大型汽轮发电机误同期并网计算新方法

宋敏慧，杨华峰，李桂芬，李金香，张春莉，胡　刚

(1． 哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨　150040； 2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

大型汽轮发电机误同期并网计算新方法

宋敏慧1，杨华峰2，李桂芬2，李金香2，张春莉2，胡刚2

(1． 哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150040； 2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：阐述了常规的误同期并网计算方法不适用机组输送三个变电站，提出了新的计算方法，来计算机组输送三个变电站的误同期并网的计算。通过建立大型汽轮发电机的状态方程及仿真模型，利用该模型实现发电机误同期并网时的时域仿真和分析，给出电机120°和180°误同期并网工况下的瞬态电流和电磁转矩，给出了电流和电磁转矩变化曲线和最大值。

关键词：误同期并网；状态方程；电磁转矩

0引言

误同期并网对发电机组造成的冲击可能比其出口发生突然短路时还要严重。20世纪80年代以后，美、英、德、法、意等国都对机组规定了应承受120°误同期并网的能力。当时的电力部也根据中国实际情况，要求大机组在升压变压器阻抗假定为15%，连接系统的短路容量为43 000 MVA时，机组在保证寿命期间应能承受180°误并列5次，120°误并列2次，其扭矩不应超过其轴材料极限。联轴器、定子铁心机座及基础螺栓等应无显著损坏现象，同时还要求运行部门严格限制并列时的误差角不超过20°。只有满足并网条件方可并网，但在实际并网过程中，由于同期装置误发合闸脉冲、断路器合闸时间变化、人员误操作等原因，很容易出现误同期并网。因此误同期并网的分析计算一直是电力系统运行与控制部门都十分关心的问题，制造厂对每台机组都要进行误同期并网的分析计算，以保证机组满足标准要求[1]。

1基本数据

计算中涉及到的机组相关数据见表1。

发电机主要数据如表1所示，主变压器及输电线路基本参数见表2和表3。

表1　汽轮发电机主要数据表

续表1

表2　主变压器基本参数

表3　输电线路基本参数

2数学模型及研究方法

2.1仿真模型

基于SIMSEN仿真软件，建立了电厂系统仿真模型，如图1所示。分别建立了电厂1号机至220 kV 1、2和3变电站及2号机至220 kV变电站4的系统仿真模型，发电机采用PARK方程模型，并考虑了机械轴系的耦合作用。其中，VS1～VS3：无穷大电网；CB1，CB2和CB31及CB32：开关；LN11- LN31：线路阻抗；T1：主变压器；SM1：同步发电机；G1，LPA1，LPB1，LP1，HP1：轴系质量块；VS1E：励磁电压源；GRND1和GRND2：接地阻抗；ILABC和TEM输出结果模块。

(a) 1号机至地点1、地点2及地点3 220 kV变电站

(b) 2号机至地点4 500 kV变电站图1　某电站汽轮发电机系统仿真模型

2.2研究方法及状态方程

2.2.1计算方法

2.2.2状态方程

SIMSEN仿真软件计算发电机误同期并网的状态方程。在dq0坐标系中同步电机的电压方程为[2]：

Udq0=Cψdq0+RIdq0

(1)

式中，Udq0为定子、转子和阻尼绕组的端电压列矩阵；Idq0为电流列矩阵。

(2)

(3)

R为定子、转子和阻尼绕组的电阻矩阵：

(4)

C为系数矩阵：

(5)

ψdq0为磁链列矩阵：

ψdq0=XIdq0

(6)

其中

(7)

(8)

转子运动方程：

(9)

式中，H为机组的惯性时间常数；θ为转子位置角；Tm为输入机械转矩；Te为电磁转矩。Te=xqiqid-xdidiq+xadifdiq+xadikdiq-xaqikqid(10)

采用4阶龙格-库塔法进行叠代计算。

3计算结果

图2～5分别给出了电厂1号机至地点1、地点2和地点3 220 kV变电站和2号机至地点4 500 kV变电站在120°和180°误同期并网时的ia-t，ib-t,ic-t,Tem-t的曲线，给出了各变量的最大值见表4。

表4　最大值(标么值)

注：电流以额定电流有效值IN为基值，电磁转矩以额定容量SN对应的转矩为基值。

图2　1号机120°误同期并网瞬态过程

图3　2号机120°误同期并网瞬态过程

图4　1号机180°误同期并网瞬态过程

图5　2号机180°误同期并网瞬态过程

4结语

通过设计院提供的详细数据，使得我们在计算误同期并网的计算中有了新的突破，获得了一种大型汽轮发电机误同期并网计算的新方法，经过计算得出以下结论：

1) 新方法可以更准确计算多输电线路的误同期并网的计算。

2) 从结果数据表中可以看出，线路阻抗不同、支路数不同1号机和2号机参数相同的情况下计算发电机误同期并网电流峰值结果相差不是很大，但电磁转矩明显不同。

3) 从结果图中也可以看出2号机的幅值衰减程度明显要快于1号机，这说明线路阻抗和支路数对结果有一定的影响。

4) 从结果数据表中电磁转矩最大值看，120°误同期并网时比突然时大，而从电流最大值看，120°误同期并网时比突然短路时大，电流和转矩大小比机端突然短路故障还大，故当机组发生误同期并网故障时，如果是最不利的误差角，对电机造成的损坏程度，可能不亚于机端突然短路故障。

5) 从计算中可以得出180°误同期并网电流大于120°误同期并网。

以上分析结果为提高发电机的运行性能、优化设计提供了理论依据，同时为机组某些特殊运行方案可行性及机组的安全稳定运行提供了重要依据，提高了发电机运行能力。

参考文献

[1]汤蕴璆，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]汤蕴璆.交流电机动态分析[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]陈文纯.电机瞬变过程[M].北京：机械工业出版社，1982.

作者简介：

宋敏慧，1984年生，女，2007年毕业于哈尔滨理工大学自动化专业，工程师，现任于哈尔滨电机厂有限责任公司，大电机研究所电机室，从事电机电磁研究工作。