抽水蓄能机组网源协调重要参数配合分析
叶炜敏，郑树青，王梓琪
(华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200)
【摘 要】 机组网源协调重要参数是保证机组安全运行的重要因素之一。本文通过分析桐柏电站机组转子过负荷能力、转子过负荷保护及励磁电流限制的关系，定子过负荷能力、定子过负荷保护及励磁定子电流限制的关系，过激磁能力、过激磁保护与伏赫兹限制的关系，指出了各重要参数协调时存在的问题，然后结合桐柏电站的实际情况进行了相应的整改。
【关键词】 网源协调;转子绕组过负荷;定子过负荷;机组过激磁能力
0 引言
随着电网迅猛发展，“特高压、大电网、大电源”特征凸显，给抽水蓄能机组的涉网技术提出了更高的要求。“8.14”美加大停电等大停电事故有着深刻的教训，部分并网机组励磁系统、涉网保护等配置不合理引起误动跳闸，直接导致事故停电范围扩大;另外还存在励磁系统的限制、涉网继电保护的整定值没有考虑机组的性能等问题，限制值和整定值过于保守，致使不能充分发挥机组的性能。因此对励磁系统、涉网保护等配置和重要参数进行合理设定，使网源协调运行，保证电网安全稳定运行，是电站的一个重要任务。
网源协调重要参数普遍存在的主要问题有:机组生产厂家未提供机组P—Q曲线、过励磁曲线、过励曲线，无法判断过励、过激磁能力是否满足标准要求;根据有的生产厂家提供的曲线，部分机组转子过负荷能力不能满足国标要求;过励限制定值、转子过负荷保护和发电机转子过负荷能力之间不配合;定子过流限制定值、定子过负荷保护和发电机定子过负荷能力之间不配合;调差系数不满足要求。针对以上情况，桐柏电站逐一进行了配合分析和整改，还对发电机过激磁能力、过激磁保护与伏赫兹限制的配合进行了分析和修改。
桐柏电站发电电动机由VATECH公司生产，单机容量300MW，采用自并励静止励磁系统，励磁系统主要由励磁变压器、励磁调节器、功率整流柜、灭磁及过电压保护等设备构成。励磁系统为奥地利安德里茨公司生产的THYNE6型励磁系统，采用GMR3型励磁调节器。继电保护是奥地利安德里茨公司生产的DRS数字型保护，涉及网源协调的有转子过负荷保护、定子过负荷保护、过激磁保护。
1 机组的性能曲线和转子过负荷能力
桐柏电站发电电动机制造厂对转子过负荷能力进行了复核，即桐柏发电电动机转子的过负荷能力(过励)曲线是(I2-1)×t=150s。此曲线满足GB/T 7894—2009《水轮发电机基本技术条件》的7.1.2条规定。因此在下文的保护、励磁的分析中，将此发电机曲线及GB/T 7894—2009的7.1.2条规定作为发电机过负荷能力的依据。此外，还对机组的P—Q曲线、过激磁曲线进行了复核，满足相关标准要求。
2 机组转子过负荷能力、转子过负荷保护及过励限制的配合
2.1 配合要求
过励限制定值应具备发电机转子过负荷反时限特性，并与转子过负荷保护相匹配。匹配原则应遵循过励限制定值<转子过负荷保护定值<机组转子过负荷能力。转子过负荷保护定值必须小于机组转子过负荷能力数值，如果转子过负荷保护定值过大，则不能起到对机组的保护作用;如果保护定值过小，会严重束缚机组过负荷能力，系统发生故障时，可能导致机组过早跳机，不利于系统安全稳定运行。过励限制定值应该小于转子过负荷保护定值，如果过励限制定值大于转子过负荷保护定值，则相当于限制功能无效，系统发生故障时，可能导致机组过早跳机，不利于系统安全稳定运行;如果过励限制定值过多地小于转子过负荷保护定值，会严重束缚发电机转子过负荷能力，故障情况下，同样不利于系统安全稳定运行。
2.2 桐柏电站过励限制
桐柏电站励磁调节器中过励限制由励磁电流反时限限制完成，采用反时限曲线，反时限计算公式为
式中:IP2为当前实际励磁电流值，A;IP1为过励发生前一时刻的发电机运行励磁电流值，A;tan为动作时间，s;TVIPB为设定的延时时间，桐柏电厂的设定值为50s;IPMAXV为启动值，A，桐柏电站的设定值为1.05p.u.(额定电流)。
