火電廠輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

陳延云， 徐 敏

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031；2.國(guó)網(wǎng)太湖縣供電有限責(zé)任公司， 安徽 太湖 246400)

火電廠輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

陳延云1， 徐 敏2

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031；2.國(guó)網(wǎng)太湖縣供電有限責(zé)任公司， 安徽 太湖 246400)

建立了基于PSCAD的輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其負(fù)荷模型，并完成與BPA仿真平臺(tái)的邏輯對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，用于電網(wǎng)故障對(duì)發(fā)電廠廠用系統(tǒng)的影響的分析研究。通過(guò)電廠出線單相故障、三相故障的仿真分析，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性和工程應(yīng)用價(jià)值。

電廠輔機(jī)；變頻調(diào)速；PSCAD；BPA；建模

0 引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排力度的增加，火電機(jī)組節(jié)能降耗成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。各發(fā)電企業(yè)都在盡最大限度的挖掘節(jié)能潛力、降低運(yùn)行成本。由于火力發(fā)電系統(tǒng)中各輔機(jī)的耗電量相當(dāng)大，為滿足節(jié)能降耗目的，各發(fā)電公司和設(shè)計(jì)單位在許多火電廠輔機(jī)的設(shè)計(jì)上都越來(lái)越傾向于采取變頻器技術(shù)。變頻調(diào)速是在大功率整流元件上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它把變頻、微電子、機(jī)電結(jié)合起來(lái)，其優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果好等眾多優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一[1,2]。

然而，變頻調(diào)速系統(tǒng)在帶來(lái)節(jié)能環(huán)保方面巨大優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面的新問(wèn)題：如運(yùn)行故障率高、對(duì)電網(wǎng)故障的抵抗能力差等。由于變頻裝置對(duì)電壓波動(dòng)非常敏感，即使是在系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)故障導(dǎo)致電壓暫降時(shí)，相關(guān)輔機(jī)也可能因變頻器低電壓穿越能力不足而停止運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而可能導(dǎo)致機(jī)組被動(dòng)減負(fù)荷甚至跳閘，并對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成影響[3,4]。當(dāng)前，電網(wǎng)調(diào)度部門對(duì)輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的低電壓穿越能力提出了一系列指標(biāo)要求。由于發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度，很難通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證。

本文建立了基于PSCAD的輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其負(fù)荷的電磁暫態(tài)仿真模型，并實(shí)現(xiàn)與BPA仿真平臺(tái)的邏輯對(duì)接，建立了機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，用于電網(wǎng)故障對(duì)發(fā)電廠廠用系統(tǒng)的影響分析研究。

1 輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)模型

本文在PSCAD中搭建了火電機(jī)組輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型[5,6]。如圖1所示，該模型主要由三部分組成：受控電源模型、變頻器模型以及異步電動(dòng)機(jī)模型。

1.1 受控電源模型

為研究不同電網(wǎng)故障對(duì)發(fā)電機(jī)組廠用系統(tǒng)的影響，在PSCAD中采用如圖2所示的受控電源模型。只需將BPA仿真得到的火電廠母線電壓在不同電網(wǎng)故障下需要承受的低電壓穿越曲線作為該受控電源的輸入，即可輸出相應(yīng)的低電壓穿越波形。

將電廠母線電壓曲線作為電壓幅值的控制信號(hào)(對(duì)應(yīng)圖3中的Control-V曲線)，輸入受控電源，受控電源輸出三相電壓的有效值如圖3中的M1_Vrms所示。由圖可見，受控電源可以有效跟蹤電壓幅值控制信號(hào)，使得受控電源的輸出得以可靠復(fù)現(xiàn)BPA仿真得到的母線電壓暫態(tài)特性。

1.2 變頻器模型

本文所建立的變頻器模型，其拓?fù)洳捎媒?直-交結(jié)構(gòu)。變頻器整流側(cè)采用不可控的三相全橋整流電路，逆變側(cè)采用電流型脈寬調(diào)制(SPWM)的控制方法加以實(shí)現(xiàn)[7]，而電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式采用最基本的V/F控制方式，整個(gè)變頻器的控制電路如圖4所示。

