CN113270850B - 一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，所述方法包括以下步骤：1)满足阻抗滑动判据及滑级次数，满足断路器开断容量，发电机保护判断断路器动作正常；2)经延时T发出三相重合闸指令，指令接入同期装置；3)发电机重合时，功角等于δ1，此时最大减速面积为V(_x)_max：

系统维持稳定的条件为转子全部相对动能<减速面积所对应的势能，即：

当发电机总能量V(x)最小时，当发电机频率降低为系统频率时，发电机功角δ将从δr上升至δs，此时，发电机相对于系统的转动动能全部转化为相对势能。本发明能够帮助在网内因为失步而跳闸的发电机能迅速重新并网，能够给电网提供足够的有功功率支撑，帮助电网渡过“振荡期”恢复稳定。

Description

一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定性技术领域，具体涉及一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法。

背景技术

随着电力系统联系日趋紧密，当电力系统发生重大故障(如枢纽变电站、大型发电厂主母线、特高压输电线路重负载跳闸，机组非同期合闸)时，常常会导致电力系统有功功率的不平衡，进而引发电力系统振荡，甚至导致整个电力系统崩溃。在电网事故发展初期，系统开始失步振荡时发电机失步保护、失磁保护跳阐，导致大量机组退出运行，引发了功率缺额、频率降低、电压崩溃等一系列连锁反应，对事故扩大起到了推波助澜的作用，导致系统解列，造成大停电。

以往的重合闸技术都是用于输电线路的重合闸，当发生短路故障时，重合闸可以使线路能够先跳闸再合闸，如果故障是暂时的，可以迅速恢复供电。

现有技术中没有针对“发电机”的重合闸，但实际运行中，如果发电机本身无故障，但由于电网振荡导致发电机失步跳闸后，发电机往往被迫打闸停机。若要重新开机，则需要较长时间，不利于迅速恢复对电网的供电。

(1)发电机发生故障后跳闸的判据非常完善，但目前没有让发电机跳闸后短时间内重新合闸的方案。

(2)输电线路有重合闸方案，但这是针对线路而非发电机的。这是因为：①发电机及其控制系统非常复杂，而线路则很简单；②发电机是旋转设备而线路是静止设备。因此用于线路的传统型重合闸方案不适用于发电机。

(3)传统线路重合闸的合闸时间一般为一个确定的值(比如0.8s，1s)，而本文通过暂态能量法确定的合闸时间为一个计算的值，是根据机组运行情况(功角)动态调整的。

(4)《自动重合闸最优重合方案的设计》一文中所提及的暂态能量法用于计算短路故障——故障切除—恢复稳定的过程；而本文中的暂态能量法则用于计算发电机失步—跳闸—重新合闸—恢复稳定的过程。前者针对短路故障，后者针对失步、失稳的故障。

电网由于外部有功电源输入忽然丢失(比如特高压输电线路跳闸导致受电侧电网有功功率不足)而导致失稳时，发电机失步保护可能动作跳闸，从而导致受电侧电网有功功率更加缺乏，严重情况下可能导致电网崩溃。此时，若网内因为失步而跳闸的发电机能迅速重新并网，则可以给电网提供足够的有功功率支撑，帮助电网渡过“振荡期”，恢复稳定。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，所述方法是当发电机本身无故障，由于电力系统故障使发电机失步保护动作或者由于开关偷跳等原因误动作时，利用同期、保护、控制装置使其自动重新合闸，所述方法包括以下步骤：

步骤1)在发电机失步保护动作后,满足断路器开断容量，发电机保护判断断路器闭锁条件正常；

步骤2)经延时T发出三相重合闸指令，指令接入同期装置，经过T时，采用暂态能量法进行计算，当不考虑热控调节器情况，发电机以超过电网频率的转速重合后，过剩的动能将转化成发电机的势能，发电机以δr的功角重合，此时转子动能转化为发电机的势能，当发电机与电网相对静止时，将该时刻的功角记为δs；

步骤3)发电机重合时，功角等于δ1，此时最大的减速面积为V_(x)max：

其中P_T为原动机功率，E’为发电机内电势，U为系统电压，X_Σ为发电机与系统之间的等效阻抗，δ为发电机功角。

系统维持稳定的条件为转子全部相对动能<减速面积所对应的势能，即：

其中J为发电机转动惯量，ω为发电机转动角速度，当发电机总能量V(x)最小时，当发电机频率降低为系统频率时，发电机功角δ将从δr上升至δs，此时，发电机相对于系统的转动动能全部转化为相对势能。

