CN104535926B - 同步机组起动过程中的失磁保护方法 - Google Patents

Abstract

一种同步机组起动过程中的失磁保护方法，在同步机组启动的过程中包括：实时测量起动机组的端口电压和电流；从端口向机组内部看，将正在起动的机组等效为电阻和电感相串联的模型；测量装置实时测量得到的机组电压和电流是采样值；根据最小二乘原理采样值进行计算求解，求得从机组的端口看入的等效电阻和电感的估算值；根据估算值计算得到的等效电阻和电感的计算结果，判定结果值是否进入动作区，进入动作区，则判定所述起动机组发生了失磁故障；未进入动作区，则判定所述起动机组没有发生失磁故障。本发明不计算起动过程中的频率，利用电阻电感等效模型，在时域条件下直接计算电阻和电感的变化轨迹，避免了频率的估算，而且适用于起动中机组频率连续变化的场合。

Description

同步机组起动过程中的失磁保护方法

技术领域

本发明涉及一种失磁保护方法。特别是涉及一种同步机组起动过程中的失磁保护方法。

背景技术

背靠背启动和变频器启动是同步机组的两种主要启动方式。所谓背靠背启动，是指将同步发电机和同步电动机直接连接，并利用发电机直接拖动电动机，直至电动机转速达到可以并网运行的同步转速。变频器起动是利用变频调速系统提供的低频电源加在被启动机组定子上，同步机组在同步转矩作用下逐渐升速直至可以并网运行。同步机组启动期间的失磁故障与并网条件下的失磁故障存在明显差异，造成目前同步机组启动过程中传统的失磁保护判据失效，机组在启动过程中发生失磁故障时失去保护，同步机组启动过程中发生失磁故障，由于机组的转速和电压较低，此时的同步机组类似于降压启动的异步电动机，大量的启动电流将会进入同步机组的阻尼绕组，引起机组的转子过热，最终导致机组损坏。因此，同步机组在启动过程中必须装设失磁保护。

目前大型汽轮发电机和水轮发电机正在使用的失磁保护判据有五类：变励磁低电压判据，定励磁低电压判据，静稳阻抗圆判据、异步阻抗圆判据和机端低电压判据，实际使用的失磁保护判据是上述判据的逻辑组合。但是，这些判据在用作同步机组启动过程中的失磁故障时，并非全部合适。

变励磁低电压判据适用于并网运行的发电机，它能够根据输出功率的大小自适应调节失磁保护的动作值，在发电机出现部分失磁的情况下能够预测可能的失步，从而显著提高机组出力或切换励磁的效果。但是，对于启动过程的同步机组来说，其电磁功率较小，励磁电压相对固定，变励磁低电压判据失去了存在的依据。

定励磁低电压判据主要用于发电机轻载或空载条件下的失磁故障保护。启动过程中的同步机组，其负载较轻，类似于空载运行，因此该判据仍然有效。

由于同步电机在启动期间因失磁而导致异步运行时，其稳态异步阻抗呈现出次暂态电抗的性质，由于启动期间发电机的转速较低，此时的次暂态电抗小于额定频率下的次暂态电抗，此时阻抗继电器将出现拒动。同时，在整个启动期间，同步电机的定子电流频率较低，目前的保护装置尚缺乏有效的频率跟踪手段，无法对整个启动过程进行准确的测频，较低频率下阻抗继电器的正确性不能得到保证。

机端低电压判据在整个启动期间长期处于动作状态，失去了鉴别失磁故障的作用。应该设计专门的失磁保护方案。

目前是存在失磁故障检测方法的，但是都是针对同步机组在正常运行时的失磁故障检测，而起动过程中的失磁故障是缺乏有效检测方法的。并且，目前在工业应用中，是通过估算起动过程中的频率变化，通过在频域条件下计算阻抗，并判断阻抗的动作轨迹来实现失磁故障判定的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种安全可靠的同步机组起动过程中的失磁保护方法。

本发明所采用的技术方案是：一种同步机组起动过程中的失磁保护方法，在同步机组启动的过程中进行如下步骤：

1)实时测量起动机组的端口电压u(t)和电流i(t)；

2)从端口向机组内部看，将正在起动的机组等效为电阻和电感相串联的模型，起动机组端口的电压电流满足如下关系：

$u\left(t\right)=\mathrm{Ri}\left(t\right)+L\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中，R为起动机组的等效电阻；L为起动机组的等效电感；u(t)为起动机组的端口电压；i(t)为起动机组的端口电流；为端口电流的微分值；