變頻器的保護(hù)定值按照實(shí)際工程應(yīng)用所給參數(shù)整定：與6kV母線相連的變頻器，其跳閘保護(hù)定值整定范圍取45%～70%額定電壓，與400V母線相連的變頻器，其跳閘保護(hù)的定值整定范圍取70%～90%額定電壓。

1.3 異步電動(dòng)機(jī)模型

本文所建立的異步電動(dòng)機(jī)模型采用如圖5所示的繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)既可以運(yùn)行于速度控制模式，也可以運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩控制模式下。正常情況時(shí)，在仿真初始時(shí)刻，電動(dòng)機(jī)在速度模式下啟動(dòng)，啟動(dòng)速度由 W 決定。當(dāng)電機(jī)初始暫態(tài)過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，即切換到轉(zhuǎn)矩控制模式下。從而保證電動(dòng)機(jī)在仿真中順利達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，之后再加入故障事件，以觀察電動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化。

2 廠用輔機(jī)的聚合等效

廠用系統(tǒng)中輔機(jī)種類和數(shù)量眾多，受到PSCAD仿真計(jì)算量的限制，無(wú)法對(duì)廠用系統(tǒng)中的全部輔機(jī)及其變頻器進(jìn)行建模。因此，需要對(duì)廠用系統(tǒng)的輔機(jī)進(jìn)行分類，并對(duì)同一類的輔機(jī)進(jìn)行等效，建立典型廠用輔機(jī)模型，最終可采用較少的典型廠用輔機(jī)模型等效整個(gè)廠用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

借鑒電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真計(jì)算中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)群聚合方法，本文采用基于容量歸算的聚合方法[8～10]。對(duì)某600MW容量的典型發(fā)電機(jī)組廠用輔機(jī)進(jìn)行聚合等值，得到如表1所示的四組典型發(fā)電機(jī)組廠用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)分組聚合模型參數(shù)。

表1 典型發(fā)電廠廠用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)分組聚合模型參數(shù)

3 廠用電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)表1的聚合模型參數(shù)，在PSCAD中搭建廠用電仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)采用受控電源模擬發(fā)電廠母線節(jié)點(diǎn)，將BPA仿真得到的不同電網(wǎng)故障下的電廠母線電壓曲線作為受控電源的控制信號(hào)輸入，以復(fù)現(xiàn)不同的電網(wǎng)故障對(duì)電廠母線的影響。

受控電壓源通過(guò)一升壓變壓器與20kV工作母線相連，一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)與工作母線直接相連，工作母線再通過(guò)一廠用變壓器接至6kV廠用母線，6kV廠用母線通過(guò)一交-直-交調(diào)速變頻器，與一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型相連，該電動(dòng)機(jī)模型采用表1中的A組聚合等效感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)，用以仿真大型的廠用輔機(jī)。

6kV廠用母線再通過(guò)一廠用低壓變壓器，與400V低壓廠用母線相連，該400V低壓廠用母線分別與以下四個(gè)負(fù)荷相連：

(a)400V低壓廠用母線通過(guò)一個(gè)變頻器，與一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型相連，該電動(dòng)機(jī)模型采用表1中的B組聚合等效感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)，用以仿真小型廠用變頻輔機(jī)；

(b)400V低壓廠用母線通過(guò)一個(gè)變頻器，與一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型相連，該電動(dòng)機(jī)模型采用表1中的C組聚合等效感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)，用以仿真中型廠用變頻輔機(jī)；

(c)400V低壓廠用母線直接與一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型相連，該電動(dòng)機(jī)模型采用表1中的D組聚合等效感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)，用以仿真無(wú)變頻調(diào)速器而直接與廠用母線相連的廠用輔機(jī)；

