燃气轮发电机SFC启动时的铁磁谐振仿真分析

陈 财, 吴义纯， 田 彦， 门富媛， 程 琳

(1.安徽电气工程职业技术学院， 安徽 合肥 230051;2.国网安徽省电力有限公司培训中心， 安徽 合肥 230022)

0 引言

某热电厂新引进一套燃气—蒸汽联合循环发电机组，发电机经静止变频器(SFC)启动，该厂在之前发生过在经SFC启动过程中发电机出口所连电压互感器PT因铁磁谐振而烧毁的现象[1]，为避免相同事件再次发生，需对该电厂的情况进行分析。SFC输出的变频电压或电流中含有大量的谐波。发电机出口所连PT是非线性电感元件，其电感值作非线性变化，在变频启动过程中很容易与系统对地电容在某一或某些频率下相匹配而发生铁磁谐振[2]。

1 启动系统主接线

该电厂启动系统主接线如图1所示。可以看出，6kV厂用电分两路为启动系统供电：1路向发电机励磁绕组供电，如图中红色标注。厂用电经过启动励磁变压器变压后，再经自动励磁调节装置和整流器为发电机转子绕组提供启动励磁电流。2路为SFC供电，如图中蓝色标注，SFC向发电机定子绕组输送变频电压或电流，此时发电机运行于同步电动机状态。SFC与励磁系统相互配合共同驱使发电机启动。

图1 燃气轮发电机SFC启动系统主接线

2 燃气轮发电机启动过程

该电厂燃气轮发电机组实际启动过程如图2所示：

图2 燃气轮发电机实际启动过程

SFC控制单元按照预先设定的启动程序对输出电压的幅值和频率进行控制，在励磁系统的配合下使发电机启动。SFC大约运行25min，启动过程大致分为四个阶段：

(1) 启动升速：机组启动前，先由盘车装置将转子转速带到120rpm，随后SFC向发电机定子绕组提供变频电压，在励磁系统的配合下经1min转速升至约700rpm。SFC输出电压由1.1kV上升到3.4kV。

(2) 吹扫：当转速达到700rpm时，SFC输出的电压保持3.4kV基本不变，励磁电流也维持约987A基本不变，此时发电机转速基本恒定，该阶段持续约7min。该阶段SFC输出的电压波形如图3所示。通过对该阶段电压波形进行谐波分析发现，3次和6次谐波含量最大，2次、4次、5次谐波的含量较少，这主要是由于SFC中整流桥的晶闸管采用6脉冲整流所致。谐波含量如图4所示。

图3 吹扫阶段SFC输出电压波形

图4 吹扫阶段电压谐波含量

(3) 降速-点火：吹扫完成后，SFC输出电流逐渐降为0，同时励磁绕组失去励磁，机组转速降低。当转速降至120rpm时，燃机开始点火。在该阶段，电压变化过程如图5所示。电压幅值下降到1.1kV左右，电压频率瞬时从12Hz降到2Hz，变化较明显。

(4) 升速：燃机点火后，在SFC作用下机组开始加速，当机组转速达到约为2300rpm左右时，SFC退出，同时励磁退出，发电机由燃机与汽轮机共同拖动至额定转速3000rpm。

3 MATLAB建模仿真

3.1 仿真建模

该热电厂燃气轮发电机定子每相对地电容为0.209μF，电缆采用YJV型，电缆电容为：

(1)

表1 PT励磁特性实验

根据Φ-i与U-i对应关系并利用分段线性化法可得到PT的Φ-i特性[4]。因此，根据以上参数及计算结果，得到如图6所示的Simulink仿真模型。图中Uabc模块代表SFC输出的三相电压，由现场采集而得，C1、C2、C3代表系统每相对地电容，RLa、RLb、RLc代表定子三相绕组的阻抗，三个饱和变压器代表三组PT。

图6 Simulink仿真模型

3.2 仿真内容与结果

首先，根据所建模型对该电厂现有数据进行了仿真分析；其次仿真了各因素如系统每相对地电容、PT励磁特性、PT励磁特性的对称程度及铁耗电阻对铁磁谐振的影响[5,6]。

3.2.1 该电厂现有参数的仿真

由于该电厂系统每相对地电容为0.21μF，PT型号为JDZX9-20F，发电机的定子每相绕组漏感为5.6mH，经仿真得PT三相对地电压与SFC输出电压完全相同，因此并没有出现过电压现象；而根据H.A.Peterson铁磁谐振理论及现场参数可得，当XC/XL<0.01时，不会发生铁磁谐振[7]。

(2)

因此可判断，该电厂在现有参数下燃气轮发电机SFC启动过程中，PT不会发生铁磁谐振，所得结果与理论相符。

3.2.2 系统对地电容对铁磁谐振的影响

保持PT参数不变，通过只改变系统每相对地电容的大小来探究系统对地电容对铁磁谐振的影响，仿真结果如表2所示，从表中可知，随着系统对地电容的由小及大，谐振类型依次为无谐振、分频谐振、基频谐振和高频谐振、无谐振。若有谐振发生，谐振会发生在吹扫阶段，而且分频谐振所对应的电容变化范围最大，在实际中所发生的的PT铁磁谐振大多数是分频谐振。

表2 系统每相对地电容对铁磁谐振的影响

3.2.3 PT励磁特性对铁磁谐振的影响

发电机系统每相对地电容为0.01μF，保持其他参数不变，取三组不同PT的Φ-i特性来分析PT励磁特性对铁磁谐振的影响，其中1号PT励磁特性线性度最好，3号PT的励磁特性线性度最差，如图7所示。

图7 PT不同的励磁特性

通过对比三组仿真结果发现，随着PT励磁特性线性程度的减弱，出现谐振的可能性逐渐增加或者谐振过电压的幅值越大，因此，为避免铁磁谐振应使用线性程度较好的PT。

另外，我们也分析了PT励磁特性对称性对铁磁谐振的影响，发现三组PT励磁特性越不对称，谐振的可能性越大[8]。在仿真分析PT铁耗电阻对谐振的影响时发现铁耗电阻越大，谐振可能性越高或过电压幅值越大。

4 结论

本文通过对某热电厂燃气轮发电机组SFC启动过程及其启动过程中是否会发生PT铁磁谐振进行分析后得出以下结论：

(1)SFC输出电压中以3次和6次谐波为主，同时含有少量的2次、4次、5次谐波。

(2)该热电厂在现有参数下，即当系统每相对地电容为0.21μF，PT为JDZX9-20型时，燃气轮发电机在SFC启动过程中不会出现铁磁谐振。

(3)PT参数一定时，随着系统对地电容的逐渐减小，依次会出现1/3分频、1/2分频、基频、3次谐波和6次谐波谐振。在燃气轮发电机SFC启动过程中，若有谐振发生，则会发生在吹扫阶段。

(4)在系统对地电容一定的情况下，PT励磁特性线性度越好，越不容易发生铁磁谐振，且三相PT励磁特性越不对称，谐振可能性就越大。