桐柏电厂的无延时最大励磁电流限制设定为1.6(额定电流倍数)。
2.3 转子过负荷保护
当前桐柏电站转子过负荷保护(定时限)定值为1.35倍额定励磁电流，动作时间10s。
2.4 曲线配合情况
按照桐柏的当前定值将桐柏电站机组过励限制、转子过负荷保护和机组转子过负荷能力特性统一作图，得到图1曲线。
2.5 存在的问题
根据励磁限制时间、保护动作时间及机组转子过负荷特性曲线，可以得出下述结论:
(1)励磁定时限限制器定值为1.6倍额定励磁电流时，不能满足GB/T 7409系列标准规定(励磁系统顶值电流倍数取2)。
(2)在初始励磁电流为80%Ifn的条件下，励磁反时限定值不能满足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》标准规定的2倍强励励磁电流10s的要求。
(3)保护定时限定值为1.35倍额定励磁电流，10s时不能满足GB/T 7409.3—2007标准规定的2倍强励励磁电流10s的要求。
(4)励磁定值和保护定值需要与机组过电流特性配合，按照目前网源协调要求，桐柏电站机组励磁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配合。特别是当过负荷电流小于1.35倍额定电流时，转子过负荷保护不会动作，当励磁电流长期过负荷运行在1.1～1.35倍且限制失败时，只能由运行人员根据报警信号进行降低励磁电流、转移机组负荷直至停机的操作来保障机组的安全。由于没有相应的过负荷保护动作，因此可能发生机组转子过负荷损坏的情况。
图1 整改前的机组过负荷配合曲线图
2.6 解决的方法
(1)当前桐柏电站机组的强励顶值倍数为1.6，不满足标准规定的2倍10s强励要求，因此应该对系统重新计算并修改，相应的提高强励倍数设定值到2倍，使其达到要求。
(2)升级继电保护软件。升级继电保护软件，在目前仅有定时限过负荷保护的基础上，增加反时限过励保护功能，且反时限特性应与发电机转子的过负荷能力(过励)曲线匹配。在此基础上，适当提高定时限保护定值，可以改为2.0倍额定励磁电流，11s动作，以充分发挥发电机在电力系统异常过程中的无功、电压支撑能力。
(3)新增转子过负荷保护。新增过负荷保护(反时限)通过对被保护设备的精确热学模拟，以保护设备由于过负荷引起的不正常温升。一旦到达定值，可以选择切除故障部分或提供告警信号。
可以用以下的简化模型来说明绕组中流过电流时的温升情况。
式中:ϑ(t)为绕组流过电流时间t后绕组的温升，℃;τE为绕组的温升时间常数;I为流过绕组的电流，A;I0为绕组的额定电流，A;ϑlimit是绕组最大温升，在额定电流下运行约4倍时间常数后，可达到该值，℃。
通过计算，整改后的配合曲线见图2，满足网源协调的要求。
图2 整改后的机组过负荷配合曲线图
3 机组定子过负荷能力、定子过负荷保护及定子过流限制配合
3.1 配合要求
目前IEC、IEEE、GB都未对水轮机励磁系统的定子电流限制做出规定，因此励磁定子电流限制器的设定将参考国标对水轮发电机在事故条件下容许短时过电流的倍数的规定，以及定子过负荷保护的定值。
桐柏电站发电电动机制造厂对定子过负荷能力进行了复核，复核结果满足国标中定子绕组过电流能力的要求。
网源重要参数如果要协调配合，那么应具有定子过流限制功能的励磁调节器，定子过流限制定值应该小于定子过荷保护定值，定子过负荷保护定值必须小于机组定子过负荷能力数值。如果定子过流限制定值大于定子过负荷保护定值，则相当于限制功能无效，系统发生故障时，可能导致机组过早跳机，不利于系统安全稳定运行;如果定子过流限制定值过多地小于定子过负荷保护定值，会严重束缚发电机定子过负荷能力，故障情况下，同样不利于系统安全稳定运行。
