汽轮发电机失磁异步运行仿真分析

张建涛，胡 刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040)

汽轮发电机失磁异步运行仿真分析

张建涛，胡 刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040)

指出汽轮发电机失磁异步运行可以减小起停机成本，而且对电网的安全稳定运行有重要意义。采用Simulink软件搭建了汽轮发电机失磁异步运行的仿真模型，仿真得到了励磁回路短路和开路两种失磁情况下的电机动态特性，为汽轮发电机的失磁保护及运行控制提供了依据。

汽轮发电机；失磁；异步运行；仿真

0 引言

汽轮发电机失磁异步运行，是指发电机失去励磁后仍输出一定的有功功率，以低转差率与电网并联运行的一种特殊运行技术。发电机突然地部分或全部失磁，是发电机励磁回路常见的故障之一。大型汽轮发电机励磁系统故障的种类很多，其中以误操作、检修维修不良、失磁保护误动作等居多。多数失磁故障是能够快速排除的。因此，当发电机出现失磁故障时，若能允许短时异步运行，电气人员便可藉此机会寻找失磁原因，迅速消除失磁故障，恢复励磁实现再同步，恢复电机正常运行[1-3]。

当发电机失磁后，如果采取立即解列以至停机的措施，并不是最好的方法。对于大容量的机组，突然切机、甩负荷对电力系统的稳定是不利的，对发电机本身的寿命也是有影响的。如果发电机所处的电网，有一定的无功储备，经过计算，确定发电机失磁异步运行不会危机系统的稳定，也不会影响电机本身的安全运行，则可以允许发电机失磁异步运行一段时间。这对于减少用户停电、确保供电可靠、提高电力系统安全和稳定运行是具有重要意义的[3]。

20世纪80年代，在电科院的指导和推动下，以试验研究所为主，联合调度部门、发电厂共同配合，并邀请高等院校参加，在一批100 MW、125 MW和200 MW汽轮发电机组上进行了失磁异步运行试验，积累了很多经验和研究成果。“七五”期间，哈尔滨电站设备成套设计所对国产化300/600 MW汽轮发电机失磁后异步运行进行了研究，开发了相应的计算程序。但由于当时技术手段限制，采用了很多的假设，比如发电机铁磁材料的非线性、定子结构形式等。近年来，有些高校采用机网耦合的有限元法对发电机失磁异步运行方面进行了研究，但耗时较长，不适用于工程应用。因此，笔者采用Matlab/Simulink软件建立汽轮发电机失磁异步运行的仿真模型，分析电机失磁后的动态行为。

1 失磁异步运行的基本原理

由电机理论可知，汽轮发电机的直轴和交轴同步电抗近似相等。当发电机并网运行时，其输出电磁功率可用下式表示

其中Pe为电磁功率，U为电网电压，δ为功角，xd为直轴同步电抗。Ed为励磁磁势在定子中所感应的同步电势。

以发电机短路失磁为例。在失磁瞬间，转子仍处于同步运行状态。虽然转子电压变为0，但由于磁通不能突变，转子电流将近似地按指数规律衰减。于是Ed也逐渐减小，而端电压与电网保持不变，则发电机电磁功率减小。由于原动机所供给的机械功率不变，故转子逐渐加速，功角随之增大，以自动补偿Ed的下降，而使电磁功率Pe与机械功率Pm保持平衡。这个过程可用功角特性曲线加以描述，如图1所示。失磁后，由于Ed下降，功角特性按1、2、3、4依次下移。显然，功角特性下降到2时，电机尚不会失步，只是功角δ1由增大到δ2，仍保持Pe与Pm的平衡。当功角特性下降到曲线3时，功角δ增大到静态稳定极限90°，发电机处于临界失步状态。之后，随着Ed继续下降，功角特性继续下移如曲线4所示，则原动机的机械功率大于发电机输出的电磁功率，转子转速增加，转差率升高，平均异步转矩增大，发电机进入异步运行状态，直至平均异步转矩与输入机械功率相等，电机进入稳态异步运行状态[1]。

1、2、3、4分别为不同的功角特性曲线，Pm为机械功率，Pjp为平均异步转矩，s为转差率图1 发电机失磁后功角特性

2 失磁异步运行的仿真模型

2.1 基本假设

采用Simulink软件建立汽轮发电机失磁异步运行的仿真模型，为了简化问题，需要做如下假设：

1) 忽略电机磁场变化，假定电机在失磁过程中电磁参数保持不变；

2) 不考虑汽缸的调节作用，假定失磁过程中的机械输入功率不变；

3) 电机与无穷大电网相连，并且电网无功容量充足。

2.2 仿真模型

根据以上假设，建立汽轮发电机失磁异步运行

的仿真模型，如图2所示。

图2 汽轮发电机失磁异步运行仿真模型

发电机发生失磁故障的类型很多，像开路失磁、部分失磁，经消弧线圈失磁、短路失磁等。针对两种极端情况，即完全开路和短路失磁进行仿真分析。

发电机发生短路失磁后，转子外施电压为0，在仿真中可以用阶跃变化的电压信号模块实现这一过程，而发生开路失磁后，转子电流为0，转子电阻相当于无穷大。根据这一原则，在励磁回路中添加一控制开关，如图3所示。当发生开路失磁后，转子回路接入一外部电阻Rex(Rex=1 000Rf)，从而实现开路失磁工况的模拟。

