考虑机端不平衡负序电流抑制特性的发电机负序保护方法

1.本发明涉及发电机负序电流保护技术领域，具体涉及一种考虑机端不平衡负序电流抑制特性的发电机负序保护方法。


背景技术：

2.随着新能源在电力系统的广泛应用，越来越多的电力网络出现不平衡问题而导致大量负序电流产生；尽管一些高压输电线路采用自适应重合闸，但总存在故障性质识别以及重合延时问题，在不对称运行过程中系统产生大量负序电流。负序电流侵入发电机不仅损害机组本体，严重时可能导致处于安稳控制阶段中的发电机脱网，影响系统安全稳定。发电机负序电流保护一般采用反时限特性，大量国内外学专家学者对反时限过流保护展开相关研究。但发电机负序反时限的工作特性基本都是单一一条反时限曲线，并有一定的限制条件，均未考虑转子的热积累与散热效应，也未考虑发生故障时非周期分量在转子产生的热量对发电机的影响。
3.一般地，电力系统发生不对称短路或三相不对称运行时，发电机定子绕组中会有负序电流产生，同时新能源借助于逆变器并网可能会加剧负序电流对发电机的影响。现有学者致力于研究新能源并网与系统不平衡度之间的关系，以此为背景，有学者提出了一种改进型的双闭环电流控制策略使逆变器能够良好并入电网，如文献[1]:陈锴,杨逸,尚锦萍.光伏发电系统并网逆变器控制策略研究[j].自动化仪表,2020,41(01):46-50.中记载。此外，在新能源接入对系统不平衡度的影响方面，在建立新能源逆变器并网运行数学模型的基础上，通过对逆变器输出电流态势预测来说明逆变器接入使系统不平衡度增大，如文献[2]:王育学,尹项根.基于能力曲线最优拟合的大型发电机反时限保护研究[j].广东电力,2014,27(11):71-76.中记载。但改变不平衡仅限于负荷端，对于大容量外送发电机群影响较小。
[0004]
发电机反时限过流保护广泛应用于大型发电机组中，大型发电机组有着容量大的特性。当发生过电流时，电流裕度很小，因此需要防止电机转子电流过大。发电机反时限过电流保护不仅能够保证可靠动作，还具备有很好的灵敏度。但是传统的反时限方程并不能精确反应发电机转子实际的过电流情况。对于一些新型发电机组，其散热性能不佳，导致转子表面热量积累严重。因此，提出与发电机热积累效应相结合的反时限电流计算方程显得尤为重要。
[0005]
当前提升发电机负序反时限保护精度的思路主要体现在对发电机反时限的曲线修正上，以此为基础提出反时限过流保护的新判据，如文献[3]:郭蕊.基于改进粒子群算法的反时限过电流保护定值优化研究[d].燕山大学,2019.中记载，但是均未考虑转子的热积累与散热效应，也未考虑发生故障时非周期分量在转子产生的热量对发电机的影响。当前对于系统负序电流的补偿思路主要体现在将正负序电流分离解耦后利用无功补偿装置进行补偿，如文献[4]:周军,陈念刚.基于正负序分离的无功及负序综合补偿控制策略[j].电测与仪表,2019,56(18):113-119.中记载。这些成果能够较好地削弱负序电流，但均未结合
发电机机端的侵入负序电流的特点以及与负序电流保护的协同配合。


技术实现要素：

[0006]
为解决大规模电力外送场景下负序电流侵入发电机，导致发电机转子出现灼伤甚至退出运行问题。本发明提出一种考虑机端不平衡负序电流抑制特性的发电机负序保护方法。该方法首先设计了链式statcom并联接入机端系统，该系统集机端负序电流实时监视、statcom模块控制、负序电流补偿于一体；进一步通过监视的机端负序电流，依据反时限公式推算出极限动作时间；最后将所预测的动作时间与系统最小调节时间作比较，设计完全与不完全两种补偿方案来消除或者有效降低负序电流，为控制系统安全稳定争取时间。该方法原理简单、计算精确，易于控制和实现，大大削弱了发电机端负序电流，保护发电机安全，能够很好地应用于大规模输电场景。
[0007]
本发明采取的技术方案为：
[0008]
考虑机端不平衡负序电流抑制特性的发电机负序保护方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤1：将statcom补偿装置并联接入发电机端系统；包括对负序电流测量、statcom模块控制和负序电流补偿。
[0010]
步骤2：对发电机运行时机端负序电流快速计算并实时监视；
[0011]
