引言

調(diào)相機(jī),一種既可以發(fā)出無功(也稱"吐無功"),也可以吸收無功(也稱"吞無功")的同步電機(jī),它可以增加系統(tǒng)的短路容量和轉(zhuǎn)動慣量,受系統(tǒng)電壓和不對稱短路影響小,在系統(tǒng)暫態(tài)、動態(tài)過程中的調(diào)節(jié)性能好,其動態(tài)無功輸出能力可達(dá)額定容量的2倍以上,同時具備深度進(jìn)相能力,可以有效解決無功支撐不足、系統(tǒng)電壓多變等系統(tǒng)性問題[l-2]。目前,已有大批量新一代300Mvar、分布式50Mvar調(diào)相機(jī)得到應(yīng)用,它們在換流站、變電站、新能源區(qū)發(fā)揮著電網(wǎng)穩(wěn)定器的作用。未來,發(fā)展以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為主旋律,調(diào)相機(jī)在提供無功支撐、抑制過電壓、維持系統(tǒng)穩(wěn)定方面將發(fā)揮更大的作用。

調(diào)相機(jī)的功能發(fā)揮很大程度上取決于二次控制、保護(hù)系統(tǒng)工作情況,調(diào)相機(jī)暫態(tài)調(diào)節(jié)、吞吐容量和安全運(yùn)行邊界受勵磁系統(tǒng)和調(diào)相機(jī)變壓器組保護(hù)(以下簡稱"調(diào)變組保護(hù)")制約,如何在保證調(diào)相機(jī)充分發(fā)揮自身能力的同時,保障調(diào)相機(jī)安全,成為調(diào)相機(jī)應(yīng)用實踐的焦點,其中調(diào)相機(jī)勵磁限制器與調(diào)變組保護(hù)的配合尤為重要。本文將以國內(nèi)一線調(diào)相機(jī)廠家生產(chǎn)的300Mvar調(diào)相機(jī)和國內(nèi)一線勵磁廠家生產(chǎn)的PCs94l0系列勵磁調(diào)節(jié)器為例,詳細(xì)介紹調(diào)相機(jī)勵磁裝置限制器與調(diào)變組保護(hù)在關(guān)鍵定值上的整定與配合。

1勵磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合要求

1.1調(diào)相機(jī)勵磁限制器

調(diào)相機(jī)勵磁限制器用于在調(diào)相機(jī)運(yùn)行至接近安全邊界時,觸發(fā)限制器動作后將調(diào)相機(jī)往回拉,控制調(diào)相機(jī)運(yùn)行回安全范圍。調(diào)相機(jī)勵磁限制器主要有無功功率低勵限制、磁場過流過熱限制、滯相定子電流限制、伏赫茲限制。

1.2調(diào)變組保護(hù)

調(diào)變組保護(hù)用于調(diào)相機(jī)運(yùn)行至超出安全邊界時,觸發(fā)保護(hù)動作后跳機(jī)和解列。由于保護(hù)動作后作用于跳機(jī)和解列,對系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響比較大,故除去與運(yùn)行工況無關(guān)的本體故障和系統(tǒng)故障以外,在調(diào)相機(jī)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中,與勵磁系統(tǒng)控制相關(guān)的保護(hù)均需與勵磁限制器形成配合,主要包含調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)、勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)、調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)、調(diào)相機(jī)過勵磁保護(hù)。

1.3配合原則

要保障調(diào)相機(jī)安全,需提前整定調(diào)變組保護(hù)的定值,確定安全運(yùn)行邊界。一般根據(jù)調(diào)相機(jī)的管理和調(diào)度權(quán)限,由管理單位整定、管理和維護(hù)調(diào)變組定值。在保障調(diào)相機(jī)安全的前提下,要充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)的調(diào)節(jié)能力和吞吐能力,起到穩(wěn)定器的作用,則需要勵磁限制器在調(diào)相機(jī)接近安全邊界時早于調(diào)變組保護(hù)動作,將調(diào)相機(jī)限制回安全范圍。故勵磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合的原則大致為:

(1)被監(jiān)視的模擬量一致、工況接近、功能原理相近、整定原則類似的勵磁限制器和調(diào)變組保護(hù)進(jìn)行配合,對應(yīng)關(guān)系為:無功功率低勵限制與調(diào)相機(jī)失磁保護(hù),磁場過流過熱限制與勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù),滯相定子電流限制與調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù),伏赫茲限制與調(diào)相機(jī)過勵磁保護(hù)。

(2)勵磁限制器的啟動值和動作值小于對應(yīng)的保護(hù),限制器的動作時間小于對應(yīng)的保護(hù),保證勵磁限制器先于調(diào)變組保護(hù)動作,即勵磁限制器的動作曲線要小于調(diào)變組保護(hù)。

2勵磁限制器與調(diào)變組保護(hù)配合整定

2.1無功功率低勵限制調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)

