火电厂辅机变频调速系统建模与仿真

陈延云， 徐 敏

(1.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；2.国网太湖县供电有限责任公司， 安徽 太湖 246400)

火电厂辅机变频调速系统建模与仿真

陈延云1， 徐 敏2

(1.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；2.国网太湖县供电有限责任公司， 安徽 太湖 246400)

建立了基于PSCAD的辅机变频调速系统及其负荷模型，并完成与BPA仿真平台的逻辑对接，实现了机电暂态和电磁暂态联合仿真系统，用于电网故障对发电厂厂用系统的影响的分析研究。通过电厂出线单相故障、三相故障的仿真分析，验证了仿真模型的准确性和工程应用价值。

电厂辅机；变频调速；PSCAD；BPA；建模

0 引言

随着国家节能减排力度的增加，火电机组节能降耗成了人们关注的焦点问题。各发电企业都在尽最大限度的挖掘节能潜力、降低运行成本。由于火力发电系统中各辅机的耗电量相当大，为满足节能降耗目的，各发电公司和设计单位在许多火电厂辅机的设计上都越来越倾向于采取变频器技术。变频调速是在大功率整流元件上发展起来的新技术，它把变频、微电子、机电结合起来，其优异的调速和启动性能、高效率、高功率因数和节电效果好等众多优点而被认为是最有发展前途的调速方式之一[1,2]。

然而，变频调速系统在带来节能环保方面巨大优势的同时，也带来了电力系统稳定运行方面的新问题：如运行故障率高、对电网故障的抵抗能力差等。由于变频装置对电压波动非常敏感，即使是在系统发生瞬时故障导致电压暂降时，相关辅机也可能因变频器低电压穿越能力不足而停止运转，进而可能导致机组被动减负荷甚至跳闸，并对电网运行造成影响[3,4]。当前，电网调度部门对辅机变频调速系统的低电压穿越能力提出了一系列指标要求。由于发电厂电气系统的规模和复杂程度，很难通过现场试验进行指标验证。

本文建立了基于PSCAD的辅机变频调速系统及其负荷的电磁暂态仿真模型，并实现与BPA仿真平台的逻辑对接，建立了机电暂态和电磁暂态联合仿真系统，用于电网故障对发电厂厂用系统的影响分析研究。

1 辅机变频调速系统模型

本文在PSCAD中搭建了火电机组辅机变频调速系统的仿真模型[5,6]。如图1所示，该模型主要由三部分组成：受控电源模型、变频器模型以及异步电动机模型。

1.1 受控电源模型

为研究不同电网故障对发电机组厂用系统的影响，在PSCAD中采用如图2所示的受控电源模型。只需将BPA仿真得到的火电厂母线电压在不同电网故障下需要承受的低电压穿越曲线作为该受控电源的输入，即可输出相应的低电压穿越波形。

将电厂母线电压曲线作为电压幅值的控制信号(对应图3中的Control-V曲线)，输入受控电源，受控电源输出三相电压的有效值如图3中的M1_Vrms所示。由图可见，受控电源可以有效跟踪电压幅值控制信号，使得受控电源的输出得以可靠复现BPA仿真得到的母线电压暂态特性。

1.2 变频器模型

本文所建立的变频器模型，其拓扑采用交-直-交结构。变频器整流侧采用不可控的三相全桥整流电路，逆变侧采用电流型脉宽调制(SPWM)的控制方法加以实现[7]，而电动机调速方式采用最基本的V/F控制方式，整个变频器的控制电路如图4所示。

变频器的保护定值按照实际工程应用所给参数整定：与6kV母线相连的变频器，其跳闸保护定值整定范围取45%～70%额定电压，与400V母线相连的变频器，其跳闸保护的定值整定范围取70%～90%额定电压。

1.3 异步电动机模型

本文所建立的异步电动机模型采用如图5所示的绕线型感应电动机模型。

感应电动机既可以运行于速度控制模式，也可以运行于转矩控制模式下。正常情况时，在仿真初始时刻，电动机在速度模式下启动，启动速度由 W 决定。当电机初始暂态过程结束，进入稳态运行时，即切换到转矩控制模式下。从而保证电动机在仿真中顺利达到稳定状态，之后再加入故障事件，以观察电动机在动态过程中转矩和转速的变化。

