一种同步发电机新型无功功率过励调节技术的制作方法

本发明属于发电机励磁领域，特别涉及一种同步发电机新型无功功率过励调节技术。

背景技术：

同步发电机包含有两部分绕组：电枢绕组和磁场绕组，通常情况下，电枢绕组为3相交流静止绕组，故也称为定子绕组，磁场绕组为直流旋转绕组，也称为转子绕组。流过转子绕组的直流电流也称为转子电流，转子电流在转子绕组产生随转子一起旋转的磁场，旋转磁场切割定子绕组感应出定子电压，发电机并网后，通过定子向电网发出有功功率，同时与电网交换无功功率，在定子绕组流过电流，称为定子电流。同步发电机运行时，有功功率由原动机输入机械功率决定，无功功率由励磁系统输出转子电流调节，无功功率会导致定子电流增加，引起电机内部损耗增加，进而会导致定子绕部内部温度上升，由于发热与定子电流成超强反时关系，定子电流越大，定子绕组温度上升越快，允许该定子电流运行时间越短。如果不能实时而准确地控制电机定子绕组的过电流水平，当定子温度超过定子允许的温度上限后，会导致发电机定子过热损坏，造成巨大的直接经济损失和间接经济损失。

由于有功功率与励磁调节无关，因此在发电机运行中，励磁系统主要通过调节发电机无功功率来实现发电机定子电流的控制，保证发电机定子的安全运行。发电机励磁系统是给发电机提供并调节磁场电流的所有设备的总称，目前电机励磁系统一般配置定子过电流限制和无功功率过励限制功能，定子过电流限制过程如下：励磁调节器实时测量定子电流，与预先整定的定了过电流限制整定值比较，当实际定子电流及发热大于限制定值时，启动定子过电流限制，如果发电机无功功率大于0，则减小磁场电流，如果发电机无功功率小于0，则增加同步电机磁场电流，达到调节发电机定子电流的目标；无功功率过励限制过程如下：励磁调节器实时测量发电机无功功率，与预先整定的无功功率过励限制定值比较，当无功功率大于限制定值时，经过一固定时间(一般为20秒)延时后，启动无功功率过励限制，将无功功率调节回到限制定值，保证发电机在预定无功功率范围内运行。

上述励磁系统中配置无功功率过励限制功能过于简化，一方面无功功率过励限制值整定比较简单，主要根据发电机在运行中无功功率范围确定；另一方面无功功率超过限制定值后，仅经过简单的延时就启动调节，将发电机无功功率调回到限制整定值。而实际上发电机并网运行时，发电机励磁调节对电网稳定性能非常重要，在保证发电机安全基础上必须充分发挥发电机对电网的稳定支撑能力，发电机无功功率范围及时间一方面与发电机电枢绕组发热相关，一方面与电网运行情况相关，而且无功功率越限，允许运行时间，也应与无功功率大小相关。目前无功功率限制仅起着向运行人员告知无功功率过大的作用。

定子过电流限制功能在发电机与电网正常工况(电压在额定，有功功率不超过额定值)下，定子电流增加原因主要是由于磁场电流越限(过大或过小)，能正常工作，此时调节磁场电流是可以达到调节定子电流到限制定值的目标，但在某些特殊运行工况时，例如电网故障导致电压过低，或者发电机调速器故障导致有功功率过大，会发生定子过电流限制功能动作后，无法将定子电流调节至预定目标，在调节过程中发生磁场电流、无功功率、定子电压会大幅振荡的现象。经过工程经验总结，有的技术工作者注意到，当同步电机无功功率较小时，会发生这种现象，因此，大多数电机励磁系统中在同步电机定子过电流限制功能中会附加无功功率条件，当无功功率大于某一阈值，才会启动同步电机定子过电流限制。但有运行实践证明，增加无功功率条件，不能从本质上解决上述现象。

综上所述，本发明人致力于研究及完善发电机无功功率过励限制调节功能，解决无功功率过励限制功能启动逻辑及调节目标，解决定子电流限制在特定工况时发生磁场电流、无功功率及电枢电压大幅振荡的现象及问题，需要解决的问题可归纳为以下几点：

(1)研究无功功率实际运行允许值确定的问题，研究定子过电流限制启动电机磁场电流、无功功率、定子电压会大幅振荡的现象及问题的本质原因；

(2)研究出针对性的技术及方法，确保在任何工况下，同步电机无功功率出力既利于降低发电机定子发热，保护发电机安全，又利于发挥对电网电压支撑作用，提高电力系统稳定性能，同时解决特定工况下定子过电流限制启动电机磁场电流、无功功率、电枢电压会大幅振荡问题。

(3)研究出切实可行的技术方案，提出发电机新型无功功率过励限制调节技术的实现方法及动作模型。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提出一种发电机新型无功功率过励调节技术，其可确保在任何工况下，发电机励磁系统都能够合理地启动无功功率限制功能，既有利于将电枢电流称定地调节在发电机允许发热范围内，保护发电机运行安全，同时又利于发挥对电网电压支撑作用，提高电力系统稳定性能。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种发电机新型无功功率限制方法，首先根据发电机有功功率、无功功率、定子电压、定子电流和发电机与电网联系电抗，计算发电机定子发热允许长期运行的无功功率上限值和最小定子电流允许无功功率值：