机组励磁调节器配备定子过流限制功能时，其定值应具备发电机定子过电流反时限特性，并与定子过负荷保护(反时限)相匹配。匹配原则应遵循定子过流限制定值小于定子过负荷保护定值小于发电机定子过电流能力，并且三者之间留有合理级差。
3.2 定子过流限制
定子电流限制动作模型采用反时限曲线，反时限计算公式为
式中:TVIGB为延时时间，桐柏电站定值为50s;IG1为过流前的定子电流值;IG2为定子过流值; IGMAX为比较器的门槛限值，桐柏电站定值为1.05倍额定定子电流。
从式(3)可知，与前述转子过励限制一样，定子过流限制动作时与过流前的定子电流相关，也与过流发生前的定子电流相关。当过流前持续的定子电流为0.9发电机额定电流倍数时，可以作出曲线见图3。
图3 整改前的机组定子过负荷配合曲线图
3.3 定子过负荷保护
考虑额定负荷预热积累，定子反时限过负荷保护的动作方程为
式中:top为保护动作时间;τω为发热时间常数，取180s;I∗g=Ig/ILOAD;Ig为发电机定子电流二次值，A;ILOAD为发电机反时限过负荷保护电流整定值，取0.74A;TTR为跳闸饱和相对温升，定值为103%;T0=(Ign/ILOAD)2，Ign为定子额定电流二次值，定值为0.67A。
3.4 曲线配合情况
按照桐柏电站的当前定值将桐柏电站机组定子过流限制、继电保护定子过负荷保护和发电机定子过负荷能力特性统一作图，得到图3曲线。
3.5 存在的问题
比较图3中励磁限制时间与保护动作时间，分析动作特性，结论如下:在部分工况下励磁限制与继电保护不能配合，即励磁限制先于保护动作。
3.6 解决的方法
修改定子过负荷保护定值，使其值合理，能够与发电机过负荷能力和定子过电流限制相配合。将定子过负荷保护定值跳闸相对温升从1.03修改为1.15。
修改后的配合关系曲线见图4，达到了网源协调的要求。
图4 整改后的机组定子过负荷配合曲线图
4 机组过激磁能力、过激磁保护与伏赫兹限制的配合
4.1 励磁调节器中伏赫兹限制时间模型
励磁调节器中伏赫兹限制时间模型为瞬时限制(无延时)，动作值为U/f=1.0498。
4.2 反时限过激磁保护
反时限过激磁保护通过对被保护设备的精确热学模拟，以保护设备由于过激磁引起的不正常温升，原理和转子过负荷类似。一旦到达定值，可以选择切除故障部分或提供告警信号。
4.3 曲线配合情况
过激磁能力、过激磁保护与伏赫兹限制配合要求也遵循伏赫兹限制定值<过激磁保护定值<机组过激磁能力。
当前发电机过激磁能力、过激磁保护与伏赫兹限制的配合曲线见图5。
图5 整改前的机组定子过激磁配合曲线图
4.4 存在的问题
从图5中可以看出，伏赫兹限制(定时限)、过激磁保护(反时限)在机组过激磁能力曲线之上，不能很好地保护机组。
4.5 解决的方法
根据上述情况，作出如下修改:将伏赫兹限制(定时限)定值从1.3倍修改为1.17倍，过激磁保护(反时限)定值从1.15倍修改为1.12倍。
修改后的曲线配合关系见图6，由图可见，修改后的机组过激磁能力、过激磁保护(反时限)，伏赫兹限制器能够很好地配合，并能安全地保护发电机定子防止其过激磁。
图6 整改后的机组定子过激磁配合曲线图
5 结语
本文经过论述和作图分析，说明抽水蓄能机组是可以通过修改网源协调的相关重要参数，使发电机、励磁、继电保护系统之间得到合理的配合，充分发挥机组转子过负荷、定子过负荷、过激磁能力。网源协调的相关重要参数得到配合后，还可以更好地保护机组，避免因参数设定不合理影响电网安全稳定运行。
作者简介:
叶炜敏(1971— )，男，浙江龙泉人，高级工程师，大学本科，主要研究方向:电力系统继电保护和自动化。E-mail:yeweimin101@163.com
郑树青(1978— )，男，浙江衢州人，高级工程师，大学本科，主要研究方向:电力系统及其自动化。E-mail:zheng602@163.com
王梓琪(1987— )，男，山东烟台人，研究生，工程师，主要研究方向:电力设备维护。E-mail: 350577240@qq.com