抽水蓄能机组过励限制功能分析与实测研究
吴跨宇，卢岑岑，沈轶君
(国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014)
【摘 要】 本文在梳理相关发电机和励磁技术标准对强励和过励限制规定的基础上，分析了抽水蓄能机组过励限制与电机转子过热特性及转子过负荷继电保护的匹配原则。以某国内常见300MW典型抽蓄机组为例，分析了配套进口励磁系统的过励限制功能并进行了实测验证，结合复核计算得出了过励限制本身不符合电机转子过热过程物理特性和相关技术标准规范，以及与机组配套的转子过负荷保护不能实现曲线匹配等问题，并提出了相应的建议。
【关键词】 抽水蓄能;强励;过励限制;转子过负荷保护;匹配
0 引言
与常规电源相比，抽水蓄能电站能够适应负荷的快速变化，可以根据需要快速进行发电和电动状态的转变，具备更灵活的调峰、调频、调相和事故备用能力[1-2]，从而保证电力系统的安全稳定运行。抽水蓄能机组特殊的运行和启动方式要求发电机的励磁系统具备比常规火电、水电机组更加灵活多样的运行模式。励磁系统强励可以在系统电压跌落后通过大量输出无功功率来迅速抬升发电机机端电压和主变高压侧母线电压，对保证发电机有功功率送出以提高系统暂态稳定性[3]、维持系统电压水平并在故障切除后加快母线电压的恢复以提高系统电压稳定性有重要作用。但是受机组转子过负荷能力限制，发电机强励后需要配套采用过励限制来限制强励电流附加热积累水平，防止转子绕组过热损坏。
随着抽水蓄能机组的大量投产，抽水蓄能励磁系统的强励和配套过励限制功能从提升电力系统暂态稳定性和机组自身安全性角度都日趋重要。然而，目前抽水蓄能机组大都为成套进口设备，励磁系统多采用原装进口产品，一方面其设计理念和技术标准与国内的习惯存在差异;另一方面进口设备的技术资料不够全面，难以检验限制功能的合规性和有效性。因此，本文以某300MW典型抽蓄机组为例，对其顶值限制、过励限制功能及其与发电机和继电保护的匹配进行了分析探讨，并开展了现场实测验证，提出了该抽水蓄能机组过励限制功能配置上存在的问题。
1 抽水蓄能机组强励与过励限制及其匹配要求
1.1 标准规定要求
1.1.1 发电机标准对过励能力的要求
GB/T 7064—2008《隐极同步发电机技术要求》[4]规定:发电机转子过电流能力，以发热常数33.75为基准，见表1。
表1 GB/T 7064—2008规定的转子过负荷能力
表1中的数据可以用解析式表达为
式中:If为以发电机额定转子电流为基值的转子电流标么值，p.u.;t为在该转子电流下的允许运行时间，s。
GB/T 7894—2009《水轮发电机基本技术条件》[5]规定，水轮发电机的转子绕组应能承受2倍额定励磁电流，持续时间为:①空气冷却的水轮发电机不少于50s;②水直接冷却或加强空气冷却的水轮发电机不少于20s。
文中范例抽水蓄能发电机组采用的是空气冷却方式，其2倍额定励磁电流强励允许时间应不少于50s。
1.1.2 励磁标准对强励和过励限制的规定
GB/T 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》[6]5.4条目中规定，励磁系统的顶值电流应不超过2倍额定励磁电流，允许持续时间应不小于10s。
DL/T 843—2010《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》[7]在6.5.8中规定，过励反时限制应符合GB/T 7064—2008规定的发电机磁场过电流特性的反时限特性;在6.5.9中规定，顶值电压倍数大于顶值电流倍数的励磁系统应具有顶值电流瞬时限制功能;在附录A1中规定，过励反时限特性与发电机过负荷保护特性之间留有级差，顶值电流下的过励反时限延时应比发电机转子过负荷保护延时适当减小，但不宜过大。