步骤3：根据侵入发电机负序电流的变化，计及热积累效应，对发电机反时限a值进行修正，预测保护动作时间；
[0012]
步骤4：考虑不平衡系统最小调节时间ts，确定机端负序电流完全补偿和机端负序电流不完全补偿。
[0013]
所述步骤2中，应用扇合矢量法提取扇合矢量电流如式(1)，进一步采用改进广义积分器实现负序电流的快速提取。该方法可以实时监测机端负序电流，无需采用pll模块及低通滤波器环节。
[0014]
应用扇合矢量法，求得三相电流的表达式如式(1)所示：
[0015][0016]
其中，i
abc
表示采集的三相电流；i
n+
、i
n-和i
n0
分别表示第n次谐波电流的正序、负序和零序分量的幅值；和分别表示第n次谐波的电流的正序、负序和零序分量的初相角；ω为电网角频率。
[0017]
所述步骤3中，发电机反时限a值进行修正，具体如下：
[0018]
当机端负序电流增大，满足i
2g
》in时，发电机导体温度、负序电流、时间之间的关系描述为：
[0019][0020]
式(2)中：θ为导体温度，in为发电机额定电流，i
2g
为侵入发电机的负序电流，i
2g*
为侵入发电机负序电流标幺值，c为导体比热容，m为导体质量，r为电阻，t为运行时间，θn为额
定电流运行状态下导体的温度；
[0021]
根据负序保护动作时间
[0022]
计算虚拟a值为：
[0023][0024]
其中：θ
max
为导体所能承受的最高温度；
[0025]
考虑发电机热积累效应时，发电机的虚拟a值随温度升高而变化，修正后的a值为：
[0026][0027]
所述步骤3中，预测保护动作时间，具体如下：
[0028]
将长期负序电流允许时间控制在特定值之下，保护动作时间为t
x
时，求得机端允许的负序电流最大值为：
[0029][0030]
其中：i
2x
为机端允许的负序电流最大值(对应保护动作时间为t
x
时)；θn为额定电流经导体时稳定时的温度；i
2n
为发电机额定电流。
[0031]
考虑负序电流不可能完全消纳，转子导体的散热过程，实际保护动作时间应为：
[0032][0033]
其中，τ为导体发热时间常数，其表达式为τ＝cm/αs，α为导体的散热系数，s为导体横截面积，t为负序保护动作时间，为负序电流标幺值；i
2g
为侵入发电机的负序电流，i
2n
为发电机额定电流。
[0034]
θ
max
为导体所能承受的最高温度，θ0为导体的初始温度，即导体在0到t0时段的温度。当温度θ超过其额定电流时的温度θn时，开始进行热积累过程。
[0035]
所述步骤4中，考虑不平衡系统最小调节时间ts，最小调节时间ts的值由安稳系统告知；
[0036]
当保护动作时间t》ts时，statcom补偿装置不启动；
[0037]
当保护动作时间t≤ts时：
[0038]
①
：若其中，为负序补偿启动电流，该值与反时限曲线中ts所对应的电流值相等；为补偿启动前侵入发电机的负序电流；为statcom装置最大补偿电流，此时为完全补偿，控制statcom补偿装置发出等大反向负序电流，为完全补偿，完全补偿后的机端负序电流
[0039]
②
：若其中，为statcom装置最大补偿电流；为补偿启动前侵入发电机的负序电流；为补偿闭锁的机端负序电流阈值，并有
此时为不完全补偿，控制statcom补偿装置发出最大负序电流不完全补偿后的机端负序电流根据修正后的反时限曲线，计算补偿后的负序电流所对应的反时限动作时间t将大于系统最小调节时间ts；
[0040]
③
：若其中，为补偿启动前侵入发电机的负序电流；为补偿闭锁的机端负序电流阈值，并有此时系统不启动负序电流补偿。
[0041]
一种机端系统负序电流补偿方法，将链式statcom并联接入机端系统，电力系统机端负序补偿集负序电流检测、电压平衡控制及负序电流补偿为一体；其左侧为发电机，右侧为一个完整的电力网络系统，机端负序电流补偿装置通过断路器电力系统连接，利用链式statcom补偿机端负序电流，完成对负序电流的协调控制；为保证直流侧电压稳定，在三相链节中加入零序环流来实现相间有功功率的平衡，利用pwm技术控制链式statcom开关器件的通断，以获得补偿所需电流。
[0042]
一种机端系统链式statcom模块控制方法，当线路侧负序电流大于statcom模块启动电流时，开始启动自适应补偿，statcom模块启动判据为：statcom模块启动时间为：t