步骤4)断路器合闸；

步骤5)若合闸后出现二次失步或其他短路型故障，满足条件后可采用“后加速”跳闸，同时闭锁重合闸。

作为本发明的一种改进，所述步骤3)中，当出现阻尼损耗时，原动机通过调节汽轮机调门，使原动机输入功率由PT1降到PT2，减速面积变大，系统恢复稳定，系统稳定后再提高原功率，增加发电机所带负荷。

作为本发明的一种改进，系统频率由最低点向50HZ移动时，电网稳定性已恢复，发电机频率＞系统频率，此时需要发电机对电网冲击最小。

作为本发明的一种改进，系统频率下降时，机组在相位同期条件满足的最早时间并网，然后用加速面积分析，不能越过稳定极限，发电机合闸后释放相对动能。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)中，若功角在90°前，发电机转速就与系统频率一致，发电机稳定运行在该转速对应的功角上，即δs<90°；若功角在90°～δ2，发电机与系统频率一致，发电机相对于系统继续振荡，经过若干振荡周期后发电机恢复稳定运行，即90°<δs<δ2；若功角在δs～δ2的任意值，发电机的转速无法与系统频率一致，发电机无法恢复稳定运行，最终与系统解列。

作为本发明的一种改进，所述步骤1)中当发电机和电网电压幅值和相交均相同，只有频率不同，即fg≠fs时，ΔU可以表示为：

此时可以看出，ΔU是一个脉振电压，受到两个频率的影响，分别是fg+fs和fg-fs，这是一个有包络线的正弦波，包络线频率为

包络线内部正弦波的频率为

当t＝0时，ΔU也等于0，这就表示在合闸瞬间，理论上没有冲击电流，但是在合闸后，电网和机组之间还会存在一个稳态的脉振电流，意味着发电机和电网之间仍然存在能量传递，这个传递功率将随着汽轮机一次调频的动作而逐渐减小。该方案以减小合闸时的短路电流，从而满足断路器开断容量，保护对机组设备的冲击。这个过程类似于发电机的失步过程，只不过频差通常较小，很容易将发电机组拖回稳定运行状态。

作为本发明的一种改进，所述步骤4)中重合闸最初由发变组保护发出，经过断路器本体的闭锁信号，发送至同期装置，同期装置接收到该信号后，进行逻辑判断后发送给热控系统，同期装置判断热控系统调整后的并网条件后，将合闸指令发送给断路器本体，断路器合闸。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，能够在发电机在失步失稳跳开后，尽可能快速自动重合闸，保障全网的有功功率平衡，尽快恢复电网的稳定性，并利用暂态能量法分析了发电机的重合时机，在网内因为失步而跳闸的发电机能迅速重新并网，能够给电网提供足够的有功功率支撑，帮助电网渡过“振荡期”，恢复稳定。

附图说明

图1为本发明发电机保护三相重合闸逻辑图。

图2为不考虑阻尼和调节器时发电机重合闸时的功角曲线示意图。

图3为考虑阻尼损耗和汽轮机调节时的功角曲线示意图。

图4为有频差时△U的波形图。

图5为实施例中所述#3机与#4机等效网络拓扑图。

图6为实施例中所述发电机重合闸仿真模型。

图7为实施例中电网仿真模型。

图8为转动时间常数比较大(H＝8s)且合闸角为0°时的仿真曲线图。

图9为转动时间常数比较小(H＝4s)且合闸角为0°时的仿真曲线图。

图10为转动时间常数比较大(H＝8s)且合闸角为45°时的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例：本实施例以华能南通电厂的#3机组为例,利用simulink软件仿真，并以仿真结果检验发电机三相重合闸后机组能否恢复稳定运行，同时校验重合后发电机最大电流是否满足安全要求,首先模拟工况如下：1)江苏电网外来电特高压线路跳闸,网内负荷未能及时切除,电网有功功率不足,发生振荡；2)华能南通电厂#3机由于检测到机组失步，已由传统失步保护跳闸；3)发电机将重合于电网，但此时发电机频率仍为50Hz，但电网频率已将下降至48Hz，因此发电机不满足同期“频率”条件，但仍然强制重合。华能南通电厂#3机与#4机等效网络拓扑图如图5所示，#3机和#4机的各参数如表1、表2和表3所示。