(d)400V低壓廠用母線與一恒阻抗負(fù)荷模型相連，用以仿真其他非電動(dòng)機(jī)類的廠用負(fù)荷。

本文所搭建的廠用電仿真系統(tǒng)，可以較為全面的研究各類廠用輔機(jī)在不同電網(wǎng)故障下的動(dòng)態(tài)特性。

4 仿真

4.1 單相故障的低電壓穿越仿真

(1)6kV廠用變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

對(duì)于6kV的廠用變頻器，其保護(hù)定值一般在45%～70%額定電壓。在單相故障情況下，即使采用電壓跌落最為嚴(yán)重的電廠出線首端單相短路故障方式，其電壓跌落的最低點(diǎn)為71.80%，高于6kV 高壓變頻器的低壓保護(hù)整定范圍，故6kV 高壓變頻器在電網(wǎng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，并不會(huì)啟動(dòng)低電壓保護(hù)。PSCAD仿真得到的電廠出線首端單相短路時(shí)6kV高壓變頻器的低電壓穿越仿真波形如圖6所示，其中：(a)為與6kV高壓變頻器相連的發(fā)電廠輔機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線；(b)為電廠母線電壓以及6kV高壓母線電壓有效值；(c)為變頻器輸出的交流電壓有效值；(d)為變頻器輸出的三相交流電流的瞬時(shí)值。

因此，在合理的低電壓保護(hù)定值范圍(45%～70%)內(nèi)，目前主流的6kV高壓變頻器基本具備電網(wǎng)單相故障下的低電壓穿越能力。

(2)400V廠用變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

以電廠出線末端單相短路時(shí)400V變頻器的低電壓穿越仿真為例。當(dāng)400V變頻器低電壓保護(hù)定值整定為85%時(shí)，其仿真波形如圖7所示，其中：(a)為與400V變頻器相連的發(fā)電廠輔機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線；(b)為電廠母線電壓以及400V低壓母線電壓有效值；(c)為變頻器輸出的交流電壓(S1_Vrms)以及電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓(M1_Vrms)有效值；(d)為變頻器輸出的三相交流電流的瞬時(shí)值。

由圖7不難看出，在單相短路故障發(fā)生后的電壓跌落過(guò)程中，400V低壓母線電壓的最小值已低于低壓變頻器的低電壓保護(hù)定值，故400V的廠用輔機(jī)變頻器因低電壓保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

對(duì)于400V的廠用變頻器，其低壓保護(hù)定值一般取70%～90%額定電壓。在單相故障情況下，即使采用電壓跌落最為輕微的電廠出現(xiàn)末端單相短路故障方式，其400V低壓母線電壓跌落的最低點(diǎn)為84.10%，其值處于低壓保護(hù)定值范圍內(nèi)。特別值得一提的是，該仿真結(jié)果與所選取的電壓節(jié)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的電壓下降程度(84%)完全吻合。

由此可見，當(dāng)400V低壓變頻器的低電壓保護(hù)定值整定較高時(shí)，與電廠電氣距離較近的單相故障都有極大的可能因?yàn)殡妷旱涞陀?00V廠用變頻器的低電壓保護(hù)定值，從而導(dǎo)致其保護(hù)動(dòng)作而跳閘。因此，對(duì)于主流的400V廠用變頻器，因其在電網(wǎng)單相短路故障下的低電壓穿越能力不足而導(dǎo)致跳閘的風(fēng)險(xiǎn)較高。

4.2 三相故障的低電壓穿越仿真

(1)6kV廠用變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

當(dāng)三相故障發(fā)生時(shí)，即使采用電壓跌落最為輕微的電廠出現(xiàn)末端三相短路的情況，其高壓廠用母線電壓跌落的最低點(diǎn)達(dá)到55.8%，該值處于6kV 高壓變頻器低壓保護(hù)的整定值范圍內(nèi)。當(dāng)其低電壓保護(hù)參數(shù)高于55.8%時(shí)，6kV 高壓變頻器將會(huì)因低電壓保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