实际工程应用中，汽轮发电机组转子过负荷反时限制热容整定值一般为30，即满足2倍强励10s的要求。水电励磁标准DL/T 583—2006《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》[8]规定，励磁系统在输出顶值电流情况下，允许持续时间不小于20s，则对应的热容为60。
1.1.3 标准要求小结
参考火电机组相关技术标准对发电机强励和励磁系统过励限制功能的要求，结合水电技术标准具体规定，可以总结出以下结论:
(1)抽水蓄能机组及其配套励磁系统的强励电流倍数要求一般为2倍，2倍时的持续时间为20s。
(2)反时限特性应参照式(1)计算特性。
(3)过励反时限限制应先于发电机过热特性曲线和继电保护转子反时限动作曲线，且三者之间应留有级差，级差设置应充分考虑励磁系统控制特性和安全裕度。
1.2 与励磁电流限制相关的保护功能及匹配要求
与励磁系统强励有关的保护主要有励磁变压器过流速断保护、励磁变压器过流定时限保护、过流反时限保护、转子过负荷保护等。其中励磁变压器速断过流保护及其后备保护过电流定时限保护一般用于保护励磁变压器相间或励磁整流桥等主回路短路，一般只需与强励顶值电流值进行匹配。
过流反时限和转子过负荷动作特性应与发电机转子绕组允许过热特性相同，采用式(1)形式，整定参数保证在过热水平达到转子绕组最大允许值前动作，但应与励磁系统过励限制参数进行配合，在励磁系统强励后、继电保护动作前，应让励磁系统有足够的时间将强励电流控制到长期允许运行电流以保持发电机和励磁系统继续运行，防止在大的系统振荡过程中，过多地切除发电机导致系统彻底崩溃。
1.3 抽水蓄能机组电动模式下励磁限制与继电保护和发电机特性的匹配
电动机运行模式包括负荷运行和启动运行两个阶段，在负荷运行阶段，转子发热特性与发电机相同，但具体热容可能不一致，实际运行中有必要时可进行热容值切换，过励限制和过负荷保护配合关系不变。
对于启动运行阶段运行的电动机，无论是静止变频启动(SFC启动)，还是背靠背启动，启动过程中发电机转子电流一般处于发电机空载运行电流状态，远小于电机的额定励磁电流值，一般不会进入过负荷限制和保护范围。同时，启动过程处于励磁系统手动控制状态，过励限制等相关辅助控制环节不参与控制。但要注意的是，启动运行阶段，由于转速较低，当转子电流过大时，虽然不会引起电机转子过负荷，但容易引起过电压或过磁通，运行不当会损坏电机。
2 顶值限制与过励限制功能及其与继电保护匹配分析
2.1 顶值限制功能分析
本文范例机组配置的励磁系统具有最大励磁电流和最小励磁电流瞬时限制功能，两种功能可以通过设定各自功能。本节主要讨论无延时最大励磁电流限制(即励磁电流顶值限制，又称强励限制功能)。其逻辑框图见图1。
图1 范例机组励磁系统最大、最小励磁电流限制逻辑框图
图1中，IPIW是实际励磁电流检测值，IPmin是发电机最小励磁电流限制定值，IPmax是发电机最大励磁电流限制定值，即发电机励磁电流的强励倍数，limiter1是励磁电流限制器的输出信号，IPSoll是机端电压控制方式的控制输出，IPSWG是各控制、限制环节在AVR输出点叠加后的励磁电流控制环节给定值。
励磁系统顶值限制采用无延时的并联PI控制，其控制函数为
式中:KPmaxU为比例放大倍数;TImaxU为积分时间系数。
根据范例机组的参数定值表，IPmaxU对应为V821参数，其设定值IPmaxU=1.6001;顶值励磁电流对应1.6倍额定励磁电流，即强励倍数为1.6倍。
2.2 过励限制特性分析
范例机组励磁系统过励限制逻辑框图见图2。
图2 范例机组过励限制逻辑框图
图2中，IPIW是由控制器检测环节提供的当前励磁电流值，IPMAXV是过励限制的启动门槛值，即长期容许运行电流定值，IPZONE是励磁电流死区，limiter 2是限制器输出信号，UGSW是发电机机端电压原始设定值，UGSWS是最终的机端电压给定值。
