大型汽轮发电机带负荷失磁模型建立与分析

吕艳玲， 戈宝军

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

大型汽轮发电机带负荷失磁模型建立与分析

吕艳玲， 戈宝军

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

大型汽轮发电机带负荷失磁分析中，首先建立大型汽轮发电机从失磁到失磁后有功功率调节过程的仿真模型，然后通过对QFQS－200－2失磁到有功功率调节全过程进行仿真与试验对比分析，证明该大型汽轮发电机从失磁到有功功率调节过程的仿真模型的正确性，最后对QFQS－200－2汽轮发电机带不同比例有功功率负荷发生失磁故障进行分析，分析了该电机失磁后定子电流、定子电压、转子的转速、输出的有功、无功的变化，以及失磁后立刻减少所带有功功率负荷后上述各输出量的变化，为大型汽轮发电机带额定负荷发生失磁故障，提供有功功率调节量值。

汽轮发电机;失磁;调节;有功功率;仿真分析

0引言

同步发电机励磁出现故障可能会导致其失磁，失磁故障后会导致发电机失去同步，转子出现转差，发电机将从电网吸收大量的无功功率;失磁故障后若系统无功储备不足，系统电压将降低，可能使相邻某些点电压低于允许值，破坏负荷与电源之间稳定运行，甚至使系统电压崩溃;失磁故障后定子电流增大，可能造成其他发电机、变压器或线路过载，后备保护动作，增大故障波及范围［1］。

除了要研究与改进发电机励磁系统，提高其运行的可靠性以及减少运行中误操作，来防止发电机失磁故障发生外，还应该研究当发电机发生失磁故障时，防止发电机解列停机，而是让其迅速从较大的额定有功负荷降低到使发电机能够快速进入稳态异步或同步运行状态的有功负荷，以此为运行人员争取处理失磁故障的时间;并且在失磁故障消除后，发电机能够很快地恢复额定有功负荷运行，保证电力用户的供电可靠性。

在研究失磁的文献中，研究失磁保护的较多［2－4］，也有一些文献研究了失磁过程分析［5－9］，但是当汽轮发电机带额定负荷发生失磁故障时，为了避免发电机解列停机，按照规范要求，在短时间内使发电机立即自动减负荷，有功功率在30 s时减到额定值的0.6倍，并在2min内减到额定值的0.4倍，定子和转子电流不大于1.0～1.1倍额定值，允许运行10 min［10］。但目前还没有一个准确的模型来分析失磁有功负荷调节全过程。200 MW机组是我国生产的汽轮机组的主力机组，因此保证国产200 MW汽轮发机组的安全、稳定、可靠及经济运行是电力科研人员与运行人员的主要任务之一。建立一套能够准确分析大型汽轮发电机从失磁到失磁故障排除后恢复运行的有功负荷调节全过程的仿真模型，然后从仿真分析与试验分析的角度分别对QFQS－200汽轮发电机失磁后，有功功率调节全过程中定子转子等各输出量的变化进行分析，对200MW汽轮机的失磁异步运行分析有很重要的意义。

1 失磁故障系统仿真模型的建立

1.1 汽轮发电机的数学模型

发电机的失磁过程是一个复杂的机电暂态过程，在此过程中，转速是变化的。由于派克方程的系数与转速有关，因此它是一组变系数的微分方程，这给分析带来困难。为方便定量分析发电机失磁异步运行时定、转子上各电气参量的变化规律，基于以下简化条件进行数学分析:

1)发电机为理想电机，正方向的规定为定子绕组采用发电机惯例，即以输出电流作为电流的正方向，定子各相绕组通过正向电流时，产生负值磁链;励磁绕组和阻尼绕组采用电动机惯例，即以输入电流为电流的正方向，绕组通过正向电流时，产生正值磁链;驱动转矩规定为正［11］;

2)发电机与无限大系统母线相联，母线电压恒定不变;

3)励磁电压由失磁前的额定电压按正比例减小，即励磁绕组通过放电电阻短路失磁。

发电机失磁动态过程中，定、转子的电压方程:

磁链方程:

转子运动方程:

式中:p为微分算子d/d t;ω为转子角速度;δ为功角;ψ为磁链;L为自感;M为互感，其角标表示对应的绕组;Hj为发电机转动部分总的惯性常数;Tm为原动机机械转矩;Te为发电机电磁转矩。

1.2 励磁系统数学模型

采用的是可控硅整流励磁系统［12］，发电机带负载运行时，励磁回路电压方程为

式中，R为励磁电阻与灭磁电阻之和。

1.3 故障系统仿真模型

为了实现模型的通用性，在系统仿真模型中，首先根据同步发电机定、转子绕组内部电磁关系和转子运动方程，建立汽轮发电机的模型，然后根据励磁系统故障的约束条件输入励磁电压信号，利用Matlab/SIMULINK的交互式仿真集成环境，构建了失磁故障系统模型如图1所示。

2 失磁故障系统仿真模型的验证

2.1 汽轮发电机参数

为了验证上述建立的仿真模型的正确性，对QFQS200－2汽轮发电机进行失磁过程仿真分析与试验验证，该发电机的参数如表1所示。

2.2 QFQS－200－2汽轮发电机失磁仿真分析

利用上述建立的失磁故障仿真模型，对QFQS－200－2汽轮发电机带额定负载PN和40MVar的无功功率(33%QN)进行失磁故障分析，励磁系统在运行20 s开始失磁，立即减小输出有功功率，9 s使发电机带60%PN，10s时使发电机输出有功功率减小到50%，11 s使发电机输出有功功率减小到40%，仿真结果如图2所示。

从图2可以看出，失磁开始到完全失磁，稳态异步运行时定子电流增加到1.05倍额定电流，电机吸收无功功率，失磁过程中产生最大的滑差为2.5%，阻尼条的涡流明显增加达到0.2倍额定电流，调节有功功率后11 s左右进入稳态异步运行状态。

2.3 试验验证

为了验证上述仿真分析的正确性，对QFQS－200－2发电机进行带额定有功功率200MW经灭磁电阻短路失磁试验，失磁试验接线如图3所示。

试验过程如下:

将发电机调整到200 MW，对应无功功率为40MVar;启动试验仪器录取试验前发电机的参数，拉开发电机灭磁开关使发电机失磁，失磁9 s后把发电机的有功负荷调到120 MW，再减到100 MW，后又减到90MW，失磁10 s内发电机进入稳态异步运行;平均滑差不超过2.5%;失磁15min以后合上发电机的灭磁开关，手动增加励磁电流，发电机在恢复励磁10秒内平稳地恢复同步运行。试验结果如表2所示。

从试验数据与仿真数据可以得出，发电机带200MW的有功功率负荷，40MVar无功功率时发生失磁，试验首先减少发电机输出有功功率到120 MW(60%PN)，然后减少输出有功功率到100 MW (50%PN)，最后减少到90MW(45%PN)，发电机10 s内进入稳态异步运行，仿真分析中发电机失磁11 s左右进入稳态异步运行，两组数据分析中，进入稳态异步运行的时间基本一致;试验分析中失磁前定子电流为0.81倍额定电流，进入稳态异步运行时最大的定子电流为0.96倍额定电流，比仿真值低0.09倍额定电流;试验中测得平均滑差为2.5%，仿真结果得出最大的滑差为2.5%，试验结果与仿真结果也基本一致。综合上述分析，仿真结果与试验结果吻合，证明该模型可以较准确地分析大型汽轮发电机失磁故障调节过程。

3 QFQS－200－2汽轮发电机失磁过程有功功率调节过程分析

随着科技的进步，大型汽轮机的容量不断提高，200MW汽轮发电机在20世纪80年是我国的主力机组，目前还在应用中，对其失磁过程的研究仍具有实际应用价值。下面利用上述验证的模型，对QFQS－200－2汽轮发电机失磁过程进行分析，主要研究带不同比例有功负荷时发生失磁故障后的手动减负荷过程的分析。失磁前带100%PN有功负荷，33%QN的无功负荷，发生失磁故障后，迅速调节其所带负荷已经在图2中分析。如果失磁前带100% PN有功负荷，发生失磁故障后，不调节发电机所带负荷的值，其分析结果如图4所示。

