发电机起动过程的电气特性明显区别于常规的水电和火电机组,主要表现在绕组电流的间断特性、起动过程的低频特性和严重的波形畸变特性。3.1 绕组电流的间断性从功能上划分,静止变

9、频器可分为整流桥、逆变桥以及将二者连接在一起的直流平波电抗器三部分。除此以外,还有降低整流桥工作电压的隔离变压器和限制逆变器电流上升率的输出电抗器。图2给出了常见SFC 的简化原理图。 交流电源图2:静态变频器简化系统图Fig.2 Simplified System Diagram of SFC根据发电机转速的高低,SFC具有两种运行模式:脉冲运行模式和自然换相模式,并能在起动过程中自动切换。由于除换相过程外,逆变器同时只能有两个阀元件导通,因此燃气轮发电机的定子绕组在起动过程中仅有两相绕组存在电流流通,定子电流呈现明显的间断性。电流互感器的二次侧输出电流与静止变频器的运行模式有关。在脉冲运行

10、阶段,定子电流可认为是矩形直流,电流互感器仅在逆变桥强制换相期间才有电流输出。而在自然换相阶段,发电机的转速已经足够高,尽管定子电流仍存在间断性,但电流互感器二次绕组的续流作用足以维持连续的电流输出,此时我们可认为定子绕组的电流是存在严重畸变的正弦波7,8。两种运行模式的切换频率与具体的工程条件有关,对国内使用的静止变频器来说,切换频率一般不会超过5Hz。从保护的角度出发,作者认为起停机保护应能在频率大于5Hz后正确运行。3.2 起动过程的低频特性图3是目前常见的燃气轮机电站工程的起动特性,图中Ne、Ie、Ue分别表示燃气轮发电机的额定转速、静止变频器输出电流和电压的额定值。其中,图3(a表示

11、燃气轮发电机的转速随时间的变化关系以及燃气轮机所处的起动进程。可以看出,在整个起动期间,发电机的相对转速均小于70%,因此燃气轮发电机组的起停机保护必须具有明显的低频特性。图3(c表示发电机定子电压随时间变化的关系以及控制器在不同区段采用的控制策略。为了防止过激磁,在起动过程的初始阶段,SFC采取恒压频比控制;随着发电机转速的上升,SFC由恒压频比控制逐步过渡到恒压控制。从完善起停机保护的配置方案出发,必须考虑由于控制器失灵、响应速度过慢等原因所导致的过激磁事件的发生,因此起停机保护必须配置过激磁保护。 图3:静止变频器的启动特性Fig.3 Starting-Up Characteristic

12、s of Static Frequency Converter3.3 严重的谐波畸变特性燃气轮机电站的谐波特性与发电机的容量、静止变频器的结构、接入系统的方式以及电力系统的容量都有关系。众所周知,静止变频器是一种典型的谐波电流源。一般来说,6脉动换流器导致的谐波注入要远大于12脉动换流器,但燃气轮发电机采用的静止变频器往往都是6脉动型式,因此谐波注入现象非常严重。大量的谐波电流注入系统,肯定会导致母线电压的严重畸变。根据文献9的研究结论,当SFC 支接于厂用变压器的低压侧母线时,所导致的母线电压畸变最为严重,最高可达20%。不幸的是,燃气轮机电站经常采用这种接入方式。大型静止变频器的存在恶化了

13、燃气轮机电站的电磁环境,严重的波形畸变对继电保护装置硬件回路的电磁兼容性能和保护算法设计都提出了更高的要求。由于静止变频器的谐波特性对交流系统的对称度非常敏感,因此有必要考虑外部故障时静止变频器的谐波特性对其它设备保护性能的影响。4 起停机过程中的相间故障分析故障分析是继电保护原理设计、定值计算和元器件选型的基础,起停机保护必须考虑起动期间相间故障的具体特点才能保证正常运行和可靠动作。假设发电机采用次暂态电抗后的电动势模型,发电机以额定电压和额定频率空载运行时发生机端三相短路,此式三相短路电流3.k I 的计算公式为:''0''03.d q d q k L E

14、x E I = (1其中,0q E 为发电机的空载电势;''d x 为发电机的直轴次暂态电抗;''d L 为与''d x 对应的电感参数,一般可认为是恒值。现代大型燃气轮发电机常采用降压起动方式。实际工程中,对发电机额定电压为18kV 及以上的情况,静止变频器的输出电压约为发电机额定电压的61。考虑到燃气轮发电机在起动过程中,起动、清洗、暖机等过程时间较长,约10分钟;频率较低,约为额定频率的41,因此可选择此时为典型工况。当起动期间出现机端三相短路时,燃气轮发电机组的短路电流为:3.''161k d q d s s q s d

