定子过电流限制与过励限制的协调性研究

戴申华， 盛明珺， 陈延云

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司， 安徽 合肥 230031)

定子过电流限制与过励限制的协调性研究

戴申华， 盛明珺， 陈延云

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司， 安徽 合肥 230031)

励磁系统定子过电流限制和过励限制的协调控制一直是业内讨论的热点，但相关的研究文献较少，文章建立了某一600MW机组的仿真模型，模型不仅包含了励磁系统主环，也包括了定子过电流限制和过励限制环节模型。基于搭建的仿真模型深入研究了两个限制的协调性，从研究结果可见，两个限制器均具备存在的价值，其在系统电压下降过程中，抑制转子过电流和定子过电流方面作用明显，有效地延长了故障过程中机组的在网时间，提高了机组对电网的电压支撑作用。而通过不同故障下的仿真表明，定子过电流限制在系统电压下降过多时应闭锁运行，避免机组的无功不足，导致机组稳定性能下降。文章结论对于励磁系统参数整定、逻辑设计具有重要意义。

励磁系统；定子过电流限制器；过励限制器；协调性

0 引言

在现代化的电力系统中，提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保证电力系统安全、经济运行的主要条件之一。而同步发电机运行对电力系统稳定的贡献主要通过调节励磁系统和调速系统来实现，一般情况下，励磁系统在发电机暂态、静态稳定时发挥重要的手段，无论是系统电压调节、系统故障后恢复、故障时减少故障影响、电力系统稳定计算均主要依靠励磁系统。可以说，励磁是电力系统的灵魂，是电力系统分析的基础。

从20世纪50年代开始，自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压恒定。为了提高电网暂态稳定性，在之后出现了具备强励功能的励磁调节器，使得励磁调节器在电网发生瞬时短路故障时，能及时地通过强励维持系统电压在合理范围内。随着制造工艺的进步，励磁调节器在经历了机械式和电子式之后，现在数字式励磁调节器得到了广泛的应用[1]。数字式励磁调节器的应用使得业内很多关于励磁调节器附加控制的设想得到了实现，其中，定子过电流限制(Stator Current Limiter, SCL)是其中的一个典型附加控制功能[2]。

发电机运行过程中，随着无功的不同，其定子电流也会发生变化，当滞相或进相无功过多时，定子电流会超出发电机的出力极限，基于这个需求，SCL这个功能得到了应用。电力行业标准《DLT843-2010大型汽轮发电机励磁系统技术条件》中对SCL无条文要求，国家标准《GBT 7409.3-2007 同步电机励磁系统 大中型同步发电机励磁系统技术要求》中SCL属于可选功能，国调在2012年全系统进行的并网发电机组源网协调参数核查中对SCL提出了要求，明确了如果励磁调节器装设了SCL，限制必须与发电机定子过负荷保护(Stator Current Protecter，SCP)匹配[3]。

目前，大部分主流励磁调节器均装设了SCL，业内普遍关心的是其与SCP的定值匹配问题，但是，励磁系统对发电机的影响最终还是要通过励磁电压的调节实现，这样，SCL与励磁调节器各项附加控制，如过励限制(Over-Excitation Limiter, OEL)、低励限制(Under-Excitation Limiter, UEL)、电力系统稳定器(Power System Stabilizer, PSS)等的配合对于机组运行有着重要的意义[4～6]。

基于目前SCL的研究现状及生产中发现的问题，本文将就SCL与OEL的协调性进行深入的研究，冀希望通过本研究，得出SCL与OEL的定值整定要求，以及励磁系统对于SCL与OEl作用的选择性。

1 励磁系统模型结构

1.1 SCL模型及实现逻辑

SCL工作原理为：装置检测定子电流和无功功率，根据定子过电流定值计算出对应当前的动作时间，当定子电流超过启动值之后，达到反时限累积热容值，限制器动作。如果此时发电机进相运行，限制器动作于增磁，如果发电机滞相运行，限制器动作于减磁。

图中Igact为限制启动值，Igrtn为限制返回值，Kcool为冷却系数，Ign为额定定子电流，Ig为当前定子电流，Q为当前无功功率，ΔIglim为SCL输出。

1.2 OEL模型及实现逻辑

OEL工作原理为：装置检测励磁电流，当励磁电流超过励磁过流反时限启动值时，励磁过流反时限开始计时，当热容累积超过定值后，限制动作，将励磁电流拉回至发电机长期允许励磁电流值。当励磁电流低于启动值时，励磁装置根据励磁电流计算其冷却值，并计算剩余能容，如果剩余能容大于零，励磁电流又超出启动值，则相应的限制动作时间会减少。

