背压发电机低励限制参数配置影响分析

王 刚，赵利民，廉 永

(国家电投集团河南电力有限公司沁阳发电分公司，河南 焦作 454550)

0 引言

近年来，风电、光伏等新能源在电力系统中所占比例稳步上升，因其波动性较强，对火电厂的调频提出了更高要求。部分火电厂利用多余热能在厂内建立小型的背压发电机，接入其高压厂用电系统中，对火电厂的厂用电电压和调频起到一定的改善作用，但背压发电机接入后对火电厂内部的电压和频率稳定产生了一定影响。

以某火电厂为例，计算背压发电机低励限制参数配置，分析背压发电机的进相运行能力，研究低励限制的主要约束因素以及相关参数配置与约束条件的配合关系等，以确保背压发电机在进相运行时尽可能挖掘进相潜力，但又不至于过度进相，导致失磁保护动作而影响背压发电机的设备安全，对保障发电机的安全运行具有一定的参考作用。

1 背压发电机主要参数

接入电厂的背压发电机为隐极发电机，背压发电机等值电路为如图1所示。

图1 背压发电机的等值电路

背压发电机直接接入发电厂10 kV厂用电母线，由于高厂变短路阻抗百分比参数较大，而主发电机和电网侧不能等值为无穷大系统。

背压发电机接入系统后被等值为如图1所示的等值电路，左上角为主发电机与系统合并后的等值发电机，Xc为等值发电机的内阻，对应计算公式为：

其中：XT为升压变短路阻抗百分比，X12为高厂变高压侧至背压发电机所在侧的穿越阻抗，Xd为主发电机的d轴同步电抗。

约束背压发电机低励限制的主要条件有静稳极限、功角约束、失磁保护、最大定子电流约束及最小转子电流约束。

2 背压发电机低励限制约束条件

2.1 静稳极限

背压发电机的静稳极限是根据背压发电机的内电势Eq和等值机的的内部电压Ut之间的关系，功角等于90°时对应的约束表达式为：

其中：P为背压发电机有功，Q为背压发电机无功，Xdz为背压发电机的d轴同步电抗。

将背压发电机参数值代入公式(2)后，得出背压发电机静稳极限的具体值为：

从式(3)可以看出，静稳约束在(P，Q)坐标系下是圆曲线，对进相起到主要约束作用的是坐标轴第4象限的曲线。Xc越大，对应静稳极限圆越小，发背压发电机允许进相的范围越小。

讨论复合材料补片种类的不同对修复效果的作用，分别采用硼/环氧树脂、碳/环氧树脂和玻璃纤维材料的补片对损伤结构进行再制造胶粘修复。图7给出复合材料补片种类对修复效果的作用，图8所示为补片种类作为变量时裂纹尖端半椭圆中心角α为0°和90°处对应的修复效果。

2.2 功角约束

根据电力行业标准DL/T 1523—2016《同步发电机进相试验导则》的规定，功角的计算公式为：

其中：δ为背压发电机功角。

根据GB/T 7064—2008《隐极同步电机技术要求》规定，进相运行时发电机功角不宜大于70°，取进相运行时允许运行的最低机端电压为0.9 p.u.，Xdz取1.89 p.u.，则公式(3)可改写为：

从式(5)可看出，在最大功角约束条件下，背压发电机的有功和无功呈一次线性关系，P=0时，对应的最大无功进相值为-0.4073 p.u.。当Q=0时，P=1.12 p.u.。该曲线与发电机励磁规范中推荐的默认进相曲线基本一致，说明该曲线在一定程度上代表背压发电机的进相规律。

2.3 最大定子电流约束

背压发电机定子电流的表达式为：

背压发电机在进相运行时定子电流不应该大于1.05 p.u.，考虑机端电压为最小值0.9 p.u.，则式(6)对应有功和无功约束条件为：

从式(7)可看出，在最大定子电流约束条件下，进相的有功和无功约束条件为圆，圆心为原点，圆的半径为1.0 p.u.左右。

2.3 最小转子电流约束

其中：If为背压发电机的转子电流。

进相运行时要求发电机转子电流最小值为0.1倍额定转子电流。将式(8)进行变形可得：

从式(9)可以看出，在最小励磁电流约束条件下，背压发电机的有功和无功呈现圆特性，圆心在Q轴的负半轴，半径为0.1倍额定空载转子电流。

将背压发电机参数值代入式(9)中，可得最小励磁电流的约束条件为：

2.4 失磁保护约束

发电机失磁保护定值一般使用(R，X)坐标整定，但实际励磁限制曲线在(P，Q)坐标下，因此需要将两者进行转化，失磁保护异步失稳圆转化到(P，Q)坐标系统的约束曲线表达式为：

其中：为背压发电机d轴瞬态电抗，将背压发电机参数代入式(11)，可得出式(11)对应圆的具体数值为：

可知，在失磁保护约束条件下，背压发电机的有功和无功呈现圆的特性，圆心在Q轴的负半轴，半径为发电机参数和机端电压组成的函数。

2.5 仿真分析

根据上述几种约束条件后，可得出低励限制参数的大致选择范围。总体而言，低励限制的约束条件可以分为3类。

(1) 第一类为内部圆约束，如静稳极限和最大定子电流，该类约束的特点是稳定条件为封闭圆圈，超过圆外的范围认为是低励限制的不可行条件。

(2) 第二类为直线约束，如最大功角限制，此类约束的特点是开放性直线，将(P，Q)界面划分为两部分，低励限制需要在该直流的左上方，如在直线的右下方则认为是不可接受的低励限制范围。

(3) 第三类也是圆约束，如最小励磁电流和失磁保护，圆外为不安全的低励限制运行范围，圆内则是可接受的低励限制运行范围。

根据公式(2)～(9)，得出对应的稳定低励限制运行范围，对应的曲线如图2所示。

图2 低励限制的约束曲线

图2 中，有功和无功是以背压发电机视在功率和额定机端电压为基准计算。背压发电机约束曲线主要由两部分组成，在发电机有功出力很小时，受到最小转子电流约束，其余部分受到最大功角限制。说明小型背压发电机在实际进相运行和配置低励限制参数时，关注最大功角即可。背压发电机励磁低励限制曲线可以配置成与最大功角曲线一致。

3 结束语

针对背压发电机接入火电厂工程的低励限制约束中静稳极限约束、最大定子电流、最小转子电流、失磁保护、最大功角约束等方面进行了分析计算，确定了背压发电机实际运行中的运行约束安全边界，计算结果对背压发电机的进相运行和低励限制参数配置工作提供了一定参考。