15、s q s k I L E L E x E I = (2 上式中,s k I .3.、s q E .0添加下标s 表示起动期间相应的电气参数。可以看出,燃气轮发电机起动过程中的故障不会比正常运行时的同类故障更严重。考虑到大型燃气轮发电机直轴次暂态电抗的标幺值一般都在(2.015.0之间,因此起动过程中的最大三相短路电流约为其额定电流的(35倍。保护装置内部的电流变换器对装置的性能有重要影响,其传变特性依赖于铁心的磁感应强度。当互感器二次负载一定时,起动期间电流变换器铁心的磁感应强度s B 与电流的幅值-频率之比成正比,即有:n ss k s B f I B 2012(.3. (3 其中,n B

16、 为电流变换器额定工况下的磁感应强度。因此,按照40倍过载能力选型的电流变换器在燃气轮发电机起动期间一般不会出现铁心饱和现象。 5 静止变频器直流侧接地对燃气轮发电机的影响起停机保护除了需要考虑发电机可能的故障类型外,还需要考虑静止变频器直流侧接地对设备安全的影响。图4给出了静止变频器直流母线接地时,燃气轮发电机组的电气系统连接图。清楚起见,图中省略了与分析无关的开关、励磁变等电气元件。 图4:燃气轮发电机组启动过程电气连接图Fig.4 Electrical Connection Diagram of Gas Turbine Generator during Starting-Up尽管由于非线

17、性元件的存在,上述故障不适合采用叠加原理进行分析,但考虑到故障分量为直流、电气元件的对称性等原因,在非换相期间仍可按照叠加原理近似将图4分解成正常系统和图5所示的故障分量系统两部分,图中d U 表示故障前静止变频器的直流电压。平波电抗器 图5:直流母线接地时的故障分量网络Fig.5:Fault Component Network While DC Bus Grounding由文献10可知:逆变桥的直流电压可表示为:d m d I d E U +=cos 23 (4式中,m E 为发电机的机端线电压,起动过程中可固定取为3.4kV ;为逆变器的关断角,一般可取=15;d 为换相电抗;d I 为直

18、流回路的电流。显然，确切计算直流母线接地时的直流电压比较困难，但忽略换相压降后， 可粗略估算出直流母线的电压： Ud = 3 2 p Emjj cosg = 1.35´ 3.4 ´ cos15° = 4.4(kV (5 对于图5所示的故障分量网络来说，故障电流完全由故障分量电压和电网络 中的电阻参数确定，这些电阻主要来源于平波电抗器、输出电抗器、发电机的相 绕组、隔离变压器的副边绕组以及接地变压器的原边绕组。然而，确切知道这些 参数是比较困难的，工程应用中只能采取合理估计的方式确定主导因素。 一般来说， 隔离变压器与燃气轮发电机的额定容量远大于接地变压器，因此 它

19、们的绕组电阻较小，一般仅为数十毫欧。而接地变压器由于容量较小，原边绕 组的电阻一般都在(2060 W 之间，是决定直流接地故障电流的主导性因素。例 如，三峡右岸机组接地变压器的原边绕组电阻约为(3050 W ，而秦山核电的接 地变压器原边绕组电阻则在60 W 左右。 假如考虑接地变压器的原边绕组电阻为40 W ， 则直流母线接地时产生的接地 故障电流约为： I dc = U d 2 2200 » = 55(A Rå 40 (6 相对来说， 该电流远小于静止变频器的输出电流，一般不会对变频器的工作 状态产生影响，但将导致发电机、隔离变压器的铁芯偏磁，而接地变压器因为容 量较小

20、， 则有可能因为过热而损坏，因此有必要装设专门针对静止变频器直流母 线接地的保护。 6 保护算法面临的难题 常规的机组保护原理能否移植到燃气轮发电机，并承担起停机保护的任务， 频率跟踪和有效值计算是首先需要解决的技术难题。 国外抽水蓄能和燃气轮机组 继电保护产品的供货商都非常重视产品的低频性能， 并采取措施拓宽保护算法的 频率适用范围。例如，奥地利伊林公司的 DRS 型数字式保护装置的频率适用范 围为(1075Hz，SIEMENS 公司 7UM62 型发电机保护的频率适用范围为(11 69Hz，GE 公司的 G60 发电机保护的频率适用范围则为(30.579.5Hz。 改善保护原理频率适用范围