图中Ifact为限制启动值，Ifrtn为限制返回值，Kcool为冷却系数，Ifn为额定励磁电流，If为当前励磁电流，ΔIflim为OEL输出。

1.3 包括OEL和SCL的励磁系统模型

当电网发生短路故障时，励磁系统需要增大励磁以尽可能的维持系统电压的恒定，这个时候就需要励磁系统的强励功能，但在这个过程中，为了防止机组的转子回路和定子回路因电流过大而引起烧损事故，需要OEL和SCL。图3是OEL和SCL与AVR的一种迭加方式，这种迭加方式的动作优先级以SCL为最高，在机组强励以后，只要发电机定子电流达到限制值，SCL限制器即动作，并通过减小或增大励磁电流的方式使发电机电流返回到允许范围内。而OEL和SCL与AVR的另外一种迭加方式，以OEL的优先级为最高，当两个限制器都动作以后，以发电机励磁电流允许值为控制目标。

2 基于电压影响因子的励磁系统强励能力分析方法

OEL与SCL同时动作一般发生在发电机励磁系统强励时，当系统发生短路以后，励磁系统强励动作，此时励磁电流、定子电流都会急剧增大，如果持续时间较长，导致OEL或SCL动作，并将相应的励磁电流或定子电流拉回到允许值以内，这个过程势必要影响到励磁系统强励能力的发挥。

为了定量的表征励磁系统强励能力，现提出电压影响因子Kua的概念。一般情况下，短时故障，如100ms内的故障并切除，励磁系统会发生强励，但是，励磁电流和定子电流尚达不到其动作定值。当机组远端发生故障，部分重点无功源甩负荷，需要机组持续性的向系统输出无功，提高系统的电压稳定性，此时发电机电压的水平高低直接影响到系统电压的恢复，故障过程中的电压水平即为电压影响因子Kua。

电压影响因子Kua的计算方法如下：

(1)

在OEL和SCL动作之前，励磁系统能充分发挥其强励能力，但这两个限制器其中之一动作，其强励能力会受到抑制。分析不同限制器对强励的影响，其Kua计算间隔1s，起始电压应为首个限制器动作时间的电压值。Kua值越大，说明励磁系统的强励能力越强，反之则越弱。

3 算例分析

3.1 仿真参数

仿真分析的参数采用安徽电网某一600MW的机组数据，系统采用单机-无穷大模型。

3.2 系统电压下降至80%时，励磁调节器动作仿真

系统发生故障，导致系统电压降低至80%，需要励磁系统提供无功，仿真过程中，SCL发热系数采用实际设置定值15.6(即1.1倍额定电流启动，1.6倍持续10s)，OEL发热系数为30(即1.1倍额定励磁电流启动，2倍持续10s)。

图4中时间3s时，系统电压下降至80%，励磁系统强励动作，励磁电流、发电机电压、无功功率及发电机电压均立即上升，OEL动作时间为13.79s，励磁电流被拉回至额定，此时定子电流也被拉回至额定附近，在整个过程中，定子电流限制器未动作。

发电机励磁电流为发电机空载磁势与定子电流感应磁势的矢量和，在发电机电压较高时，一般情况下，励磁电流较定子电流先达到限制值，OEL先动作。

取限制器动作瞬间发电机电压为U0，共取8个点，计算图4中的电压影响因子Kua=0.9192.

退出OEL，再次仿真，SCL动作时间为17.29s，发电机电流被拉回至额定。图5即为OEL退出后的仿真录波图。

取13.79s发电机电压为U0，共取8个点，计算图5中的电压影响因子Kua=0.9676.

