大型水輪發(fā)電機故障暫態(tài)仿真及主保護優(yōu)化的研究與應用.pdf

1、經濟的持續(xù)高速發(fā)展為電力系統(tǒng)的建設提出了更高的要求，為了充分發(fā)揮我國豐富的水電資源優(yōu)勢，在連續(xù)的幾個五年計劃中，國家都規(guī)劃設計了一大批大型和特大型水電站，并逐步投入運行。同時，所設計水輪發(fā)電機單機容量也不斷增大，例如三峽、龍灘和溪洛渡電站發(fā)電機單機容量均達700MW，金沙江的向家壩更是達到750MW，而白鶴灘水電站的單機設計容量則可能高達800MW左右。發(fā)電機內部短路故障破壞性極強，如缺乏有效的保護，一旦發(fā)生故障則必將對發(fā)電機造成重大損

2、壞，甚至可能影響水電站和整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此對大型水輪發(fā)電機實施有效的主保護至關重要。但大型水輪發(fā)電機內部故障暫態(tài)電磁關系復雜，建立適合發(fā)電機主保護優(yōu)化設計研究的故障仿真模型困難，目前，針對發(fā)電機內部短路故障情況下仿真建模技術和主保護配置方案研究也成了國內外重要的研究課題。 發(fā)電機內部短路故障特性的研究可以通過機組短路試驗和數字仿真等手段來實現，但大型水輪發(fā)電機昂貴的價格使得不可能通過真機試驗來進行相關的研究工作，即使是

3、通過動模機組也只能對個別模擬機組的有限短路點進行部分試驗，而數字仿真卻能方便地對各種結構的發(fā)電機進行分析研究，因此數字仿真手段成了研究故障特性和主保護方案的重要途徑。但發(fā)電機內部短路故障情況下暫態(tài)電磁關系復雜，如何建立適合主保護優(yōu)化設計工程要求的暫態(tài)仿真模型是一個技術難題。 發(fā)生短路故障后，發(fā)電機定子結構不再對稱，氣隙磁場存在很強的諧波分量；而且，大型水輪發(fā)電機定子繞組形式復雜，因此研究發(fā)電機內部短路故障必須考慮空間磁場諧波和定

4、子短路匝位置兩個因素的影響。按照發(fā)電機內部定轉子實際環(huán)路列寫磁鏈及電壓方程（有學者稱為多回路法）建立的仿真模型可以考慮這兩個因素的影響，但大型水輪發(fā)電機過多的阻尼網孔導致了極高的狀態(tài)方程組維數，不便求故障暫態(tài)解。雖然有研究人員提出了通過代數方程來求故障穩(wěn)態(tài)解的方法，但發(fā)電機主保護動作時故障暫態(tài)過程并未結束，因此，主保護效果考核必須以故障暫態(tài)特性為基礎。 要將大型發(fā)電機內部故障暫態(tài)仿真模型應用于主保護優(yōu)化設計的工程實際，首先需要解

5、決模型的合理簡化問題。本文從轉子阻尼回路入手，采用基于轉子每極雙阻尼條的簡化方法，以定子單匝線圈和等效阻尼網孔為基本單元，將故障短路支路等效為一條額外分支，通過列寫各回路的磁鏈及電壓方程建立了發(fā)電機內部故障暫態(tài)仿真模型，通過仿真計算驗證了模型的正確性，并首次將此模型應用于大型水輪發(fā)電機主保護優(yōu)化研究的工程實際。 動模試驗是電力系統(tǒng)故障研究的另一種重要手段，為更好地研究大型發(fā)電機內部短路故障情況下的電氣特性，再現可能發(fā)生的各種故障

6、和異常運行情況，論文介紹了國內首臺基于大型水輪發(fā)電機實際結構及電氣參數而建立的動模機組的設計、制造及相關動模試驗情況。動模發(fā)電機定子分支數目和繞行情況完全仿照三峽左岸ALSTOM發(fā)電機的形式，電氣參數的設計也盡量與原型機一致，該動模機組的建設為大型發(fā)電機保護研究和繼電保護裝置試驗提供了完善的物理平臺。論文首次對比分析了多分支大型水輪發(fā)電機動模機組內部短路故障試驗與數字暫態(tài)仿真計算結果，進一步驗證了基于轉子每極雙阻尼條的簡化暫態(tài)仿真模型的

7、可行性與合理性。 論文探討了發(fā)電機內部故障暫態(tài)仿真及保護分析的可視化通用軟件設計，基于Windows的VC++開發(fā)了內部短路故障集、故障仿真程序以及保護分析等功能的通用軟件，可作為實際工程應用的仿真平臺。 國內新建的一系列大型水電站中，發(fā)電機主保護配置方案的確定都需要經過系統(tǒng)的暫態(tài)仿真分析論證，論文對三峽右岸DFEM和ALSTOM 700MW、四川瀑布溝電站600MW和湖南柘溪電站250MW發(fā)電機故障集內所有故障的暫態(tài)電