2 厂用辅机的聚合等效

厂用系统中辅机种类和数量众多，受到PSCAD仿真计算量的限制，无法对厂用系统中的全部辅机及其变频器进行建模。因此，需要对厂用系统的辅机进行分类，并对同一类的辅机进行等效，建立典型厂用辅机模型，最终可采用较少的典型厂用辅机模型等效整个厂用系统的动态特性。

借鉴电力系统暂态稳定仿真计算中的感应电动机群聚合方法，本文采用基于容量归算的聚合方法[8～10]。对某600MW容量的典型发电机组厂用辅机进行聚合等值，得到如表1所示的四组典型发电机组厂用感应电动机分组聚合模型参数。

表1 典型发电厂厂用感应电动机分组聚合模型参数

3 厂用电系统仿真模型

根据表1的聚合模型参数，在PSCAD中搭建厂用电仿真系统。仿真系统采用受控电源模拟发电厂母线节点，将BPA仿真得到的不同电网故障下的电厂母线电压曲线作为受控电源的控制信号输入，以复现不同的电网故障对电厂母线的影响。

受控电压源通过一升压变压器与20kV工作母线相连，一台同步发电机与工作母线直接相连，工作母线再通过一厂用变压器接至6kV厂用母线，6kV厂用母线通过一交-直-交调速变频器，与一感应电动机模型相连，该电动机模型采用表1中的A组聚合等效感应电动机参数，用以仿真大型的厂用辅机。

6kV厂用母线再通过一厂用低压变压器，与400V低压厂用母线相连，该400V低压厂用母线分别与以下四个负荷相连：

(a)400V低压厂用母线通过一个变频器，与一感应电动机模型相连，该电动机模型采用表1中的B组聚合等效感应电动机参数，用以仿真小型厂用变频辅机；

(b)400V低压厂用母线通过一个变频器，与一感应电动机模型相连，该电动机模型采用表1中的C组聚合等效感应电动机参数，用以仿真中型厂用变频辅机；

(c)400V低压厂用母线直接与一感应电动机模型相连，该电动机模型采用表1中的D组聚合等效感应电动机参数，用以仿真无变频调速器而直接与厂用母线相连的厂用辅机；

(d)400V低压厂用母线与一恒阻抗负荷模型相连，用以仿真其他非电动机类的厂用负荷。

本文所搭建的厂用电仿真系统，可以较为全面的研究各类厂用辅机在不同电网故障下的动态特性。

4 仿真

4.1 单相故障的低电压穿越仿真

(1)6kV厂用变频调速系统仿真

对于6kV的厂用变频器，其保护定值一般在45%～70%额定电压。在单相故障情况下，即使采用电压跌落最为严重的电厂出线首端单相短路故障方式，其电压跌落的最低点为71.80%，高于6kV 高压变频器的低压保护整定范围，故6kV 高压变频器在电网发生单相短路故障时，并不会启动低电压保护。PSCAD仿真得到的电厂出线首端单相短路时6kV高压变频器的低电压穿越仿真波形如图6所示，其中：(a)为与6kV高压变频器相连的发电厂辅机的转速曲线；(b)为电厂母线电压以及6kV高压母线电压有效值；(c)为变频器输出的交流电压有效值；(d)为变频器输出的三相交流电流的瞬时值。

因此，在合理的低电压保护定值范围(45%～70%)内，目前主流的6kV高压变频器基本具备电网单相故障下的低电压穿越能力。

(2)400V厂用变频调速系统仿真

以电厂出线末端单相短路时400V变频器的低电压穿越仿真为例。当400V变频器低电压保护定值整定为85%时，其仿真波形如图7所示，其中：(a)为与400V变频器相连的发电厂辅机的转速曲线；(b)为电厂母线电压以及400V低压母线电压有效值；(c)为变频器输出的交流电压(S1_Vrms)以及电动机机端电压(M1_Vrms)有效值；(d)为变频器输出的三相交流电流的瞬时值。

由图7不难看出，在单相短路故障发生后的电压跌落过程中，400V低压母线电压的最小值已低于低压变频器的低电压保护定值，故400V的厂用辅机变频器因低电压保护动作而跳闸。

对于400V的厂用变频器，其低压保护定值一般取70%～90%额定电压。在单相故障情况下，即使采用电压跌落最为轻微的电厂出现末端单相短路故障方式，其400V低压母线电压跌落的最低点为84.10%，其值处于低压保护定值范围内。特别值得一提的是，该仿真结果与所选取的电压节点在实际运行过程中出现的系统故障所导致的电压下降程度(84%)完全吻合。