当前励磁电流检测值IPIW经过一阶惯性环节延时后，与励磁电流启动设定值IPMAXV进行比较，在当前励磁电流IPIW大于IPMAXV时，限制器启动并在限制积分器中开始负向积分，负向积分输出作用于降低机端电压的给定值。当励磁电流下降至启动值IPMAXV以下时，限制积分器停止工作，并且保持输出信号值不变。当励磁电流值下降至启动值IPMAXV减去一个设定死区值IPZONE后，限制积分器返回，并将输出清零，限制器功能退出工作。值得指出的是，逻辑框图中并未考虑热积累的反向积分(即散热过程)。
范例机组励磁调节器中过励限制由励磁电流反时限限制完成，反时限曲线计算公式为
式中:IP2为当前实际励磁电流值，p.u.;IP1为过励发生前一时刻的发电机运行励磁电流值，p.u.;TVIPB为设定的延时时间，其对应控制器参数V952，当V952=1p.u.时，对应时间100s，实际设定值V952=0.5，即对应时间为50s;IPMAXV为启动值，对应控制器参数V842，实际设定值V842= 1.0498p.u.，将范例的设定值带入式(3)后得
式中:If为励磁电流当前值，p.u.;If0为过励前的励磁电流值，p.u.。
从公式可知，励磁过电流限制动作时间与过电流时励磁电流相关，也与过电流发生前的励磁电流相关，为一系列曲线，不同过励水平和过励前初始值下的反时限特性见表2。
表2 不同过励水平和过励前初始值下的反时限特性 单位:s
2.3 过励限制特性现场实测
控制直流电压信号发生器输出的励磁电流模拟信号到设定初始值，观察限制器和励磁控制器稳定后，采用信号阶跃方式模拟励磁电流阶跃快速达到预定值，检查励磁限制器动作情况，记录阶跃开始时刻至限制器动作的时间，检查反时限特性及其与初始电流之间的关系，记录发电模式下反时限过励限制动作时间测试表见表3。
表3 发电模式下反时限过励限制动作时间测试表
与根据说明书理论计算的励磁系统过励限制反时限一样，实测反时限延时时间与过励前的初始电流值以及过励倍数均相关，但根据制造厂提供的说明书理论计算的励磁系统过励限制反时限特性与实测反时限特性相应状态下的延时时间差别很大，在不同的初始电流和过励程度下，实测的反时限延时均要比理论计算值长，尤其是在初始电流较大的情况下，实测反时限延时要明显比理论计算延时时间长。虽然从物理上说，发电机转子绕组过电流后的热积累特性确实与过励发生前的转子电流有关，较低的初始电流下，起点温度相对较低，应该允许有较长时间的过负荷能力，但实际上由于较低电流对应于较长过励时间之间的特性关系难以确切掌握和控制，目前从保障发电机主设备安全角度出发，一般均以过励前为额定励磁电流的工况作为统一计算标准。
2.4 转子电流相关保护特性分析
以机组转子过负荷保护为例进行分析，机组转子过负荷保护整定参数见表4。
表4 转子过负荷保护整定参数
其中，动作值电流取自励磁变压器低压侧TA，变比为3000/1。
范例机组额定励磁电流Ifn=1773A，折合到励磁变压器低压侧的电流为
2.4.1 一段整定计算
按躲过最大正常电流计算为
计算对应励磁变压器一次侧电流为
计算对应励磁电流为
动作时间:5s，动作于告警信号。
2.4.2 二段整定计算
ELIN的保护装置只能整定到0.65A，因此取Iop2=0.65A。
动作时间:按躲过强励时间，取10s，动作于跳GCB、ECB、SFC开关、停机。
计算对应励磁变压器一次侧电流为
计算对应励磁电流为
可见，转子过负荷保护为1.35倍，10s动作。
将范例机组励磁过励限制、继电保护转子过负荷保护和国家标准中的转子过负荷能力特性统一作图，见图3。其中，不同的曲线分别对应不同的过电流发生前初始励磁电流值。
2.5 过励限制功能特性与匹配技术小结