图3 励磁回路模型

3 仿真结果分析

3.1 电机基本数据

以一台350 MW汽轮发电机为例，分析其发生失磁故障后的动态响应过程，表1为电机基本数据。

表1 电机基本数据

3.2 仿真结果

根据上述仿真模型，可以仿真不同失磁情况的电机动态性能。图4为带额定负载时发生短路失磁后的异步运行情况。失磁前，电机带额定负载运行，在5s的时候转子绕组发生短路失磁。从图上可以看出，失磁后，发电机输出功率发生波动，最大幅值可达到额定的1.5倍，但平均值基本与额定功率相等。发电机由发出无功变为吸收无功，定子电流有效值发生变化，励磁电流变为交变电流，频率为定子电流波动频率的一半，定子电流达额定电流的1.28倍。所以失磁后需关注定子线棒的发热情况。功角也在-200°与+200°间波动。电机转速以一定周期波动。

图4 短路失磁仿真结果

图5为电机发生开路失磁后的仿真结果。电机故障前带额定负载正常运行，5 s时发生开路失磁，转速上升，无功功率由正变负，表明从电网吸收无功来给电机励磁，在7 s左右电机已进入稳态异步运行阶段。故障发生后，电流、功率及转速波动很大，波动周期较短路失磁的小，机组运行很不稳定。因此，发生开路失磁后，需要减小汽轮机的进汽量，降低电机输出。

图5 开路失磁仿真结果

4 结语

笔者采用Simulink软件，构建了汽轮发电机失磁异步运行的仿真模型，仿真得到了励磁回路短路和开路两种失磁情况下的电机动态特性，得出结论如下：

1) 由于发生失磁后，电机有功功率、转速波动大，需要迅速减小有功输出，以免引起电机振动过大；

2) 由于失磁后电机由发出无功变为吸收无功，需要注意电网中无功功率容量是否足够，以免拉低电网电压；

3) 电机失磁异步运行后，相当于进入进相运行状态，端部发热严重，需要关注边端铁心发热情况。

[1] 姚晴林.同步发电机失磁及其保护[M].北京：机械工业出版社,1981.

[2] 周德贵, 巩德林. 同步发电机运行技术与实践[M].2版.中国电力出版社, 1995.

[3] 汪耕，李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海：上海科学技术出版社，2000.

·信息点滴·

能源互联网时代清洁能源装备前景广阔

能源互联网是解决国家能源环保命题的必由之路，其领域主要可以包括传统煤电燃气的清洁高效利用、高耗能动力设备装置的节能降耗、风电光伏可再生能源的利用、分布式能源的广泛利用、新能源汽车和储能的应用、电力系统的智能化互联网化。

从特定意义上说，所谓能源互联网就是把以上六者有机串联融合起来的纽带。能源互联网是个价值经济体: 安全稳定、可靠高效、节能环保。构建全球能源互联网，服务人类社会可持续发展，针对当前能源利用现状，国家电网公司董事长、党组书记刘振亚指出，实现能源互联网最需要加快能源变革、优化能源结构，而完成这两点最根本的出路是实现清洁替代和电能替代。清洁替代要求未来清洁能源代替化石能源，而电能替代则要求在能源消费模式上实现以电代煤、以电代油。“清洁能源、新能源、可再生能源是未来能源行业的主力军，取代传统能源是大势所趋，积极发展清洁能源对于调整能源结构、促进经济转型有巨大帮助。”专家分析表示。同时，清洁能源项目能够带动大量基础设备产业投资、拉动国民经济增长，并能有效降低环境污染、为环保工作作出巨大贡献。

在国务院常务会议上强调大力发展清洁能源，开工建设一批风电、水电、光伏发电及沿海核电项目。会议要求，要做好项目前期工作，完善和落实配套政策，改革投融资机制，吸引更多社会资本参与，促进项目顺利实施。业内专家认为，清洁能源是能源使用以及发展的新趋势，未来发展潜力巨大。中投顾问能源行业研究员宛学智在接受采访时表示，大力发展清洁能源装备是国家层面确定的宏观战略，有关部门、地方政府已经制定多项扶持举措力促清洁能源行业的发展，并对积极生产和使用清洁能源的企业及民众进行奖励，随着税收、财政、产业、融资、并网、土地等各方面政策逐渐完善，我国清洁能源装备消费占比将不断攀升。而接下来金融细分政策或将会颁布出台，这将会使清洁能源装备有望走入千家万户。在引入民资上还需要进一步激发民间资本参与的热情，使民间资本进入清洁能源行业的道路更加顺畅，以此来推动民间资本对清洁能源装备领域发展的潜力。

国家能源局局长吴新雄在2014年全国能源工作会议上曾强调，2014年国家能源局将大力发展清洁能源，促进能源绿色发展。

专家建议，未来我国装备业的出口仍将面临较大的压力。因为随着国外的产业转移或者升级，更多的高能耗或者高污染、有重大危险源的装备制造，要么被淘汰，要么向国外转移，会使市场的需求度降低，因此国内的装备制造业应该向高端化发展，加大清洁能源装备的开发力度，形成水电、核电、燃气、风电、太阳能“新五电”并举的清洁能源装备研制能力。要不断开拓进取，力争有更大的作为，让新能源装备成为拉动我国经济发展的新引擎。建议政府财政拨款建立“清洁技术与新能源装备发展基金”，主要用于开发所需科研费用补贴，支持中小企业投资清洁技术与新能源装备。

20140404

张建涛，女，1983年生，2009年毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电机设计及电机电磁场分析。