由此可见，当400V低压变频器的低电压保护定值整定较高时，与电厂电气距离较近的单相故障都有极大的可能因为电压跌落低于400V厂用变频器的低电压保护定值，从而导致其保护动作而跳闸。因此，对于主流的400V厂用变频器，因其在电网单相短路故障下的低电压穿越能力不足而导致跳闸的风险较高。

4.2 三相故障的低电压穿越仿真

(1)6kV厂用变频调速系统仿真

当三相故障发生时，即使采用电压跌落最为轻微的电厂出现末端三相短路的情况，其高压厂用母线电压跌落的最低点达到55.8%，该值处于6kV 高压变频器低压保护的整定值范围内。当其低电压保护参数高于55.8%时，6kV 高压变频器将会因低电压保护动作而跳闸。

以电厂出线末端三相短路时6kV变频器的低电压穿越仿真为例，当整定6kV的变频器的低电压保护定值为60%时，其仿真波形如图8所示，其中：(a)为与6kV高压变频器相连的发电厂辅机的转速曲线；(b)为电厂母线电压以及6kV厂用母线电压的有效值；(c)为变频器输出的交流电压(S1_Vrms)以及厂用辅机机端电压(M1_Vrms)有效值；(d)为变频器输出的三相交流电流的瞬时值。

由图8不难看出，在三相短路故障发生后的电压跌落过程中，6kV厂用母线的最小值已经处于6kV高压变频器的低电压保护定值的整定范围内，故6kV高压变频器有极大的可能因低电压保护动作而跳闸。

风机类高压变频器(如：一次风机、送风机、引风机等辅机变频器)基本具备瞬停功能。在低电压穿越区内，变频器可短时中断输出保护自身设备但不跳闸，这时电机处于自由制动状态，拖动设备由于系统惯性作用仍可以继续转动，但转速逐渐降低，此时若在指定的“等待时间”内电源电压恢复正常，变频器将按照“跟踪转速再起动”方式再起动，就可以躲过电源电压的瞬间波动。这种方法应有速度传感器，并应将变频器的控制电源接到UPS 电源(或直流供电)。设计参数包括要承受的最长扰动持续时间、从电源恢复到电动机返回原有转速的时间。

(2)400V厂用变频调速系统仿真

以电厂出线末端三相短路时400V变频器的低电压穿越仿真为例，其仿真结果如图9所示。由图不难看出，在三相短路故障发生后的电压跌落过程中，400V厂用母线的最小值(51.75%)已经远低于400V变频器的低电压保护定范围，故其因低电压保护动作而跳闸。

由此可见，当离电厂距离较近的电网节点发生三相短路故障时，由于电压跌落较低，其值将低于400V厂用变频器的低电压保护整定范围，从而使得其因低电压保护动作而跳闸。

5 结论

本文建立了基于PSCAD的火电厂辅机变频调速系统及其负荷的仿真模型，并实现与BPA仿真平台的逻辑对接，建立了机电暂态和电磁暂态联合仿真系统。将区域电网的BPA数据与PSCAD仿真系统相结合，通过电厂出线单相故障、三相故障的仿真分析，验证了所建立的仿真系统的准确性和工程应用价值。

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[责任编辑：朱子]

Modeling and Simulation of Variable Frequency Speed-Regulating System for Power Plant Auxiliary

CHENYan-yun1，XUMin2

(1.ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China; 2.StateGridTaihuCountyPowerSupplyCo.,Ltd.,Taihu246400,China)

This paper establishes the model of variable frequency speed-regulating system based on PSCAD for power plant auxiliary and its load model, and completes the logic interfacing with the BPA simulation platform. The joint simulation system of the electromechanical transient and electromagnetic transient is realized, which is used for the analysis and research of the influence of power grid fault on power plant system. By the simulated analysis of the single phase fault and three phase fault of power plant outgoing line, the accuracy and engineering application value of the simulation model are verified.

power plant auxiliary; variable frequency speed-regulating; PSCAD; BPA; modeling

2015- 05-10

陈延云(1982-)，男，浙江景宁人，硕士，工程师，中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司电气室副主任，主要从事大型发电机组继电保护、励磁控制以及源网协调等方面的生产和研究工作。

TP391.9

A

1672-9706(2015)03- 0104- 07