发电机保护与控制协调研究

C.J.莫兹纳

李 璇 欧阳友 译自美刊《水电评论》2009年第3期

近来发生的数次电力系统停电故障,致使北美电力安全管理公司(NERC)要求发电厂业主验证发电机保护及控制的协调性。由于在主要电力系统振荡期间,发电机保护容易误动作,例如 2003年美国东海岸大停电,所以需要加强发电机保护及控制的协调性。这种协调的技术方法在教科书、论文及继电保护设备生产厂家的产品使用说明书中都可以找到。但在实际工作中,许多需要使用这些技术的工程师对这些技术并不熟知。

每个电力系统可能偶有瞬时振荡,主要是因为短路故障或主负荷切换所导致。通常在发电机调速器和励磁系统这两大发电机主控制系统的帮助下,系统将趋于一个新的稳态。在一个电力系统中,由调速器控制系统频率,励磁系统控制电压。本文对此进行了深入分析,提供了发电机保护与这些控制系统间,以及发电机保护与发电机有功功率(MW)、无功功率(MVAR)之间的协调方法。

1 调速器控制及低频协调

调速器控制的首要作用是在电力系统中为发电机机组维持合适的速度调节和负荷分配。对同步发电机而言,转速与频率有直接关系。如果发电机突然失负荷,则转速将立即加快,频率将加大。调速器将通过合上导叶以减少机械力,达到降低输出功率的作用。

与之相反,如果发电机过载,则转速将变慢,频率将减小。如果发电机在低频状态时满负荷运转,没有现地控制操作能纠正这一过载问题。低频甩负荷需要在整个系统负荷匹配时发生。例如,在大型系统发生振荡时,电力系统将解列成几个典型的由数个电厂构成的孤网。在这些孤网里,存在着典型的负荷失配。如果在一个孤网上发生过载,频率将减小,导致发电机转速减缓。此时,需要系统低频甩负荷。低频甩负荷程序广泛应用于北美电网中。

由于水轮发电机低频运转时一般不会导致事故,因而许多这种机组未配置低频保护。尽管如此,某些发电厂还是设置了使其水轮发电机组在持续低频运转期间跳闸。理由是,持续低频运行会损害用户或同一孤网上的其他发电厂的设备。另一个原因是它们只是发电厂总发电量的一部分。当发电厂的汽轮发电机(在低频运转时被损坏了)由于低频运行跳闸,水轮发电机组将急剧过载。由于这种情况,这些水轮发电机组需装配发电厂发电机低频保护程序。发电厂需与北美电力安全管理公司(NERC)协调在低频故障时的区域性甩负荷程序。

图1中标示出了北美电力安全管理公司(NERC)控制的 8个区域。每个区域中都已确定在预先设定的频率下,每个发电厂需甩脱其负荷峰值百分比的甩负荷程序。强调发电机的低频保护系统需与系统甩负荷协调。

图1 北美电力安全管理公司控制的8个区域

表1中显示了一个低频协调要求的典型例子。这些是西部电力协调委员会(WECC)的要求。这些要求为改进美国西部其他区域准则提供了相似的指导方针。发电机低频保护须延时,以便与系统甩负荷程序相协调。表 1中的时间显示了在各种不同频率下协调所需的最短时间。

表1 西部电力协调委员会对低频协调的要求

2 励磁保护及系统稳定

发电机的励磁系统为保证发电机与电力系统同步提供磁场能,它为发电机转子绕组输入直流电。在当前励磁系统中,直流电一般从连接至发电机出口的交直流转换变压器中获得。交流电将转换成直流电,为给这台变压器启动时提供电势,该磁场需配置一套蓄电池以起励。在过去的励磁系统中,该直流电源是由主发电机轴上的一台小发电机提供的。

除维持发电机同步以外,励磁系统还影响着由发电机吸收或输出的无功功率值。励磁电流的加大会提高无功功率的输出并使电压升高。减小励磁会起到相反的效果,并且在极端情况下,可能导致发电机不再与电力系统同步。如果发电机已与电网解列或与电力系统联系微小,也没有其他无功电源控制其出口电压,加大励磁电流会使发电机出口电压升高。

最常用的 10MW及以上发电机电压控制方式是自动电压调节(AVR)。在这种方式下,励磁系统通过输出或吸收无功功率将电力系统的电压维持在可接受的范围内。在由于短路而造成系统电压降低、发生振荡的地方,电量不能完全传递到输电系统。AVR和励磁系统的速动有助于提高同步转矩,使发电机保持与系统同步。在短路故障被清除以后,发电机转子转速受系统频率振荡的影响将导致发电机出口电压在 AVR的整定值上下波动。