3)测量装置实时测量得到的机组电压和电流是采样值，将步骤2)中u(t)的关系式用采样值表示为

$u_k={\mathrm{Ri}}_k+L\frac{(i_{k+1}-i_{k-1})}{{2T}_s}={\mathrm{Ri}}_k+{\mathrm{LD}}_k---\left(2\right)$

式中，k表示采样点的编号；u_k和i_k分别为端口电压和电流的在k时刻的采样值；Ts为采样间隔； $D_k=\frac{(i_{k+1}-i_{k-1})}{{2T}_s};$

4)根据最小二乘原理对步骤3)的中采样值u_k公式进行计算求解，求得从机组的端口看入的等效电阻和电感的估算值分别为：

$\hat{R}=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{u}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{D}_k}{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-{\left(\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k\right)}^2}---\left(3\right)$

$\hat{L}=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k}{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-{\left(\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k\right)}^2}---\left(4\right)$

式中，和表示等效电阻和电感的估算值；N表示当前用于计算的采样点个数；

5)根据根据步骤4)计算得到的等效电阻和电感的计算结果，判定结果值是否进入动作区，进入动作区，则判定所述起动机组发生了失磁故障；未进入动作区，则判定所述起动机组没有发生失磁故障。

步骤2)所述的电阻和电感相串联的模型为R-L时域模型。

步骤5)所述的动作区是根据发电机的直轴电感和直轴暂态电感参数决定的一个圆形区域，构成动作区的公式如下：

$|(\hat{R}+j\hat{L})-\frac{1}{2}(L_d^{\′}+L_d)|\≤\frac{1}{2}{L}_d---\left(5\right)$

式中，L_d是同步机的直轴电感；L_d’是同步机的直轴暂态电感，

当构成动作区的公式成立时，表示计算得到的等效电阻和电感的结果进入动作区，则判定所述起动机组发生了失磁故障；如果构成动作区的公式不成立，则表示计算得到的等效电阻和电感的结果未进入动作区，则判定所述起动机组没有发生失磁故障。

本发明的同步机组起动过程中的失磁保护方法，针对目前同步机组启动过程中传统失磁保护判据闭锁失效，不能保证失磁故障的快速识别和安全切除故障的问题，提出了一种同步机组启动过程失磁保护方法。本发明的方法不计算起动过程中的频率，直接利用电阻电感等效R-L模型，在时域条件下直接计算电阻和电感的变化轨迹，不仅避免了频率的估算，而且适用于起动中机组频率连续变化的场合。本发明的方法在同步机组的启动过程中能够有效保护设备的安全，同时快速的切除故障，在工程应用中具有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明的同步机组起动过程中的失磁保护方法流程图；

图2是同步机组启动期间的失磁保护R-L平面动作特性。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的同步机组起动过程中的失磁保护方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的同步机组起动过程中的失磁保护方法，在同步机组启动的过程中进行如下步骤：

1)实时测量起动机组的端口电压u(t)和电流i(t)；

2)从端口向机组内部看，将正在起动的机组等效为电阻和电感相串联的模型，所述的电阻和电感相串联的模型为R-L时域模型，起动机组端口的电压电流满足如下关系式：

$u\left(t\right)=\mathrm{Ri}\left(t\right)+L\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中，R为起动机组的等效电阻；L为起动机组的等效电感；u(t)为起动机组的端口电压；i(t)为起动机组的端口电流；为端口电流的微分值；

3)测量装置实时测量得到的机组电压和电流是采样值，将步骤2)中u(t)的关系式(1)用采样值表示为

$u_k={\mathrm{Ri}}_k+L\frac{(i_{k+1}-i_{k-1})}{{2T}_s}={\mathrm{Ri}}_k+{\mathrm{LD}}_k---\left(2\right)$

式中，k表示采样点的编号；u_k和i_k分别为端口电压和电流的在k时刻的采样值；Ts为采样间隔； $D_k=\frac{(i_{k+1}-i_{k-1})}{{2T}_s};$

4)根据最小二乘原理对步骤3)的中采样值u_k公式(2)进行计算求解，求得从机组的端口看入的等效电阻和电感的估算值分别为：

$\hat{R}=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{u}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{D}_k}{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-{\left(\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k\right)}^2}---\left(3\right)$