其中，i_tlim为定子电流允许值，X_E为发电机与电网之间联系电抗，P_e为有功功率，U_t为定子电压,Q_G1为按定子发热允许计算的允许无功功率上限值，Q_G2为按最小定子电流计算的允许无功功率值。

比较实测定子电流与发电机定子发热允许的定子电流整定值，当实测定子电流大于整定值时，则按下式计算发电机发热量如下：

其中，i_tn为定子电流额定值，i_tth为定子发热计算启动值，C_t为定子热容计算值，C_a定子发热允许预先整定值，P_e为有功功率，U_t为定子电压,I_t为定子电流。

当电机发热量达到允许上限时，即启动发电机无功功率过励限制功能，将励磁调节切换为发电机无功功率调节，其调节测量采用无功功率，无功功率调节目标值为定子发热允许计算的允许无功功率上限值和按最小定子电流计算的允许无功功率值之间的最大值：

Q_G(U_t,P_e)＝max{Q_G1(U_t,P_e),Q_G2(U_t,P_e)}

其中Q_G1为按定子发热允许计算的允许无功功率上限值，Q_G2为按最小定子电流计算的允许无功功率值，Q_G为无功功率过励调节目标值。

本发明的有益效果是：与以往的无功功率过励限制和定子过电流限制功能相比，本发明从本质将无功功率过励限制与定子过电流限制统一起来，将定子绕组发热作为无功功率需要限制的本质原因，将定子过电流限制中定子电流调节模式转换为无功功率调节，同时明确发电机无功功率和定子电流之间的关系与发电机有功功率、定子电压和发电机及电网联系电抗相关，既解决了无功功率允许范围的问题，也解决定子过电流限制进入无效调节区而引起定子电流、无功功率、定子电压大幅波动的难题，既有利于将定子电流稳定地调节在发电机允许发热范围内，保护发电机运行安全，同时又利于发挥对电网电压支撑作用，提高电力系统稳定性能。

附图说明

图1是本发明的模块示意图；

图2是本发明的动作示意图；

图3是本发明功能总图；

图4是发电机无功功率过励运行时间与定子电流的关系示意图；

图5是发电机发热允许无功功率上限值与有功功率的关系示意图；

图6是发电机最小定子电流允许无功功率值与有功功率的关系示意图。

具体实施方式

发电机并网运行后，发电机与电网之间就会发生功率交换，产生定子电流，定子电流有两方面作用，一方面，提供足够的定子绕组和转子绕组之间的力矩，维持发电机与电网同步运行,将发电机轴端输入的机械能转换为电力输出；一方面，向电网发出无功功率或吸收无功功率，与转子电流共同形成发电机内部磁场。影响发电机发出无功功率有两方面因素，一方面，发电机发出无功功率幅值过大会造成定子电流增加，定子电流会造成发电机定子绕组发热，温度会上升，定子绕组温度决定发电机定子电流和无功功率的边界；另一方面发电机发出无功功率，其中有一部分补偿发电机与电网之间联系电抗的无功损耗，另一部分是发电机与电网之间交换无功功率，由于电网电压不变，在有功功率一定时，无功功率交换容量决定发电机与电网的电流，发电机正常运行时，一般有功功率较大，当发生定子绕组故障时，故障定子电流主要由有功功率决定，此时限制无功功率对故障定子电流作用有限，从励磁调节方面无法控制故障定子电流值，定子绕组故障时主要由发电机继电保护快速动作解列停机，降低故障损坏程度，因此，发电机无功功率限制功能主要针对发电机正常时与电网之间交换无功功率的幅值。在发电机及励磁系统运行期间，实时检测发电机定子电流和无功功率，依据定子电流运行范围实时调整发电机无功功率，确定发电机无功功率过励运行边界的原则有2种：定子绕组过热限制和最小定子电流限制。

发电机定子绕组嵌在定子铁芯中，其运行温度不能超过一定的限值，否则会造成定子绕组过热损坏。发电机定子过流直接由发电机定子绕组温度决定，从道理上应该测量定子绕组温度，但实际工程应用中，由于发电机定子绕组铁芯体积巨大、温度测点众多，且各点温度不都相同，很难实现依据定子绕组温度作为定子电流限制的物理量。从另一方面考虑，发电机定子绕组温升的热量主要来自于通过定子电流，在定子绕组内部电阻所散热的热量，与定子电流平方成正比，与定子绕组电阻和运行时间成正比，而定子绕组温升与热量成正比，实际上定子发热就是计算定子电流的维持时间，也就是无功功率过励运行时间，运行时间与定子电流呈超强反时特性，如图4所示。另外，发电机无功功率限制既要保证发电机定子绕组不发生超温损坏，还要兼顾对电网电压的支撑作用。充分发挥发电机定子绕组的发热裕度保证对电网电压的支撑作用，这要求无功功率过励限制启动后，发电机维持输出无功功率，只要满足发电机定子电流不低于发电机允许定子电流，发电机定子绕组就不会过热损坏，不宜将无功功率过份降低，以维持发电机对电网电压的支撑能力，无功功率与有功功率呈圆特性，圆特性半径由发电机定子发热允许定子电流定值相关，如图5所示。