励磁控制是用来防止不被允许的工况强加于发电机上。这是带有过励和欠励限制功能的 AVR控制。过励控制可防止 AVR试图提供超过了系统能提供的或发电机磁场能承受的更多的励磁电流。过励控制必须在发电机过电压保护动作前限制励磁电流。欠励限制可防止 AVR降低励磁到导致发电机有失去同步的危险低水平,防止超出机械欠磁承受力或因为超出失磁保护设置而跳闸。过励和欠励限制功能是为了防止发电机超出其额定功率 MW或MVAR(见图 2)运行。该有功功率 MW和无功功率MVAR的向量之和与视在功率 MVA值相等。发电机通过控制转子和定子绕组的电流来控制其正常运行方式(过励)。在欠励运行方式下,发电机通过从系统吸收无功功率来控制系统侧的高电压。

图2 过励和欠励限制功能作用示意

3 发电机静态稳定性

当电厂输电到负荷中心的输电线路太少时,静态稳定会变得不稳定。当负荷中心和一个远端发电厂之间的电压相角(两个电压向量之间的夹角)增至 90°以上时,可传输的电能会减少,电力系统会变得不稳定,且通常解列成几个孤网。如果有很多在负荷中心和发电厂之间的线路跳闸,这两点之间的电抗会增加到一个可供传输的但不足以维持同步的最大电能点。在不稳定的状态下,发电机可能会磁极滑动并失去同步。由于跳闸的输电线路增加了负荷中心与偏远的发电厂之间的电抗,电势衰减和静态稳定不稳定可同时发生。

4 失磁保护

失磁保护需要与静态稳定、发电机容量以及欠励限制相协调。为降低系统的高电压,发电机须在欠励工况下运行,并从电力系统中吸收无功功率。这一点在一个大型系统发生振荡并解列成几个孤网时尤其明显。重要的是,发电机可吸收无功来调节系统的电压。发电机吸收无功的能力可以从发电机容量曲线中看出。发电机欠励限制必须设置为在发电机容量曲线中可持续运行(见图 2)。失磁保护必须设置为允许发电机在欠励工况下运行。

同步发电机部分或全部失磁都不利于发电机及与其相连的电力系统。这种状况必须尽快被检测出来,并从电力系统中隔离以避免损坏发电机。失磁状况若未被检测出,则会大量消耗无功功率,从而对电力系统造成破坏性影响。一台大型发电机失磁导致的无功损耗,会造成电力系统电压下降。当发电机失去励磁,它就会像异步发电机一样运行,由于转子滑环引起的涡流,转子和阻尼条的温度也会迅速增加。供给发电机磁场绕组的直流供电回路短路、磁场绕组短路或励磁系统断路器不慎跳闸都会引发失磁。当失磁发生时,来自电力系统的高无功电流就会流经发电机,从而导致其定子绕组过载。

最广泛使用的检测发电机失磁的方法是使用阻抗继电器来检测发电机出口的阻抗变化。两段式阻抗继电器的检测方法被广泛用于提供快速检测。这种继电器安装在发电机的出口。它可以测量发电机的电流和电压,并计算出由此产生的发电机终端阻抗。继电器特性曲线在 R-X(电阻 -电抗)图上是一个圆。当终端阻抗轨迹(由失磁继电器监测到的)进入该圆,失磁保护继电器切机。有两种基本保护设计类型,图 3显示的是使用最为广泛的一种。由图 3可以看出,当阻抗轨迹 1从失磁点进入这些区域之一,继电器就切机。

失磁继电器由 2个偏移的阻抗特性(1区和 2区)组成。阻抗圆直径等于发电机同步电抗并向下偏移。发电机暂态电抗的一半作为保护的第2区。

第2区保护动作将延迟 30至 45个周期,以防止在暂态振荡中误操作。第2个继电器区(1区)是以标幺值为 1的同步电抗(各台发电机)为直径,同样以发电机暂态电抗的一半为偏移量。第1区操作有几个周期的延迟,并且能更迅速地检测到一部分失磁工况。当同步电抗小于或等于标幺值为 1的同步电抗(各台发电机)时,只有 2区投入,且设置成圆直径等于标幺值为 1的同步电抗(各台发电机)。

图2为一个发电机有功 -无功性能参数图。该资料各制造厂都会提供。发电机失磁继电器检测阻抗,因此这些继电器特性都显示在 R-X图上。为协调发电机容量与失磁继电器,必须将容量曲线和励磁控制转换到 R-X图或将阻抗继电器设置到有功 -无功性能参数图上。

此外,还需核查这种情况,即一般由输电系统短路引起的在瞬变过程中的阻抗轨迹不回转到失磁继电器动作的阻抗特性区域内造成的稳态系统暂态误跳闸。这就要求进行计算机暂态稳定研究,一般是由发电厂的系统工程师进行规划。

5 结 语

发生在大型电力系统振荡中的发电机保护误动作突显了改进发电机保护与发电机控制之间协调的必要性。本文提供了有实践经验的指导,特别是明确提出发电机保护与发电机满负荷运行容量以及发电机静态稳定之间必须协调。继电保护的设置是一门艺术,也是一门科学。上述讨论的协调方法已为行业实践公认。尽管如此,其他可以达到相同目的的方法也可以被采用。在大型系统发生振荡时保持发电机并网运行是一个重要目标,它需要发电机保护与发电机控制的良好协调。