無功功率低勵限制用于限制調(diào)相機(jī)無功功率不低于整定值,防止調(diào)相機(jī)進(jìn)入深度進(jìn)相的非安全狀態(tài),主要定值包含"無功功率低勵限值"和"無功低勵動作時間"。勵磁調(diào)節(jié)器實時監(jiān)測調(diào)相機(jī)無功功率,當(dāng)無功功率小于"無功功率低勵限值"且持續(xù)時間達(dá)到"無功低勵動作時間",則無功功率低勵限制動作,將調(diào)相機(jī)無功功率限制回整定值以上。

調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)反映調(diào)相機(jī)勵磁回路異常引起的調(diào)相機(jī)異常運(yùn)行,與勵磁無功功率低勵限制一樣,重點監(jiān)視調(diào)相機(jī)的無功功率進(jìn)相運(yùn)行情況,當(dāng)調(diào)相機(jī)無功降低到接近不安全區(qū)域時,無功功率低勵限制器先動作,將調(diào)相機(jī)無功功率限制回安全范圍。如果限制器動作后異常工況繼續(xù)發(fā)展至保護(hù)動作值后,調(diào)變組保護(hù)再動作跳閘。

為發(fā)揮調(diào)相機(jī)具備的深度進(jìn)相能力,調(diào)相機(jī)失磁保護(hù)只投入失磁Ⅱ段,需要與勵磁限制器配合的是逆無功功率判據(jù),主要定值包含"逆無功功率I段百分比"和"失磁Ⅱ段動作時間",其中"失磁I段動作時間"固定整定為2s。

參照文獻(xiàn)[5]要求,300Mvar調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行額定功率為-150Mvar(即50%),故"無功功率低勵限值"應(yīng)小于-150Mvar。根據(jù)配合原則,勵磁限制器動作值應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù),故"無功功率低勵限值"應(yīng)小于-150Mvar且大于"逆無功功率Ⅱ段百分比"對應(yīng)的無功功率值。根據(jù)文獻(xiàn)[6],"逆無功功率I段百分比"取為調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行額定功率的1.1~1.2倍,一般取1.1倍,即55%,則對應(yīng)的無功功率值為-165Mvar,故"無功功率低勵限值"應(yīng)整定在-150~165Mvar,一般整定為-155Mvar。根據(jù)配合原則,勵磁限制器動作時間應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù),故"無功低勵動作時間"應(yīng)小于2s,考慮需要發(fā)揮調(diào)相機(jī)深度進(jìn)相能力和抑制系統(tǒng)過電壓能力,一般整定為0.5s。2.2磁場過流過熱限制與勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)

磁場過流過熱限制是用于調(diào)相機(jī)勵磁電流超過其最大長期連續(xù)運(yùn)行電流時對勵磁電流的限制,防止長時間過流導(dǎo)致過熱,損壞調(diào)相機(jī)勵磁繞組。勵磁繞組發(fā)熱與勵磁電流二次方和持續(xù)時間的乘積成正比關(guān)系,即勵磁電流及其允許運(yùn)行時間成反時限特性曲線,如圖1所示。

圖1勵磁熱容熱積累曲線圖

當(dāng)調(diào)相機(jī)勵磁電流超過啟動值時,熱容量計算方法如下:

式中:i.為調(diào)相機(jī)實際勵磁電流值:i.N為調(diào)相機(jī)額定勵磁電流值:1為熱積累持續(xù)時間:C為熱容量。

調(diào)變組的勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)反映勵磁繞組的平均發(fā)熱狀況,熱積累原理與磁場過流過熱限制相同。故配合原則為磁場過流過熱限制的啟動值和熱容量均應(yīng)小于勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù),涉及定值為勵磁限制"強(qiáng)勵限制啟動定值"應(yīng)小于保護(hù)"勵磁反時限啟動電流",勵磁限制"磁場熱容計算電流"和"磁場熱容計算時間"對應(yīng)的熱容量應(yīng)小于保護(hù)的"勵磁繞組熱容量"。

參照文獻(xiàn)[5]要求,勵磁系統(tǒng)在1.1倍額定勵磁電流工況下長期運(yùn)行,故勵磁限制器啟動值應(yīng)不小于110%。同時,文獻(xiàn)[6]規(guī)定,保護(hù)啟動值應(yīng)根據(jù)調(diào)相機(jī)廠家實際過負(fù)荷曲線,按照調(diào)相機(jī)長期允許的勵磁過負(fù)荷能可靠返回的條件整定,故一般情況下,調(diào)變組勵磁反時限保護(hù)啟動值整定為114%,勵磁限制器啟動值應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)啟動值,故參照火電機(jī)組整定原則,強(qiáng)勵限制啟動定值一般取110%。文獻(xiàn)[5]規(guī)定,300Mvar調(diào)相機(jī)勵磁繞組能夠耐受2.5倍額定勵磁電流,時間15s,根據(jù)式(1)得出對應(yīng)熱容量為:

一般地,調(diào)變組勵磁反時限過流保護(hù)設(shè)置熱容量為78.75,考慮調(diào)變組保護(hù)與勵磁限制的配合,即勵磁限制器要先于調(diào)變組保護(hù)動作,所以勵磁熱容量取值小于調(diào)變組保護(hù),一般取為0.9×78.75,即70.875。勵磁熱容量計算由"磁場熱容計算電流""磁場熱容計算時間"決定,其中"磁場熱容計算電流"固定取值為200%,根據(jù)式(1),可計算出"磁場熱容計算時間"為:

