汽轮发电机三相短路引起的失步仿真及保护(1)

摘要：建立了包括汽轮机、发电机、调速器和励磁调节装置在内的全系统仿真模型，编制了仿真软件，在模拟发电机组上进行了三相突然短路故障引起的失步实验和仿真分析，实验结果验证了仿真结果的正确性。对某电厂300 MW汽轮发电机进行了三相短路故障引起失步的仿真研究，并对三阻抗元件失步保护和改进型三阻抗元件失步保护进行了整定计算及分析。
关键词：暂态稳定；振荡中心；整定计算；失步保护

1　引言

电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动之后能否继续保持发电机间同步运行的问题。根据扰动大小所确定的稳定问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。电力系统具有暂态稳定性，一般是指电力系统在正常运行时，受到一个大的扰动后，能从原来的运行状态，过渡到新的运行状态，并在新的运行状态下稳定地运行，而暂态不稳定的后果则是系统失去同步。

引起电力系统大扰动的原因主要有下列几种：

(1)负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等；
(2)切除或投入系统的主要元件，如发电机、变压器及线路等；
(3)发生短路故障。

其中短路故障的扰动最为严重，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。

本文针对三相突然短路故障引起的失步过程，利用C＋＋语言编写了仿真程序，对具有调速器和励磁环节的汽轮发电机发生三相突然短路故障后失步的动态过程进行仿真，并通过自编的主设备整定计算软件进行整定，利用仿真和整定结果对三阻抗元件失步保护和改进型三阻抗元件失步保护进行分析。

2　数学模型

仿真中，发电机组采用的数学模型为单机对无穷大系统，如图1所示。

正常运行时，开关K断开；当K闭合时，发生发电机机端三相突然短路故障；当开关K再次断开时，故障切除。

2．1　发电机的数学模型

采用PARK方程［1］对发电机进行数学建模。建模过程中，除考虑发电机机端电压和机端电流的变化以及转子励磁电流和励磁电压的变化外，还考虑了发电机的功角δ和转差s的变化情况。其矩阵形式如下：

式中H为转动惯量，T1为发电机原动机的输入转矩，电磁转矩，ω为发电机的同步角速度。

2．2　输电系统的数学模型

输电系统在abc坐标系下的电压方程为

其中，rs为线路的正序电阻；xs是线路的正序电抗；rs0、 xs0是线路的零序电阻、电抗。

2．3　调速系统的数学模型

为了控制原动机向发电机输出的机械功率，以及在并列运行的发电机之间合理地分配负荷，每一台原动机都配置了调速器。原动机和调速器的组合构成了发电机的调速系统。

国内外的大型汽轮机组，大都采用中间再热式汽轮机，由于一阶模型没有计及中间再热蒸汽容积效应，过于粗糙；三阶模型又有些繁琐，在本文的精度要求下，对汽轮机的仿真采用二阶模型，其传递函数框图如图2所示。

在动态模拟实验室进行三相短路故障引起的失步实验时，模拟发电机组采用的原动机是直流电动机，因此在对模拟发电机组的三相突然短路及故障切除进行仿真计算时，采用了如图3所示的直流电动机数学模型。