21、的有效途径之一就是采用有效的频率跟踪算法， 使之能够延伸至 10Hz 或以下。从实现手段来看，频率跟踪技术可分为硬件法和 软件法两种。对硬件法来说，保护装置内部的低通滤波器是专门针对高于 50Hz 的干扰信号而设计的， 燃气轮发电机起动期间的特征谐波恰恰位于低通滤波器的 通带范围内， 严重的波形畸变将会严重影响频率测量算法的精度，从而失去频率 跟踪的意义。 国内从事抽水蓄能和燃气轮机组继电保护技术研究的专家也非常重 视频率跟踪问题11，但作者对文献11所提供算法的有效性是表示怀疑的。根据 作者的研究经验， 采用上述方法测量频率时，必须采用数字滤波器消除傅立叶变 换结果中的和频分量。但是，针对

22、50Hz 信号设计的数字滤波器在燃汽轮机起动 期间，如频率为 10Hz 时，将难以有效地鉴别差频分量与和频分量12。国外曾有 文献提出采样频率可变的频率估计算法13，基本思想与文献11类似，但需要根 据前一步的计算结果不断调整采样频率， 因此傅立叶变换结果中差频分量的带宽 可以做到很窄，频率跟踪的适用范围得以拓展。 6 采用与频率基本无关的有效值算法是改善保护原理频率适用范围的另一条 途径。 SIEMENS 和 ABB 公司的发电机保护广泛采用峰值法改善保护原理的频率 适用范围， 但由于这种算法对输入信号没有滤波作用，极易受到波形畸变和电磁 干扰的影响， 特别是在燃气轮发电机起停机保护定值较低

23、的情况下更是如此，因 此不宜推广应用。 考虑到燃气轮发电机起停机过程的特点， 本文提供一种利用数字滤波器计算 有效值的方法。该算法不仅测量精度高，频率适用范围宽，而且能够有效降低波 形畸变和电磁干扰的影响。 下面本文就简要介绍该算法的基本原理和数字滤波器 的设计方法及参数选择原则。 假设故障电流的数学表达式为： i(t = Am sin(wt + j 则有： 1 ù 2 é1 i 2 (t = Am ê 2 - 2 cos 2(wt + j ú ë û (7 (8 显然，如果我们能够通过数字滤波器对由 i 2 (t 构成的采样值序列进

24、行滤波， 有效去除其中的2次谐波，则可得到原信号的有效值。 由本文第 3 部分可知， 在整个起动过程中，燃气轮发电机的相对转速仅有不 足 3 分钟的时段处于 20以下，对应的电气频率则为 10Hz。从实用性出发，可 以不刻意追求保护装置在此时段的性能，因此可选择 10Hz 作为保护算法适用的 最低频率。 对于 10Hz 的正弦交流信号来说， 经平方处理后的 2 次谐波频率为 20Hz。 选 择二阶低通滤波器的截止频率为 2Hz，则该滤波器可将输入信号中的 20Hz 分量 衰减为原来的 1(即 40dB，因此能够满足高精度测量的要求。当品质因数 Q 取 0.5 时，其 s 域传递函数为： 16p

25、 2 G( s = 2 s + 8ps + 16p 2 (9 假设保护装置的采样频率取 f s = 1200Hz (每周波 24 点，并在整个起动过程 中保持不变，则可利用双线性变换得到上述滤波器的 z 域表达式： 1 + 2 z -1 + ( z -1 2 G( z = 2.4947´10 ´ 1 - 1.9792z -1 + 0.9793 ( z -1 2 -5 (10 数字仿真结果表明，上述算法即便在输入信号频率为 5Hz 时，其稳态误差 也不会超过 2。 7 结束语 本文分析了系统接线、 起动方式以及运行特点对燃气轮发电机起停机保护的 影响，并结合微机保护的组成和算

26、法，分析了起停机保护在保护配置、原理设计 和软硬件实现方面存在的特殊问题。作者认为， 这些问题将是目前燃气轮发电机 7 起停机保护亟待解决的主要难题。 8 参考文献 1 徐润涛，我国燃气轮机发电站的发展概况及其展望，燃气轮机技术，1998，11(3： 5-10. XU Runtao， Developing Survey and Its Prospect of Gas Turbine Power Station in China， Gas Turbine Technology，1998，11(3：5-10. 2 孟利平， 十三陵抽水蓄能电站机组启动方式分析， 水利水电技术 ， 1992， 30(

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