机组调速系统DEH (数字式电气液压控制系统Digital Electric Hydraulic Control System简称DEH) 的控制信号, 通过电液转换器, 将电信号变换成液压控制信号去控制液压执行机构调门。DEH控制回路主要有转速回路、功率回路、抽汽回路、主汽回路, 主要实现汽机挂闸、手/自动升速、手/自动同期、超速保护、负荷控制、抽汽压力控制、阀位及协调控制等功能。
阀位控制是DEH中最简单的工作方式, 运行人员通过增、减操作来改变调节汽门的开度, 从而达到调整机组负荷的目的, 它赋予运行人员最大限度的权利与灵活性, 同时它又是闭环控制回路的后备, 回路出现故障 (如测量信号失效、操作员站故障) 时, DEH自动切换到手动阀位控制方式。系统中设有冗余的OPC防超速电磁阀组和冗余的AST停机电磁阀组, 保证汽轮机组更加安全可靠运行。103%超速保护OPC (超速保护系统Over speed Protect Controller简称OPC) 是防止汽机超速的第一道措施, 它是指汽机任何情况下转速超过3090RPM时, OPC电磁阀动作, 所有调节阀立刻关闭, 保持数秒或转速降低到3000RPM后再重新打开。103%超速保护动作时, 只关闭调节阀。
当由于电力系统的故障导致瞬间发电机与电网解列或大幅甩负荷, DEH系统能立即快速关闭调节门并延迟一段时间后, 再自动快速将调节门重新开启, 以保证自动重新并网时不致造成电力系统振荡, 这就是瞬间甩负荷快控。
在电力系统的运行过程中, 时常会发生故障, 其中大多数是短路故障 (以下称短路) 。所谓短路, 是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地 (或中性线) 之间的连接。短路分为对称短路和不对称短路。短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。一方面, 短路回路中的短路电流值大大增加, 可能超过该回路的额定电流许多倍。短路点的电弧有可能烧毁电气设备, 短路电流通过的电气设备中的导体时, 其热效应会引起导体或其绝缘的损坏。另一方面, 导体也会受到很大的电动力的冲击, 导致导体变形, 甚至损坏。
暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后, 能否经过暂态过程达到新的稳定运行状态或者恢复到原来的状态。所谓的大干扰, 一般是指短路故障、突然断开线路或者发电机等。如果系统受到大干扰后仍能达到稳态运行, 则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之, 如果系统受到大干扰后不能再建立稳定运行状态, 而是各发电机组转子间一直有相对运动, 相对角不断变化, 因而系统的功率、电流和电压都不断振荡, 以致整个系统不能再继续运行下去, 则称系统在这种运行情况下能保持暂态稳定。
一个系统的暂态稳定情况和系统原来的运行方式以及干扰的方式有关, 三相短路是最严重的干扰之一。电力系统受到大扰动, 经过一段时间后, 或是逐步向稳定运行或是趋向失去同步, 这段时间的长短与系统本身的状况有关, 这个时段可分为3个时间阶段: (1) 起始阶段。指故障后约1s内的时间阶段。在这期间系统中的保护和自动装置有一系列的动作, 例如切除故障线路、切除发电机等。这个阶段发电机组的调节系统还未起到明显的作用。 (2) 中间阶段。在起始阶段后, 大约持续5s左右的时间段, 发电机组的调节系统已发挥作用。 (3) 后期阶段。故障后几分钟时间内。这时热力设备中的过程将影响到电力系统的暂态过程。
2006年5月14日某热电厂发生了一起短路故障。零时班, 当时#1、2机电负荷同是51MW;#1机抽汽80t/h, #2机抽汽45t/h, #1、2炉负荷183t/h, #3炉单风机运行负荷为150t/h;#4机电负荷6.1MW, #3机电负荷1.6MW。母联630开关和总降母联Ⅱ开关在热备用状态, #1、2发电机分列运行。5:13时, 高压电站主控室发出事故音响, 总Ⅲ-2联络线跳闸、总降送四抄回路及送CTMPⅡ回路跳闸, #2发电机负荷由51MW跌至20MW, 随即#2发电机负荷大幅波动 (10~60MW) , 约40s后自行稳定在54MW, 期间#2主变负荷最大输出约53MW, 电气值班人员即将#2发电机减负荷至25MW运行。同一时间, #3炉给粉机电源跳闸, 造成#3炉灭火停炉, #3炉磨煤机、排粉机、给煤机跳闸, #2机#1、3凝结水泵及#2射水泵跳闸, #3炉和#2机部分表盘的电源瞬间失电后又恢复正常, 同时#2机送PM8回路负载电流减至接近零。5:35时, 因#2机乙侧启动阀迫件漏汽大, 而解列停机, 停机后检查发现#2发电机无刷励磁调节器手动通道0500模件损坏报警。故障期间#2机组调速系统OPC动作6次, 抽汽自动切除。短路这段时间的过程参数趋势曲线见下。
图1从起始点由上到下分别为负荷、频率、转速、OPC趋势图。
图2从起始点由上到下分别为主蒸汽流量、高调门位置、一次油压趋势图。
图3从起始点由上到下分别为抽汽回路投切、低调门位置、二次油压、抽汽流量趋势图。