$\hat{L}=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k}{\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_k^2-{\left(\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k{D}_k\right)}^2}---\left(4\right)$

式中，和表示等效电阻和电感的估算值；N表示当前用于计算的采样点个数；

5)根据根据步骤4)计算得到的等效电阻和电感的计算结果，判定结果值是否进入如图2所示的动作区(该平面上的圆内为动作区)。图2中，L_d是同步机的直轴电感；L_d’是同步机的直轴暂态电感；A是动作区；B是失磁后的电阻电感变化轨迹。进入动作区A，则判定所述起动机组发生了失磁故障；未进入动作区A，则判定所述起动机组没有发生失磁故障。

所述的动作区A是根据发电机的直轴电感和直轴暂态电感参数决定的一个圆形区域，构成动作区的公式如下：

$|(\hat{R}+j\hat{L})-\frac{1}{2}(L_d^{\′}+L_d)|\≤\frac{1}{2}{L}_d---\left(5\right)$

式中，L_d是同步机的直轴电感；L_d’是同步机的直轴暂态电感，

当构成动作区的公式(5)成立时，表示根据步骤4)中的公式(3)、(4)计算得到的等效电阻和电感的计算结果进入动作区，则判定所述起动机组发生了失磁故障；如果构成动作区的公式(5)不成立，则表示根据步骤4)中的公式(3)、(4)计算得到的等效电阻和电感的结果未进入动作区，则判定所述起动机组没有发生失磁故障。

Claims (1)

1.一种同步机组起动过程中的失磁保护方法，其特征在于，在同步机组启动的过程中进行如下步骤：

1)实时测量起动机组的端口电压u(t)和电流i(t)；

2)从端口向机组内部看，将正在起动的机组等效为电阻和电感相串联的模型，起动机组端口的电压电流满足如下关系：

$u\left(t\right)=Ri\left(t\right)+L\frac{di\left(t\right)}{dt}---\left(1\right)$

式中，R为起动机组的等效电阻；L为起动机组的等效电感；u(t)为起动机组的端口电压；i(t)为起动机组的端口电流；为端口电流的微分值，

所述的电阻和电感相串联的模型为R-L时域模型；

3)测量装置实时测量得到的机组电压和电流是采样值，将步骤2)中u(t)的关系式用采样值表示为

$u_k={\mathrm{Ri}}_k+L\frac{(i_{k+1}-i_{k-1})}{2T_s}={\mathrm{Ri}}_k+{\mathrm{LD}}_k---\left(2\right)$

式中，k表示采样点的编号；u_k和i_k分别为端口电压和电流的在k时刻的采样值；Ts为采样间隔；

4)根据最小二乘原理对步骤3)的中采样值u_k公式进行计算求解，求得从机组的端口看入的等效电阻和电感的估算值分别为：

$\hat{R}=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k{u}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{D}_k^2-\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{u}_k{D}_k}{\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k^2\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{D}_k^2-{\left(\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k{D}_k\right)}^2}---\left(3\right)$

$\hat{L}=\frac{\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{u}_k{D}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k^2-\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{u}_k{i}_k\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k{D}_k}{\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k^2\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{D}_k^2-{\left(\underset{k=2}{\overset{N}{\Σ}}{i}_k{D}_k\right)}^2}---\left(4\right)$

式中，和表示等效电阻和电感的估算值；N表示当前用于计算的采样点个数；

5)根据根据步骤4)计算得到的等效电阻和电感的计算结果，判定结果值是否进入动作区，进入动作区，则判定所述起动机组发生了失磁故障；未进入动作区，则判定所述起动机组没有发生失磁故障，所述的动作区是根据发电机的直轴电感和直轴暂态电感参数决定的一个圆形区域，构成动作区的公式如下：

$|(\hat{R}+j\hat{L})-\frac{1}{2}(L_d^{\′}+L_d)|\≤\frac{1}{2}{L}_d---\left(5\right)$

式中，L_d是同步机的直轴电感；L_d’是同步机的直轴暂态电感，

当构成动作区的公式成立时，表示计算得到的等效电阻和电感的结果进入动作区，则判定所述起动机组发生了失磁故障；如果构成动作区的公式不成立，则表示计算得到的等效电阻和电感的结果未进入动作区，则判定所述起动机组没有发生失磁故障。