2set
＝t
s-t
op
，为未补偿时侵入发电机的负序电流，并有为未补偿时侵入发电机的负序电流，并有为装置启动电流大小；ts为反时限曲线上负序电流为时所对应的保护动作时间；t
op
为装置启动时反应时间。
[0043]
启动判据的引入既可避免补偿过小负序造成补偿装置浪费损耗，又能防止过大负序导致保护装置动作而切机。
[0044]
完全补偿时，以a相为例，提供补偿的无功容量为：其中为statcom中输出a相电压，i
ar
为statcom输出的三相电流中的a相电流，为a相负序电流，i
ca
为a相正序电流；ε为电流不平衡度，定义为正序电流与负序电流之比。
[0045]
不完全补偿时，以a相为例，需要额外提供补偿的无功容量为：其中ε1为系统补偿前的不平衡度；ε2为补偿后的不平衡度；i
ca
为a相正序电流；l
ca
为statcom装置a相桥臂总电感。
[0046]
一种机端系统负序电流补偿方法，包括：
[0047]
机端负序电流完全补偿：
[0048]
当未补偿时侵入发电机的负序电流与负序启动电流之间满足式(7)的关系时，此时补偿装置发出与机端等大反向的负序电流，此时补偿后机端负序电流继续监视补偿后机端负序电流大小和相位，如果输出补偿测量后机端仍有负序电流，且相位相反，在下一个补偿过程中要适当进行动态调整。
[0049][0050]
其中，表示负序补偿启动电流，该值与反时限曲线中ts所对应的电流值相等；表示系统侧负序电流，未补偿时有表示系统侧负序电流，未补偿时有表示补偿装置的最大补偿容量。
[0051]
机端负序电流不完全补偿：
[0052]
当未补偿时侵入发电机的负序电流满足式(8)的关系时，装置容量不足以完全补偿线路侧负序电流，补偿后的机端负序电流大小为
[0053]
其中表示补偿闭锁的机端负序阈值电流，不完全补偿后能将预测动作时间t外推至系统最小调节时间ts以外，即t》ts，继续监视补偿后入侵发电机的负序电流大小和相位，需告知安稳系统，进一步采取相关措施保持电力系统稳定，例如把单向重合闸切为三相重合闸，或者改变发电机运行方式，使得发电机系统与其他电力网络结构分开，避免负序电流侵入对发电机造成的损害。
[0054][0055]
机端负序电流不补偿：
[0056]
当未补偿时侵入发电机的负序电流与补偿闭锁的机端负序电流阈值之间满足式(9)所示的关系时，补偿后预测动作时间t≤ts，补偿装置不启动，采取跳三相重合闸措施。
[0057][0058]
本发明考虑机端不平衡负序电流抑制特性的发电机负序保护方法，技术效果如下：
[0059]
1)该方法针对电力大规模外送场景下负序电流侵入发电机的问题，提出考虑发电机热积累效应，利用发电机反时限负序电流保护，预测保护装置极限动作时间，在发电机机端利用链式statcom补偿负序电流的保护新策略，保护发电机的安全稳定运行。
[0060]
2)本发明基于实时监测机端负序电流，设计statcom负序输出控制、依据反时限推算极限动作时间；提出完全与不完全补偿策略，以此能够消除或者有效降低侵入发电机的负序电流，为安全稳定控制系统安全稳定争取时间。
[0061]
3)本发明链式statcom并联接入机端系统，集机端负序电流实时监视、satcom模块控制、负序电流补偿于一体，装置简便、模块清晰、易于控制实现，且statcom装置仅发出负序电流，无正序和零序。
[0062]
4)本发明基于链式statcom对机端负序电流进行补偿，结合完全补偿和不完全补偿两种方案，并采取相应的保护措施，能有效的保护发电机安全稳定。
[0063]
5)本发明充分考虑了发电机的热积累效应，对发电机负序电流反时限进行修正，保护动作时间计算精确。
附图说明
[0064]
图1为电力系统机端负序补偿简化图。
[0065]
图2为反时限负序电流补偿策略示意图。
[0066]
图3为考虑热积累效应反时限曲线修正图
[0067]
图4为不同修正虚拟a值反时限特性曲线对比图。
[0068]
图5为完全补偿时机端负序对比图。
[0069]
图6为不完全补偿时机端负序对比图。
[0070]
图7为补偿前后动作时间对比图。
具体实施方式
[0071]