常规情况下，发电机等效为一台机组经联系电抗与无穷大母线(电压维持不变)相联，从前文可知，有功功率与励磁调节无关，发电机与电网之间电流(定子电流)仅与发电机与电网之间交换无功功率相关，当交换无功功率为0时，定子电流最小，此时，发电机必须发出无功功率，且发出无功功率与联系电抗损耗的无功功率相等。我们知道，联系电抗损耗无功功率为电抗值与流过电抗电流平方的乘积，这样我们即可确定由最小定子电流确定的发电机无功功率值，此无功功率与有功功率、定子电压和联系电抗相关，随有功功率增加而增加，如图6所示，这与以前一直以来“发电机无功功率为0时，定子电流最小”的认知有重要区别。正常情况下，该最小定子电流不般小于发电机定子发热允许的定子电流，但当出现电压电网故障导致电压较低或发电机调速器故障导致有功功率超过额定时，会出现最小定子电流大于发电机定子发热允许的定子电流，此时无论怎样调节励磁系统输出电流，发电机定子电流无法达到发热允许定子电流的目标，即进入定子电流限制无效调节区，如果不停止定子电流调节，就会出现定子电流、励磁电流、定子电压、无功功率大幅波动的现象，及时判断定子电流调节是否处于无效调节区，通过调节无功功率，维持定子电流在最小值，既将发电机发热降至最小，对发电机运行最有利，又维持较高无功功率出力，有利于发电机对电网的电压支撑。

综上分析，新型无功功率过励调节技术将发电机定子电流引起发热时间作为启动过励限制的判断依据，解决了无功功率过励限制固定值判断不合理的问题，又将无功功率过励限制与定子过流限制有机统一，通过发电机-电网交换定子电流最小值的计算，及时判断定子电流无效调节区的现象，解决定子电流限制在无效调节内引起发电机定子电流、无功功率、定子电压波动的问题。本发明所研究的无功功率过励限制启动值计算如下：

其中，i_tn为定子电流额定值，i_tth为定子热容计算启动门槛值，C_t为定子热容计算值，C_a定子热容预先整定定值，P_e为有功功率，U_t为定子电压,I_t为定子电流。无功功率过励限制启动调节目标计算如下：

其中，i_tlim为定子电流允许值，X_E为发电机与电网之间联系电抗，P_e为有功功率，U_t为定子电压,Q_G1为按定子电流允许计算的允许无功功率上限值，Q_G2为按最小定子电流计算的允许无功功率值，Q_G为无功功率过励调节目标值。

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种发电机无功功率过励限制调节技术，包括电气测量模块、允许无功功率上限值计算模块、最小定子电流允许无功功率值计算模埠和限制启动逻辑计算模块，其中，电气测量模块根据输入的发电机电压信号和电流信号，计算出发电机的定子电压、定子电流、有功功率和无功功率数值；根据发电机的有功功率、定子电压和允许长期运行定子电流值计算允许无功功率上限值：

其中，i_tlim为定子电流长期允许值，P_e为有功功率，U_t为定子电压。

根据发电机的有功功率、定子电压和发电机与电网联系电抗计算最小定子电流允许无功功率值：

其中，X_E为发电机与电网之间联系电抗，P_e为有功功率，U_t为定子电压。

根据发电机定子电流、定子电流额定值和发热计算启动值计算发电机定子发热量：

其中，i_tn为定子电流额定值，i_tth为定子发热计算启动值，C_t为定子热容计算值。

如图2所示，是本发明中发电机新型无功功率过励限制动作示意图，图中Q_t为发电机无功功率；Q_G1为按长期允许定子电流计算的允许无功功率上限值；Q_G2为按最小定子电流计算的允许无功功率值；C_t为定子发热计算值；C_a为定子发热允许值；S_Qoel为无功功率过励限制信号；K_La、T_ca1、T_ba1、T_ca2、T_ba2分别串联PID调节环节的增益系数、积分时间常数和微分时间常数。

新型无功功率过励限制动作工作原理如下：将计算出的发电机定子实际发热量C_t，与发电机定子允许发热量C_a比较，当发电机定子实际发热量C_t大于与发电机定子允许发热量C_a，则发出无功功率过励限制动作信号S_Qoel。

新型无功功率过励限制调节工作原理如下：将按长期允许定子电流计算的允许无功功率上限值Q_G1，与按最小定子电流计算的允许无功功率值Q_G2比较，将两者之间的较大者作为无功功率目标值Q_G，当S_Qoel置为1后，将实测无功功率Q_t与无功功率目标值Q_G之差输出至串联PID调节模块，通过串联PID调节模块作用，保持发电机无功功率Q_t与无功功率目标值Q_G相等，维持发电机无功功率稳定运行，既有利于将定子电流稳定地调节在发电机允许发热范围内，保护发电机运行安全，同时又利于发挥对电网电压支撑作用，提高电力系统稳定性能。。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。