表1华能南通电厂#3发电机和#4发电机参数表

表2华能南通电厂#3，#4主变参数表

表3华能南通电厂#3，#4厂变参数

发电机重合闸仿真包括四个部分：发变组，将#3机和#4机等效成一个发电机，发电组出口断路器，有限容量电网和负载，建立的发电机重合闸仿真模型如图6和图7所示，仿真模块在以下四种情况下，发电机转速和功角的变化趋势，进而分析发电机能否在新的频率下维持稳定。

1)电网外来线路跳闸，有功功率出现巨大缺额，系统频率降到48Hz，发电机失步保护将动作跳开主变高压侧断路器,不灭磁,主汽调门开度降到3％(供厂用电负荷为P厂，参考目前通用的汽轮机甩负荷试验方案)，发电机转速维持3000r/min。

2)发电机选择恰当的功角进行重合闸(改变主变高压侧断路器动作时间来实现)，主要包括以下步骤：

步骤1)传统失步保护跳闸：满足阻抗滑动判据及滑级次数，满足断路器开断容量，两侧电动势相位差在一定范围才允许跳开，以免断路器断开容量过大，且发电机判断发电机自身无故障，没有零序电流和电流突变量，发电机保护判断断路器动作正常，气动断路器动作气压足够，液压断路器则液压足够；

步骤2)经延时T发出三相重合闸指令，指令接入同期装置，经过T时，采用暂态能量法进行计算，当不考虑热控调节器情况，发电机已超过电网频率的转速重合后，过剩的动能将转化成发电机的势能，如图2所示，即功角曲线图中的减速面积(阴影部分)，发电机以δr的功角重合，由于转子频率高于系统频率，发电机的功角会逐渐拉大，此时转子动能转化为发电机的势能，当发电机与电网相对静止时，将该时刻的功角记为δs，具体分为以下情况：若功角在90°前，发电机转速就与系统频率一致，发电机稳定运行在该转速对应的功角上，即δs<90°；若功角在90°～δ2，发电机与系统频率一致，由于此时是暂态分析中的不稳定平衡点，发电机相对于系统继续振荡，经过若干振荡周期后发电机恢复稳定运行，即90°<δs<δ2；若功角在δs～δ2的任意值，发电机的转速无法与系统频率一致，发电机无法恢复稳定运行，最终与系统解列；

步骤3)发电机重合时，功角等于δ1，此时最大的减速面积为V_(x)max：

系统维持稳定的条件为转子全部相对动能<减速面积所对应的势能，即：

当发电机总能量V(x)最小时，当发电机频率降低为系统频率时，发电机功角δ将从δr上升至δs，此时，发电机相对于系统的转动动能全部转化为相对势能，该势能决定了发电机能够维持暂态稳定。

所述步骤3)中，当考虑阻尼损耗时，原动机通过调节汽轮机调门，使原动机输入功率由PT1降到PT2，如图3所示，减速面积变大，系统恢复稳定，系统稳定后再提高原功率，增加发电机所带负荷。

但对于“失步”的电网而言，同步的发电机反而成为提供振荡电流的“源头”，应尽早切除；可是切机后，有功功率支撑不足，又会进一步导致电网频率的降低，因此，又对机组的调速性能提出了极高的要求，要在秒级时间内将转速下降，以匹配电网频率。在实际工况下，可能有如下两种情况：系统频率由最低点向50HZ移动时，电网稳定性已恢复，发电机频率＞系统频率，此时需要发电机对电网冲击最小，因此需要满足同期条件即可合闸。

系统频率下降时，机组在相位同期条件满足的最早时间并网，然后用加速面积分析，不能越过稳定极限，发电机合闸后释放相对动能，结果有三种：

①当功角小于或等于90°时，发电机转速就能降到电网频率，此时发电机重合闸成功，通过热控系统跟踪电网频率可以稳定运行。

②当功角等于90°时，发电机转速略大于电网频率，此时发电机合闸成功，但需要经历几次(由失步保护滑极次数决定)振荡才能与电网同步运行，重合闸成功，系统稳定运行。

③当功角等于90°时，发电机转速仍远大于电网频率，此时发电机虽然可以暂时并网，但由于热控系统调节速度跟不上，需要经历更多次振荡(超过整定滑极次数)，才能跟上电网频率，此时发电机可能受到振荡电流的损害，应在滑极次数达到整定值时跳开，重合闸失败。