故"磁場熱容計算電流"整定為200%,"磁場熱容計算時間"整定為23.63s。

2.3滯相定子電流限制與調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù)

滯相定子電流限制是用于調(diào)相機(jī)定子電流超過其最大長期連續(xù)運(yùn)行電流時,對定子電流的限制,防止長時間過流導(dǎo)致過熱,損壞調(diào)相機(jī)定子繞組。滯相定子電流限制與磁場過流過熱限制一樣,隨發(fā)電機(jī)定子電流增加,動作時間反時限減少,其熱容量計算方法如下:

式中:it為調(diào)相機(jī)實際定子電流值:itN為調(diào)相機(jī)額定定子電流值:t為熱積累持續(xù)時間:C為熱容量。

調(diào)變組的定子過負(fù)荷保護(hù)熱積累原理與滯相定子電流限制相同。故配合原則為滯相定子過流限制的啟動值和熱容量均應(yīng)小于調(diào)相機(jī)定子過負(fù)荷保護(hù),涉及定值為勵磁限制"定子過流啟動電流"應(yīng)小于保護(hù)"定子反時限啟動電流",勵磁限制"定子熱容計算電流"和"定子熱容計算時間"對應(yīng)的熱容量應(yīng)小于保護(hù)的"定子繞組熱容量系數(shù)"。

以華中地區(qū)300Mvar調(diào)相機(jī)為例,調(diào)變組定子反時限保護(hù)啟動值整定為110%,勵磁限制器啟動值應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)啟動值,故定子過流啟動電流一般取109%,即整定為9.439kA。文獻(xiàn)規(guī)定,300Mvar調(diào)相機(jī)定子繞組能夠耐受3.5倍額定定子電流,時間15s,根據(jù)式(2)得出對應(yīng)熱容量為:

一般地,調(diào)變組定子反時限過流保護(hù)設(shè)置熱容量為168.75,考慮調(diào)變組保護(hù)與勵磁限制的配合,即勵磁限制器要先于調(diào)變組保護(hù)動作,所以勵磁限制器的定子熱容量取值小于調(diào)變組保護(hù),一般取為0.9×168.75,即151.875。勵磁定子熱容量計算由"定子熱容計算電流""定子熱容計算時間"決定,其中"定子熱容計算電流"固定取值160%,根據(jù)式(2),可計算出"定子熱容計算時間"為:

故"定子熱容計算電流"整定為13.856kA(160%),"定子熱容計算時間"整定為97.36s。

2.4伏赫茲限制與調(diào)相機(jī)過勵磁保護(hù)

當(dāng)伏赫茲比值超過安全范圍時,容易導(dǎo)致調(diào)相機(jī)及主變過激磁和過熱現(xiàn)象,因此當(dāng)伏赫茲比值超出安全范圍時,必須限制機(jī)端電壓幅值,維持伏赫茲比值在安全范圍內(nèi)。伏赫茲(V/F)限制動作時間隨伏赫茲過激磁倍數(shù)增加而減小,呈反時限動作曲線,其動作時間曲線由多點時間定值(按伏赫茲比值等距分布)組成。

調(diào)相機(jī)過勵磁保護(hù)的動作原理和伏赫茲限制相同,故配合原則為相同的伏赫茲倍數(shù)下,伏赫茲限制動作時間要小于調(diào)相機(jī)過勵磁保護(hù),即勵磁伏赫茲限制器多點組成的動作曲線應(yīng)小于調(diào)變組保護(hù)過激磁保護(hù)多點組成的曲線。

以典型300Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)為例,其過勵磁保護(hù)和伏赫茲限制定值如表1所示。

由于每兩點之間的動作關(guān)系為線性直線,故可計算出伏赫茲限制在保護(hù)動作點對應(yīng)的動作時間,以便進(jìn)行直觀比較,如表2所示。

通過表1、表2數(shù)據(jù)對比可見,相同伏赫茲倍數(shù)下,伏赫茲限制器動作時間均小于過勵磁保護(hù)。另通過表1定值數(shù)據(jù)畫出伏赫茲限制和過勵磁保護(hù)對應(yīng)的動作曲

線,如圖2所示。

圖2 伏赫茲限制與保護(hù)動作曲線

由圖2可見,伏赫茲限制器的動作曲線整體小于過勵磁保護(hù)動作曲線,即相同伏赫茲倍數(shù)下,伏赫茲限制先于保護(hù)動作,定值匹配。

3結(jié)語

在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中,調(diào)相機(jī)將發(fā)揮越來越大的作用,而勵磁和保護(hù)定值的合理整定和配合,將決定調(diào)相機(jī)的功能能否充分發(fā)揮。在未來電網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用過程中,調(diào)變組保護(hù)的定值會根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行修改,對應(yīng)地,勵磁限制器定值也要根據(jù)配合原則進(jìn)行修改,以確保調(diào)相機(jī)在安全范圍內(nèi)充分發(fā)揮其在暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)等多種工況下的無功支撐功能和過電壓抑制功能。