(1)范例机组励磁系统转子过电流限制及转子过负荷保护曲线与发电机转子过负荷特性均无法实现曲线配合。特别是当过负荷电流小于1.35倍额定电流时，对应继电保护不会动作，当励磁电流长期过负荷运行在1.1～1.35倍且限制失效时，由于没有相应的过负荷保护动作，因此存在机组转子过负荷损坏的风险。
图3 转子过负荷保护与励磁系统过励限制特性曲线对比图
注:曲线GB/T 7894—2009是按照20s时间要求计算，如果按照50s计算，则容许时间远大于图中所有曲线。
(2)鉴于范例机组的转子过负荷保护设定值为1.35倍，动作时间为10s，而实际测试的过励限制反时限延时均大于10s。因此，当过励水平大于1.35倍时，继电保护可以动作停机，发电机可以得到保护(前提是发电机转子过负荷能力在1.35倍以上且容许时间大于10s)，但是继电保护先于励磁过励限制动作，不能充分发挥励磁限制功能的作用。
(3)由于缺少发电机本身的转子过负荷特性曲线，以GB/T 7064—2008中的典型曲线2倍电流倍数、持续时间10s为例，励磁系统过励限制功能只有在过励发生前励磁电流大于0.8倍时的曲线才能与标准过负荷曲线配合，即限制先于机组转子过负荷能力动作。当过励发生前的励磁电流小于0.8倍时，以及在过流倍数大于1.35时，限制动作时间大于标准容许值，励磁系统过励限制不能有效保护发电机转子绕组过负荷。
(4)由于范例电站是抽水蓄能型机组，按照一般运行规律，不论发电还是电动工况下，均运行于额定有功功率点。电站2号、4号机某一典型时刻发电工况下实际电气参数见表5。
表5 2号、4号机典型发电工况电气参数
抽水时与发电工况相近，夏季高峰时，机组无功相比会更高，但一般不超过50Mvar。由表5可见，励磁电流约为额定励磁电流的80%，因此，范例机组在正常带负荷运行过程中，励磁电流一般不会小于70%Ifn，即过励发生前，一般励磁电流不会太小。在进行过励限制与过负荷保护、机组特性配合时，可以重点考虑过励前初始电流If0大于70%的情况。
3 结语
本文在梳理了相关技术标准对发电机励磁系统强励、顶值限制和过励限制相关规定基础上，分析了抽水蓄能发电机组发电和电动工况下过励限制的工作特性，提出了过励限制的配置方法及其与发电机组及相关继电保护的匹配原则。
以国内常见的某300MW典型抽水蓄能机组为算例，分析了过励限制的计算逻辑、对应继电保护的整定匹配，并进行了实测验证。得出了机组励磁系统过励限制、转子过负荷保护配置方案与相关技术标准存在明显差异的结论，提出了过励限制不能与发电机转子过负荷特性以及转子过负荷保护进行曲线匹配的问题，建议发电机制造厂提供实际的发电机组转子过负荷能力曲线，并采用符合标准要求的励磁限制及对应继电保护计算逻辑，以实现“励磁限制—继电保护—主设备运行极限”的功能曲线配合技术原则，支撑电力系统稳定运行的同时保障主设备自身安全。
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[8]DL/T 583—2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件[S].北京:中国电力出版社，2006.
作者简介:
吴跨宇(1979— )，男，浙江萧山人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向:发电机励磁系统、网源协调和电力系统分析。E-mail:fuzzywky@qq.com
卢岑岑(1986— )，女，浙江杭州人，硕士研究生，工程师，主要研究方向:发电机励磁系统和电力系统分析计算。E-mail:cencen_lu@163.com
沈轶君(1988— )，男，浙江绍兴人，硕士研究生，工程师，主要研究方向:发电机励磁系统。E-mail:syj1207@gmail.com