进一步地，所述步骤1)中当发电机和电网电压幅值和相交均相同，只有频率不同，即fg≠fs时，ΔU可以表示为：

此时可以看出，ΔU是一个脉振电压，受到两个频率的影响，分别是fg+fs和fg-fs，这是一个有包络线的正弦波，包络线频率为

包络线内部正弦波的频率为

具体波形如图4所示，当t＝0时，ΔU也等于0，这就表示在合闸瞬间，理论上没有冲击电流，但是在合闸后，电网和机组之间还会存在一个稳态的脉振电流，意味着发电机和电网之间仍然存在能量传递，这个传递功率将随着汽轮机一次调频的动作而逐渐减小。这个过程类似于发电机的失步过程，只不过频差通常较小，很容易将发电机组拖回稳定运行状态。

所述步骤4)中重合闸最初由发变组保护发出，经过断路器本体的闭锁信号，发送至同期装置，同期装置接收到该信号后，进行逻辑判断后发送给热控系统，同期装置判断热控系统调整后的并网条件后，将合闸指令发送给断路器本体，断路器合闸。

3)控制主汽门开度，可以采用两种策略：

①比较简单快速的控制模式：重合闸后仍然维持主汽调门开度在3％，实时监测发电机有功功率输出PE，这样可以以最快的速度释放转子动能，等到转速降到2880r/min时，再将PE+P厂直接作为汽轮机输出功率指令给到DEH系统。这样可以提高转速调节速度，但是会加大汽机振动。

②比较缓和的控制模式：将目标频率f0(电网频率)，目前发电机的转速n1，目前发电机的输出有功功率P0输入到汽轮机PID调节环节中，调节主汽门开度，进而调节汽轮机输出功率，配合发电机减速到2880r/min。这种模式减速过程比较漫长，但是能维持汽轮机转速平缓下降。

(4)由于转子转动惯量J的存在，转速调节要依据转子运动方程式，因此有一定的滞后性，功角也将经历一个甚至几个完整的0°～360°周期才能稳定，运动方程式如下：

仿真设置了3种工况，分别为转动时间常数比较大(H＝8s)且合闸角为0°；转动时间常数比较(H＝4s)小且合闸角为0°；转动时间常数比较大(H＝8s)且合闸角为54°。具体结果如下：

①发电机转动时间常数比较大的仿真结果(H＝8s)，汽轮机转速指令直接由3000r/min变成2880r/min，设置H为8s，发电机以0°的相角差重合于48Hz的电网上，转速，功率，主变高压侧电压电流，功角变化曲线如图8所示，发电机经历6s后可以稳定在2880r/min的转速上，发电机不会失步，其中图8a为转速曲线(横轴为时间s，纵轴为转速pu.)，图8b为功率曲线(横轴为时间s，纵轴为功率pu.)，图8c为电压(上)，电流(下)曲线(横轴为时间s，纵轴为电压kV、电流A)，图8d为功角曲线(横轴为时间，纵轴为角度°)。

需要注意的是：在这个过程中，发电机功率振荡比较严重，有三个振荡周期里会出现逆功率情况，而且振荡电流比较大(约为额定值的3～4倍)，此时应注意其他保护配置不能误动。由于暂态过程中各电气量参数比较难定量计算，相关保护定值不易整定。因此可以在重合闸后的5s内闭锁正序电流量保护和逆功率保护，采用零序量的保护防止出现定子接地等相关故障。

②发电机转动时间常数比较小的仿真结果(H＝4s)，合闸角为0°，参考上述转动时间常数比较大(H＝8s)且合闸角为0°的仿真情况，仅改变发电机转动时间常数(H＝4s)，得到的相关仿真曲线如图9所示，发电机经历4s后可以稳定在2880r/min的转速上，发电机不会失步，其中图9a为转速曲线，图9b为功率曲线，图9c为电压(上)，电流(下)曲线，图9d为功角曲线。

