大型同步发电机调速控制的场-路-网耦合法非全相工况下定子电流特性研究

戈宝军 殷继伟 陶大军 岳守俊

关键词：非全相;定子电流;场路网耦合;负序电流;转速控制

DOI：10.15938/j.emc.2019.06.000

中图分类号文献标志码：A 文章编号：1007 -449X（2019）06 -0000 -00

Abstract：In order to accurately analyze the stator current of the generator under openphase condition， the fieldcircuitnetwork model with the speed control suitable for the generator running under grid connected condition was established. And then， the stator current was calculated under the two kinds of openphase conditions， which the one phase or two phases of the YNd11 transformations high voltage（HV） side were off， when the generator was running at rated grid connection connected condition. The relationship between the stator currents were revealed under different phaseopen conditions. Also the dynamic influence of the speed control to the fault current was presented. The steady negativesequence current was calculated under two kinds of fault conditions. The influence of nonlinear factors on the simulation results was considered under openphase condition. In order to actually simulate the generator running at gridconnected condition， the fieldcircuitnetwork model contains the speed control system， and the generator and the infinite system were connected by the transformer and parallel twoway overhead power transmission lines， which was more close to the engineering practice. At last comparing with the result of analytical method， the validity of the method was proved in this paper.

Keywords：openphase; stator current; fieldcircuitnetwork; negativesequence current; speed control

0 引 言

發电机经常会发生不对称运行，当发电机并网运行时，如果发生不对称运行，则会危及到发电机和整个电网系统的安全运行。而发电机非全相运行属于一种特殊的不对称运行，当发电机非全相运行时，定子电流中会出现负序分量，该负分量会产生负序旋转磁场，当电机同步运行时，该负序旋转磁场便会以2倍于基波的角速度切割转子，在转子绕组中产生感应电势和电流，感生出的电流频率2倍于基波频率[1]。由于频率较高和集肤效应的存在，感应电流将集中在转子本体和其各部件的表层中，引起转子表面的附加损耗增加，电机的温升就会随之增大。所以如何准确地分析确定发电机非全相运行时定子各相电流之间的关系以及计算出负序电流大小，对系统非全相故障的预判以及整个电网系统能否安全运行会产生至关重要的影响。同时由于在工程实际中，发电机并网运行发生故障时，其发电机转速会发生波动，这种波动会使故障后定子电流发生相应的动态变化，所以如何准确模拟和分析转速这一波动对发电机电流的动态影响显得至关重要。

国内外学者在发电机不对称运行方面的研究取得了较多成果，早在1937年学者米勒和威尔分析了单相对地短路和相间短路2种不对称情况下电机定子电枢电流，对比分析了有无系统电阻时，上述2种不对称情况下定子电流谐波特性的不同[2]。1975年学者费莱特采用路的方法给出了交流电机在不对称短路情况下的时间常数的计算公式[3]。文献[4]采用有限元的方法对一台大型水轮发电机暂态和次暂态阻抗进行了仿真计算，并且计算结果与实验结果相吻合。文献[5]给出了同步发电机突然短路时定子电流各序分量的解析表达式，同时通过对转子各序电流的分析，得出在电机发生不对称短路故障时除负序分量外，转子感应电流中的正序和零序分量对转子的危害也必须加以考虑。文献[6]研究励磁绕组匝间短路情况下，定转子电流的谐波特性，并且分析出影响谐波特性的主要因素是定子三相绕组的连接方式与分布，而励磁绕组匝间短路的短路匝数、位置、极对数也会对其产生影响，并通过实验验证了研究方法的正确性。文献[7]推导了发电机励磁绕组匝间短路情况下，发电机励磁电动势、气隙磁密和定子空载电势等物理量的表达式，分析出定子空载电势的奇次谐波变化量的比值与励磁线圈匝间短路位置有着一一对应的关系，在此基础上提出了发电机励磁绕组匝间短路的诊断方法，通过该方法可以实现对故障位置的准确定位。文献[8]以一台1 400 MW汽轮发电机为例，采用有限元法对发电机在不对称负载情况下，电机内磁场进行了分析，分析表明，发电机在不对称情况下，电机内磁场出现了严重的畸变，同时发现电枢磁密和电枢电压也出现了明显变化。文献[9]分析了3种不对称短路情况下，同步电机稳态短路电流之间的大小关系。文献[10]将多回路法与有限元法相结合，对发电机不对称短路和内部绕组不对称故障等暂态过程进行了仿真计算，并且考虑了磁极、齿槽等因素的影响，将仿真结果与实验数据进行了对比，验证了数学模型的正确性。文献[11]采用场路耦合法计算了在极端不对称工况下，水轮发电机阻尼条电流，并与实验结果进行了对比，验证了方法的正确性。文献[12]建立了适用于汽轮发电机分析的场路耦合时步有限元模型，采用该模型对汽轮发电机空载运行时单相对地短路、相间短路以及两相对地短路各电气量进行了计算。