OEL退出以后，励磁系统电压影响因子变大，此时励磁系统的强励贡献较大，但是，从仿真结果可见，励磁电流明显的超出了其发热极限，实际机组如果发生这种情况，可能会引起转子烧损事故。对于发电机来讲，OEL是必不可少的，而从系统电压下降80%的仿真结果可见，只要OEL存在，发电机定子电流不会达到热容极限，SCL不会动作。

3.3 系统电压下降至70%时，励磁调节器动作仿真

仿真参数同3.2节，系统发生故障，导致系统电压降低至70%，仿真结果见图6，OEL动作于10.13s，励磁电流被拉回至额定励磁电流，但由于发电机电压偏低，发电机电流仍然较大(超过1.1倍额定)，18.44s时SCL达到定值动作，将发电机电流拉回至额定电流。

取10.13s发电机电压为U0，共取8个点，计算图6中的电压影响因子Kua=0.8251.

在本次仿真过程中，若无SCL，则OEL动作以后，定子电流仍然会超出1.1倍额定，会导致定子过电流保护启动，经过反时限计算，定子过电流保护动作于跳机。对系统来说，这种情况下其电压影响因子Kua=0，无电压支撑作用。

3.4 系统电压下降至60%时，励磁调节器动作仿真

仿真参数同3.2节，系统发生故障，导致系统电压降低至60%，仿真结果见图7，OEL未动作，SCL动作于10.92s，SCL动作以后机组发生了振荡，通过计算发现，主要是此时发电机电压过低，导致机组电流过大，但SCL仅能调节发电机电流的无功分量，当无功调节至0以后，发电机电流仍然大于1.1倍额定电流，此时SCL已无法调节。

从仿真结果可见，在机组无功不足时，SCL应闭锁动作，防止出现机组振荡事故。

4 结语

本文通过仿真系统电压下降过程中发电机励磁系统SCL和OEL的动作情况，来分析两个限制器的协调性，从仿真结果可见，OEL是励磁系统必不可少的限制器，其在抑制机组强励过程中转子发热、延长系统故障过程中机组在网时间、提高电压支撑能力方面作用十分显著。而SCL在OEL动作以后，防止机组定子过电流效果明显，具备作为励磁调节器的一个附加控制的必要性。

但是在系统严重故障，如系统电压下降较多情况下，SCL动作以后，发电机仅存在有功电流，其稳定性较差，特别地，某些情况下，发电机有功电流超出了发电机定子电流额定值，SCL已无法调节定子电流，此时，需要闭锁SCL。

综上所述，励磁系统的SCL和OEL两个限制器均有存在的必要性，但优先级应以OEL为高，SCL作为OEL的一个补充，共同组成励磁系统过励限制。

[1] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].第二版.北京：中国电力出版社,2009:75-95.

[2] 刘取.电力系统稳定性及发电机的励磁控制[M].北京：中国电力出版社，2007:136-154.

[3] 林晓峰, 谢树平. 多目标执行依赖启发式动态规划励磁控制[J]. 电力系统及其自动化学报, 2012, 24(3): 28-34.

[4] 丁傲, 谢欢，等. 发电机励磁调节器低励限制协调控制分析[J]. 电网技术, 2012, 36(8):193-198.

[5] 王清明.300MW机组励磁低励限制引起功率异常波动分析[J].热力论坛,2009,38(12):75-77.

[6] 薛小平,王文新. 二滩水电站机组无功功率波动分析[J].水电自动化与大坝监测,2012,36(4):17-19.

[责任编辑：朱子]

Research on Coordination of Stator Current Limit and Over-Excitation Limit

DAIShen-hua,SHENGMing-jun,CHENYan-yun

(ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China)

The coordination control of stator current limit and over-excitation limit has been a hot topic of discussion in the industry, but less related research literature, this paper establishes the simulation model of a 600MW unit, which not only includes the excitation system main loop, also includes the stator current limit and over-excitation limit model. The coordination of two limits is researched based on the simulation model, the study result shows, the two limiters are useful, when the system voltage drops, have obvious effect on the inhibition of the rotor over current and stator over current, to effectively prolong the time of the unit in the network during the failure process, to improve the voltage supporting effect of unit on the grid. Through the simulations under different fault conditions show that, the stator current limit should run with blocking when the system voltage drops too much, to avoid the insufficient of reactive power, and resulting the decline of the system stability. The conclusion has the significance for the excitation system parameter setting and the logic design.

excitation system; stator current limiter (SCL); over-excitation limiter (OEL); coordination

2015- 05-10

戴申华(1984-)，男，安徽池州人，中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，工程师，长期从事发电机励磁系统试验及理论研究工作。

TM311

A

1672-9706(2015)03- 0001- 05