在分析中，发电机带100%PN时发生失磁故障，如果不调节有功功率的输出，从仿真结果可以得出，定子电流达到2.8倍的额定电流，滑差达到11.5%以上，阻尼绕组产生涡流大于额定电流，对电机危害很大，这时发生失磁故障的大型汽轮发电机如果不快速减负荷，必须从系统解列。

以上综合分析了，带70%PN以上的有功负荷发生失磁故障，需要立即逐步减少有功负荷，才能使大型汽轮发电机较快进入稳态异步运行。那么，带多少比例的负荷发生失磁故障，不需要调节有功负荷，而很快进入稳态异步运行呢?下面分析QFQS－200－2汽轮发电机带50%PN、45%PN及40%PN发生失磁故障。分析结果如图7、8、9所示。

从图7、8、9可以明显看出，当发电机带50%PN发生失磁故障，不调节有功功率输出，分析结果图7看出，整个暂态过程中定子电流达到2倍的额定电流值，滑差达到2.0%左右，不符合稳态异步运行的规范。

当发电机带45%PN发生失磁故障，不调节有功功率输出，分析结果图8看出，整个暂态过程中定子电流达到1.5倍的额定电流值，滑差达到1.9%左右，也不满足稳态异步运行的规范。

但是当发电机带40%PN发生失磁故障，不调节有功功率输出，分析结果图9看出，整个暂态过程中定子电流达到1.05倍的额定电流值以内，滑差达到1.6%左右，满足规范要求，定子和转子电流不大于1.0～1.1标幺值，允许运行10min。

4结论

通过对QFQS－200－2汽轮发电机的失磁过程的仿真与试验分析得出以下结论:

1)建立了大型汽轮发电机的失磁故障有功负荷调节过程的模型，该模型能够准确地分析大型汽轮发电机的失磁故障有功负荷调节的过程，为其他大型汽轮发电机的失磁故障分析及负荷调节提供了准确的仿真模型。

2)大型汽轮发电机失磁后，根据失磁前所带负荷的比例(＞40%PN)，快速减少失磁前所带的有功负荷比例，发电机可以很快进入稳态异步运行，发电机在失磁故障排除后，增加励磁电流，发电机能很快进入同步运行状态。

3)如果QFQS－200－2汽轮发电机带小于40% PN发生失磁故障后，不需要立即减小输出有功功率，发电机会很快进入稳态异步运行，为查找励磁故障及恢复励磁提供了时间。

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(编辑:刘素菊)

M odel of large steam turbine generator w ith load loss of excitation and analysis of loss of excitation process

L Yan-ling， GE Bao-jun
(College of Electrical＆Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

In analysis of large steam turbine generatormodelwith load loss of excitation，simulaionmodel of the large steam turbine generator from excitaion loss to the active power regulation was set up，and for QFQS－200－2，regulating process from excitation loss to active power were simulated and experimental comparison was conducted．It shows the correctness of the simulationmodel in the active power regulation process，and excitation loss faultswere analyzed which are caused by the QFQS－200－2 turbine generator with different proportion of active power load．The stator current，stator voltage，rotor speed，the change of the output of the active and reactive power，and variation of all output immediately after loss of excitation reduction with active power load were analyzed．The results and analysis provide regulated values of active power when large steam turbine generatorswith rated load generate faults of excitation loss．

turbine generator;loss of excitation;change;active power;analysis of simulation

10．15938/j．emc．2015．06．004

TM 312;TM 301

A

1007－449X(2015)06－0022－06

2015－02－01

国家自然科学基金(51407049);高等学校博士点专项科研基金资助项目(20132303120001)

吕艳玲(1975—)，女，博士，副教授，研究生导师，研究方向为大型电机及其系统运行分析;

戈宝军(1960—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为大型电机与特种电机。

吕艳玲