以電廠出線末端三相短路時(shí)6kV變頻器的低電壓穿越仿真為例，當(dāng)整定6kV的變頻器的低電壓保護(hù)定值為60%時(shí)，其仿真波形如圖8所示，其中：(a)為與6kV高壓變頻器相連的發(fā)電廠輔機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線；(b)為電廠母線電壓以及6kV廠用母線電壓的有效值；(c)為變頻器輸出的交流電壓(S1_Vrms)以及廠用輔機(jī)機(jī)端電壓(M1_Vrms)有效值；(d)為變頻器輸出的三相交流電流的瞬時(shí)值。

由圖8不難看出，在三相短路故障發(fā)生后的電壓跌落過(guò)程中，6kV廠用母線的最小值已經(jīng)處于6kV高壓變頻器的低電壓保護(hù)定值的整定范圍內(nèi)，故6kV高壓變頻器有極大的可能因低電壓保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

風(fēng)機(jī)類高壓變頻器(如：一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)變頻器)基本具備瞬停功能。在低電壓穿越區(qū)內(nèi)，變頻器可短時(shí)中斷輸出保護(hù)自身設(shè)備但不跳閘，這時(shí)電機(jī)處于自由制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)設(shè)備由于系統(tǒng)慣性作用仍可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)速逐漸降低，此時(shí)若在指定的“等待時(shí)間”內(nèi)電源電壓恢復(fù)正常，變頻器將按照“跟蹤轉(zhuǎn)速再起動(dòng)”方式再起動(dòng)，就可以躲過(guò)電源電壓的瞬間波動(dòng)。這種方法應(yīng)有速度傳感器，并應(yīng)將變頻器的控制電源接到UPS 電源(或直流供電)。設(shè)計(jì)參數(shù)包括要承受的最長(zhǎng)擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間、從電源恢復(fù)到電動(dòng)機(jī)返回原有轉(zhuǎn)速的時(shí)間。

(2)400V廠用變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

以電廠出線末端三相短路時(shí)400V變頻器的低電壓穿越仿真為例，其仿真結(jié)果如圖9所示。由圖不難看出，在三相短路故障發(fā)生后的電壓跌落過(guò)程中，400V廠用母線的最小值(51.75%)已經(jīng)遠(yuǎn)低于400V變頻器的低電壓保護(hù)定范圍，故其因低電壓保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

由此可見，當(dāng)離電廠距離較近的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于電壓跌落較低，其值將低于400V廠用變頻器的低電壓保護(hù)整定范圍，從而使得其因低電壓保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

5 結(jié)論

本文建立了基于PSCAD的火電廠輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其負(fù)荷的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)與BPA仿真平臺(tái)的邏輯對(duì)接，建立了機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)聯(lián)合仿真系統(tǒng)。將區(qū)域電網(wǎng)的BPA數(shù)據(jù)與PSCAD仿真系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)電廠出線單相故障、三相故障的仿真分析，驗(yàn)證了所建立的仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和工程應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：朱子]

Modeling and Simulation of Variable Frequency Speed-Regulating System for Power Plant Auxiliary

CHENYan-yun1，XUMin2

(1.ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China; 2.StateGridTaihuCountyPowerSupplyCo.,Ltd.,Taihu246400,China)

This paper establishes the model of variable frequency speed-regulating system based on PSCAD for power plant auxiliary and its load model, and completes the logic interfacing with the BPA simulation platform. The joint simulation system of the electromechanical transient and electromagnetic transient is realized, which is used for the analysis and research of the influence of power grid fault on power plant system. By the simulated analysis of the single phase fault and three phase fault of power plant outgoing line, the accuracy and engineering application value of the simulation model are verified.

power plant auxiliary; variable frequency speed-regulating; PSCAD; BPA; modeling

2015- 05-10

陳延云(1982-)，男，浙江景寧人，碩士，工程師，中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司電氣室副主任，主要從事大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)、勵(lì)磁控制以及源網(wǎng)協(xié)調(diào)等方面的生產(chǎn)和研究工作。

TP391.9

A

1672-9706(2015)03- 0104- 07