此次故障是由于四抄高压配电室6k V电源进线 (高压电站进线) 及PT柜有老鼠进入, 引起三相短路。小动物造成的短路为非金属性直接短路, 短路电流还没有达到速断动作的电流值58A (当时只有13A, 即一次侧电流为7800A) , 造成该回路延时1.2s才跳闸, 使6k V系统电压降得过低, 系统受到了较大的影响和冲击。
在同步发电机中, 气隙磁场轴线与主磁极磁场轴线之间的夹角δ的大小, 与发电机输出的有功功率大小有关, 有功功率增大时, 原动机输入的机械功率增大, δ角也增大, δ角叫作功率角, 简称功角[4]。发电机输出的电磁功率近似为P= (UE/Xd) sinδ, U为发电机的端电压, E为发电机电动势, Xd为发电机同步电抗。工作点在δ角0°~90°之间, 这是静态稳定区间, δ角90°~180°为非稳定区, 当δ角超过180°时则输出负功率, 发电机进入电机运行状态。功率角是同步发电机运行状态的一个重要的变量, 它不仅决定了发电机输出功率的大小, 而且说明发电机转子运动的空间位置。通过它, 把发电机电磁变化和机械运动状态紧密地联系起来。
故障期间出现OPC动作, 机组负荷大幅度波动, 为了进一步了解故障发生后1min内系统的状态, 下面通过δ角对故障的瞬态过程作定性分析。
(1) 首先分析机械功率和暂态电动势不变的情况下, 系统的暂态情况。
简单系统正常运行、故障和故障切除后的功率特性曲线图如图4。
故障时, 不计汽机调节系统的控制, 则原动机输出的机械功率Pt保持不变。励磁调节器特别是其中的强行励磁装置作用, 可以近似E不变。发生短路时, 功率特性立即降为P2, 但由于转子的惯性, 功角不会立即变化, 因此发电机的运行点由a点突然变至b点, 输出功率显著减少, 而原动机机械功率Pt不变, 故产生较大的过剩功率, 故障情况越严重, P2功率曲线副值越低 (三相短路时为零) , 过剩功率越大。在过剩转矩的作用下发电机转子将加速, 其相对速度 (相对同步转速) 和相对角度逐渐增大, 使运行点由b点向c点移动, 如果故障永远存在下去, 则始终存在过剩转矩, 发电机将不断加速, 最终与无限大系统失去同步。
实际上, 短路后继电保护装置将迅速动作切除故障线路。假设在c点时将故障切除, 则发电机的输出功率比原动机的机械功率大, 使转子受到制动, 转子速度逐渐减慢。但由于此时的转速已经大于同步转速, 所以相对角度还要继续增大。假设制动过程延续到f点时转速才回到同步转速, 则功角不再增大。但是, 在f点是不能持续运行的, 因为这时机械功率和电磁功率仍不平衡, 前者小于后者。转子将继续减速, 功角开始减少, 运行点沿功率特性P3由f点向e、k点转移。在达到k点以前转子一直减速, 转速低于同步转速。在k点虽然机械功率与电磁功率平衡, 但由于这时转子速度低于同步转速, 功角继续减小。但越过k点后机械功率开始大于电磁功率, 转子又加速, 因而功角一直减小到转速恢复到同步转速后又开始增大。此后, 运行点沿着P2开始振荡, 振荡中有能力损耗, 最后发电机停留在一新的运行点k上持续运行。
(2) 当进入中间阶段, 汽轮机发电机组的调节系统已起作用。
对于本次故障而言由于抽汽回路切除以及OPC动作, 因此机械功率为变值, E值由于强励磁作用而保持不变。简化的正常运行、故障和故障切除后的功率特性曲线图如图5。
由于调速系统OPC作用, 使得机械功率在0~Pb之间变化。在某一时刻, 系统在上述第一种情况下趋向稳定, 但此时机械功率的变化使之再次开始向新的稳定点发展, 如此反复, 系统最终在Pb与P3的交点d稳定下来。该点为发电机组的新运行点。
如果故障线路切除得比较晚, 转子加速已比较严重, 从图4看, 在达到f点时转子转速仍大于同步转速, 甚至在达到h点时转速还未降至同步转速, 因此功角就将会越过h点对应的功角, 而当运行点越过h点后, 转子又立即承受加速转矩, 转速又开始升高, 而且加速度越来越大, 功角将不断增大, 发电机和无限大系统之间最终失去同步。若功角超过h点时, 机械功率迅速减小, 则可以迅速降低转速, 最终减小功角, 最终把系统从失步的情况拉回稳定范围。
系统在受到大的扰动后, 机组机械功率和电磁功率的差额大小是暂态是否稳定的主要原因, 一般提高暂态稳定的措施有几种。机组快速的自动调速系统或快速关闭调节汽门减少机械功率可以减少过剩功率, 有利于系统的稳定, 本文分析的例子就是使用这种方法, 故障过程中#2机的调速系统对系统的稳定起到了一定的作用, 抑制了系统向不稳定进而失步的情况发展, 系统在此种工况下是暂态稳定的。
此外, 故障发生后快速切除故障, 此法减少了加速面积, 增加减速面积, 也可提高发电机并列运行的稳定性。提高发电机输出的电磁功率也是有效的措施, 当发电机端电压低于85%~90%额定电压时, 迅速大幅度的增加励磁, 从而提高发电机电动势, 增加电磁功率。
摘要：本文通过具体事例, 介绍了汽轮发电机组的调速系统和系统暂态稳定性, 通过对一短路例子的暂态定性分析, 叙述了故障时调速系统中OPC对系统暂态稳定性的作用。
关键词：调速系统,OPC,短路,功率角,系统暂态稳定
[1] 肖增弘, 徐平《.汽轮机数字式电液调节系统》.中国电力出版社.2003年.
[2] 范锡普《.发电厂电气部分》.中国电力出版社.1995年.
[3] 《电气设备运行》.中国电力出版社.2000年.
[4] 李光琦《.电力系统暂态分析》.中国电力出版社.1995年.
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