③发动机转动时间常数比较大的仿真结果(H＝8s)，合闸角为54°时，从本实施例2)中可知，合闸角δr等于正常运行时功角δ1时，发电机减速面积最大，最能保持稳定，因此本节将在转动时间常数比较大(H＝8s)且合闸角为0°情况的基础上将合闸角由0°改为正常额定运行时的功角54°，发现振荡次数变少，系统经历更短的时间恢复稳定。得到的相关仿真曲线如图10所示，其中图10a为转速曲线，图10b为功率曲线，图10c为电压(上)，电流(下)曲线，图10d为功角曲线。

对于上述①至③关于改变合闸角的仿真结果分析，对比其仿真结果，可以得出当改变合闸角，增大减速面积，可以减少合闸后的振荡次数，振荡次数由6次减为5次，根据从本实施例2)的分析可知，发电机合闸角为δr时，发电机减速面积可达到最大值，因此，为了使发电机合闸时冲击电流最小，通常同期装置整定的合闸角为0°，即发电机与电网同相位时合闸，但即便如此，发电机只要经过几次振荡过程，依然能保持稳定。

对于上述①至③关于改变合闸角的仿真结果分析，可以看到当转动时间常数变小了之后，发电机合闸后的振荡次数由6次降低为5次。发电机的电流、有功、转速波动等都会趋于平缓；最大值和最小值也比H＝8s的情况要小。因此可以得出结论：发电机转动时间常数越小，惯性越小，在历经振荡时发电机越能保持稳定。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)在发电机失步保护动作后,满足断路器开断容量，发电机保护判断断路器闭锁条件正常；

步骤2)经延时T发出三相重合闸指令，指令接入同期装置，经过T时，采用暂态能量法进行计算，发电机已超过电网频率的转速重合后，过剩的动能将转化成发电机的势能发电机以δ_r的功角重合，此时转子动能转化为发电机的势能，当发电机与电网相对静止时，将该时刻的功角记为δ_s；

步骤3)发电机重合时，功角等于δ₁，此时最大的减速面积为V(x)max：

系统维持稳定的条件为转子全部相对动能<减速面积所对应的势能，即：

当发电机总能量V(x)最小时，当发电机频率降低为系统频率时，发电机功角δ将从δ_r上升至δ_s，此时，发电机相对于系统的转动动能全部转化为相对势能；

步骤4)断路器合闸；

步骤5)若合闸后出现二次失步，满足条件后采用“后加速”跳闸，同时闭锁重合闸。

2.根据权利要求1所述的基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，其特征在于，所述步骤3)中，当出现阻尼损耗时，原动机通过调节汽轮机调门，使原动机输入功率由PT1降到PT2，减速面积变大，系统恢复稳定，系统稳定后再提高原功率，增加发电机所带负荷。

3.根据权利要求2所述的基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，其特征在于，系统频率由最低点向50HZ移动时，电网稳定性已恢复，发电机频率＞系统频率，此时需发电机对电网冲击最小，满足同期条件即可合闸。

4.根据权利要求3所述的基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，其特征在于，系统频率下降时，机组在相位同期条件满足的最早时间并网，然后用加速面积分析，不能越过稳定极限，发电机合闸后释放相对动能。

5.根据权利要求4所述的基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，其特征在于，所述步骤2)中，若功角在90°前，发电机转速就与系统频率一致，发电机稳定运行在该转速对应的功角上，即δ_s<90°；若功角在90°～δ₂，发电机与系统频率一致，发电机相对于系统继续振荡，经过若干振荡周期后发电机恢复稳定运行，即90°<δ_s<δ₂；若功角在δ_s～δ₂的任意值，发电机的转速无法与系统频率一致，发电机无法恢复稳定运行，最终与系统解列。

6.根据权利要求5所述的基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法,其特征在于,所述步骤1)中当发电机和电网电压幅值和相交均相同，只有频率不同，ΔU受包络线频率和包络线内部正弦波频率的影响，当合闸后发电机与电网之间的传递功率随着汽轮机一次调频动作而减小。

7.根据权利要求6所述的基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，其特征在于，所述步骤4)中重合闸最初由发变组保护发出，经过断路器本体的闭锁信号，发送至同期装置，同期装置接收到该信号后，进行逻辑判断后发送给热控系统，同期装置判断热控系统调整后的并网条件后，将合闸指令发送给断路器本体，断路器合闸。

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