考虑机端不平衡负序电流抑制特性的发电机负序保护方法，根据侵入发电机负序电流的变化，计及热积累效应，提出基于虚拟a值的发电机负序电流反时限修正方法，使得保护动作时间随负序电流大小变化更加精确；在系统不平衡工况下基于链式statcom对机端负序电流进行补偿，预测反时限动作时间，与安稳系统告知的不平衡系统最小调节时间ts相比较，确定完全补偿和不完全补偿两种方案，并在不完全补偿时根据所预测动作时间的大小采取告知运行人员控制或跳三相重合闸措施，保护发电机的安全。具体包括以下步骤：
[0072]
步骤一、确立链式statcom补偿装置并联接入发电机端系统结构：
[0073]
补偿装置左边与发电机相连，补偿装置右边连接一个完整的电力网络系统，集成负序电流检测、电压平衡控制及负序电流补偿为一体，通过实时监测机端负序电流的大小，分析需要补偿负序电流的容量，结合发电机负序电流反时限保护对statcom实施相应的控制策略。为保证直流侧电压稳定，在三相链节中加入零序环流来实现相间有功功率的平衡，利用pwm技术控制链式statcom开关器件的通断，以获得补偿所需电流。
[0074]
步骤二、实时监视发电机运行时机端负序电流：
[0075]
机端三相电流经过计算实现对负序电流的快速提取，将负序电流的采样值经整流滤波后转换为平均值。计算出负序电流保护装置动作时间，与门限值ts比较，做出相应应对策略。在基于扇合矢量法的基础上运用改进的广义积分器来实现对基波负序电流的快速提取可以省去pll模块及低通滤波器环节，由扇合矢量法知三相电流的表达式如式(1)所示。进一步采用改进广义积分器实现负序电流的快速提取。该方法可以实时监测机端负序电流，无需采用pll模块及低通滤波器环节。
[0076][0077]
其中，i
abc
为采集的三相电流；i
n+
、i
n-和i
n0
分别为第n次谐波电流的正序、负序和零序分量的幅值；和分别为第n次谐波的电流的正序、负序和零序分量的初相角；ω为电网角频率。
[0078]
步骤三、发电机负序电流反时限曲线修正及保护动作时间预测：
[0079]
发电机导体温度与负序电流和时间之间的关系式如式(2)所示：
[0080][0081]
其中θ为导体温度，in为发电机额定电流，i
2g
为侵入发电机的负序电流，i
2g*
为侵入负序电流标幺值，c为导体比热容，m为导体质量，r为电阻，t为运行时间，θn为额定电流运行状态下导体的温度。根据发电机运行时导体的温度随时间变化的关系对发电机a值进行修正，计其为虚拟a值，如表达式(3)所示：
[0082][0083]
则保护装置动作时间如表达式(4)所示：
[0084][0085]
步骤四、利用链式statcom装置对机端负序电流进行补偿，其实现过程如下：
[0086]
首先系统三相电流ia、ib、ic经abc-dq0变换为电流有功分量i
gd
和电流无功分量i
gq
，然后通过pi控制跟踪有功电流指令、无功电流指令和由对称分量法的到的机端零序电流得到线路侧电压d轴分量ud和q轴分量uq，再经过dq0-abc反变换得到调制波输入pwm控制器，最后得到statcom晶闸管开关器件的信号，从而输出电流指令，实现对负序电流的补偿。
[0087]
对机端电流的负序分量进行检测，取负后为statcom相电流指令，如式(5)所示
[0088][0089]
其中，i
pm
、i
nm
分别为正序和负序电流的峰值；θa为a相电流初相角；θn为负序电流超前于a相电网电压的角度。
[0090]
步骤五：反时限保护策略制定，考虑由安稳系统告知的不平衡系统最小调节时间ts。
[0091]
(1)当机端测量负序电流满足时，其中表示反时限负序电流动作曲线上ts对应的负序电流值。此时机端负序电流很小，由修正后的反时限曲线计算补偿后的负序电流所对应的反时限动作时间t大于不平衡系统最小调节时间ts，即t》ts，此时系统仅依靠自身调节便能在负序保护动作之前完成调节，负序电流补偿装置不启动。
[0092]
(2)若t《ts，为更直观实施机端负序电流协控策略，将发电机负序电流保护动作时间对应被监测的机端负序电流值，其反时限补偿策略如图2所示，由此实施相应负序电流补偿策略如下：
[0093]