關于发电机非全相运行，学者进行了一定的研究，文献[13-14]采用相量法分析了电力系统非全相运行时电流各序分量之间的关系，并且给出了电力系统非全相运行时一些注意事项和非全相故障的一些处理方法。文献[15]对发电机非全相运行时失磁和未失磁情况下发电机定子电流进行了分析。文献[16]针对一起非全相运行事故进行了理论计算分析，将计算结果与现场结果进行了对比，结果一致。文献[17]对发变组变压器高压侧发生短路故障切除后重合闸过程和主变压器高压侧一相或者两相断开的发电机非全相状态进行状态下发电机端电压、定子三相电流的特征，并与实验得到的录波数据进行了对比验证，同时根据分析结果，提出了发变阻非全相运行时的防范措施。

以上关于发电机不对称运行的研究多数集中于对发电机内部和外部短路的研究，而对发电机非全相运行相关问题的研究较少，在原有关于发电机不对称动态分析的研究中，多是采用解析法和有限元法进行分析。解析法无法考虑磁场饱和、畸变等非线性因素的影响，而有限元法虽然考虑了非线性因素的影响，但研究中多是针对单机负载进行研究，而没有将电网系统考虑进去，即不是对发电机并网运行情况下，不对称问题进行研究，这样无法考虑故障后机网之间的相互影响，同时在发电机发生故障后，认为转速恒定不变，没有将故障后转速波动考虑进去。而在发电机非全相运行相关的研究中，都是采用传统解析法对非全相运行后发电机定子电流进行研究，同时对于系统的负序电抗而言，其值还与故障类型有关，而随着发电机自身的旋转，其自身负序电抗也会发生变化。但在采用传统解析法进行计算时，发电机各序电抗一般取近似值，并且忽略了磁场饱和、畸变等非线性因素对电抗的影响。

本文则建立了含有调速系统的适用于发电机并网运行的场路网耦合时步有限元模型，充分考虑了磁场饱和、畸变等非线性因素对电机的影响，以及故障后转速波动对发电机定子电流的动态影响。首先，采用该模型分析了变压器采用YNd11接线时发电机非全相工况下，定子三相电流之间的关系，并计算了故障后稳态负序电流，然后，分析了故障后转速波动对故障电流的动态影响，最后，与解析法计算结果进行了对比，验证了所建模型的正确性。

3 结 论

本文在考虑转速控制系统的情况下，通过对1 407 MVA汽轮发电机并网非全相工况下定子电流特性的研究，得出如下结论：

1）采用场路网耦合法对发电机额定运行时，连接方式为YNd11的变压器高压侧断路器一相和两相断开的非全相工况进行了仿真计算，得出一相（A相）断开时一相（B相）电流较大，而另外两相（A相和C相） 电流大小近似相等但相位不同，两相（B相和C相）断开时一相（B相）电流为0，另外两相（A相和C相）大小相等，方向相反。同时计算了2种故障情况下负序电流，计算结果表明两相断开后负序稳态电流有效值大于一相断开时负序稳态电流的有效值 ，约为其值的3.1倍。说明两相断开较一相断开时，负序电流更大，对电机和电网的危害更为严重。同时也为电网系统非全相故障提供了判断依据。

2）模型中加入了转速控制系统，从仿真结果可以看出当发生非全相故障时，发电机转速出现了波动，出现了转差，此种情况在故障后定子电流波形中也得到了反映，其转速和电流的振荡时间是一致的，经转速控制系统调节在数个周期之后恢复到同步转速，同时得出两相断开非全相故障比一相断开非全相故障转速波动时间更长，对电机的动态影响更大。并与在没有采用转速控制情况下的计算结果进行了对比，对比结果表明，转速波动对故障电流的动态影响非常突出，表明本文研究方法对系统故障后瞬态问题的研究更为准确，更能贴近工程实际。

3）以A相断开为例，采用解析法和场路网耦合时步有限元法2种方法分别计算了故障后定子三相稳态电流和负序稳态电流，得到结果较为接近，略有差异，验证了方法的正确性，差异主要是由于在采用场路网耦合时步限元法进行计算时，考虑了整个系统电阻的影响以及发电机磁场饱和、畸变等非线性因素对各序电抗的影响。

参 考 文 献：

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（编辑：刘琳琳）