a：时，其中表示未补偿时侵入发电机的负序电流，并有表示未补偿时侵入发电机的负序电流，并有表示补偿装置最大补偿容量。此时机端负序电流稍大，长期存在会对发电机组产生影响，但尚在补偿装置容量范围之内，负序电流补偿装置动作，经补偿后机端负序电流能补偿至0，发电机负序电流保护有足够的动作时间，系统保持稳定，为完全补偿。
[0094]
b：时，其中表示闭锁补偿的机端负序电流阈值，此时机端负序电流值较大，超过补偿装置容量，负序电流补偿装置动作后只能抑制机端负序电流的大小，经补偿后机端负序电流能补偿至而不能将其完全补偿，此时机端还有少量负序电流剩余，根据修正后的反时限曲线计算补偿后的负序电流所对应的反时限动作时间t将大于不平衡系统最小调节时间ts，发电机仍在安全稳定范围之内，为最大化不完全补偿。
[0095]
c：若线路不平衡度过大，侵入发电机的负序电流远远大于负序电流补偿装置的补偿容量即时，即使经过最大化补偿，仍有此时根据修正后的反时限曲线预测以最大补偿容量后的反时限动作时间t仍小于或等于ts，系统来不及控制，发电机仍会脱机，此时负序电流补偿装置闭锁，退出运行。
[0096]
步骤六：不同修正虚拟a值反时限特性描绘：
[0097]
考虑发电机热积累效应时，发电机的虚拟a值随温度升高而变化，现对其依据机端负序电流进行修正，得到表达式如式(6)所示：
[0098][0099]
令常数为2(ω
·
c/j)，若导体最大能承受温度θ
max
为70℃；额定电流为1.5ka；额定电流时导体温度θn为40℃；发电机固有的a值为24s；负序电流存在时间为20s。对于机端负序电流i
2g
求得虚拟a值的修正值a'如图3所示。
[0100]
发电机持续运行时间一定时，侵入发电机负序电流越大，转子温升越大，发电机的虚拟a值相应越小。对应的不同修正虚拟a值如图4所示，由图4可知，虚拟a值越小，反时限特性曲线越在下方，则对于相同的负序电流值保护装置的动作时间越短。但是，负序电流过大或持续时间过长时，产生的热量可能使发电机转子导体温度超过其最高允许温度，此时应采取补偿机端电流的方法。因此，当侵入发电机的负序电流产生的热积累使发电机转子导体温度升高时，需要对发电机的虚拟a值进行修正，如此可更精准地预测负序电流保护动作时间，保护发电机的安全。
[0101]
步骤七：利用pscad软件搭建如图1所示的单机无穷大系统及负序补偿仿真模型，目的在于验证上述协控策略对负序电流的补偿作用。其中，系统电压等级为220kv，频率为50hz；每相h桥子模块数为3，桥臂电抗器电感值3.8mh。设置a相在t＝1s时刻发生接地故障，故障持续时间为0.3s。为补偿机端电流负序分量，补偿装置快速启动，计算所需补偿电流大小。补偿电流约在t＝1.023s时刻快速响应，跟踪负载电流对应值指令，得到补偿前后机端负序电流。
[0102]
1)：机端负序电流完全补偿。如图5所示，补偿前机端负序电流稳定时约为0.95ka，经过statcom装置补偿后的负序电流震荡衰减，0.03s后衰减至0.5ka，0.1s后发电机端负序电流分量基本为0，为完全补偿。
[0103]
2)：机端负序电流不完全补偿。不完全补偿时，如图6所示。补偿前机端负序电流稳定时约为2.12ka，经补偿后，负序电流大小稳定在0.4ka左右，可知补偿值约为1.72ka。t＝1.14s时，补偿前后负序电流基本同相位，能实现够稳定补偿。结合反时限保护来看，经补偿过的负序电流能够在稳定在发电机负序最大允许值之下，能有效保证继电保护装置不误动。
[0104]
3)：补偿前后动作时间对比。如图7所示为补偿前后保护动作时间对比图，在测得机端负序电流i
2g
≤0.5ka时，补偿前后机端负序电流不变，可以看出statcom负序电流补偿装置不动作，即i
2gmin
＝0.5ka；当0.5《i
2g
≤1.72ka时，机端负序电流经补偿后基本为零，动作时间近乎无穷，可视作完全补偿，同时可看出statcom装置补偿负序的容量i
2cmax
＝
1.72ka；当1.72《i
2s
≤2.22ka时，经补偿后机端负序大大减小，基本维持在0～0.5ka范围内，相比于补偿前，保护装置动作时间也大大延长，为不完全补偿，同时可知i
21
＝2.22ka；当i
21
》2.22ka时，补偿值为0，即statcom装置尚未启动，即使经过最大化补偿，机端剩余负序电流仍就超过了发电机长时间允许负序电流，负序电流保护装置动作时间依旧很短，所以应采取跳三相重合闸措施。