1000MW水轮发电机非正常运行工况网机耦合仿真

郝金伟 肖翦

摘 要：本文通过对水轮发电机非正常运行工况瞬态电磁过程的分析，建立了以发电机为主，包括水轮机、调速器、主变压器、断路器、电网、励磁系统等在内的数值模型，对一台1000MW水轮发电机机端突然短路和非同期并网工况进行了网机耦合仿真研究，为发电机结构设计、保护整定和安全运行提供理论依据。

关键词：1000MW水轮发电机;突然短路;非同期并网;网机耦合仿真

1.引言

1000MW水轮发电机单机容量大，一旦由于某种原因造成发电机非正常运行，则有可能造成发电机的损坏，严重时将危及电网运行，甚至使系统瓦解。为了保护机组和电网的安全，在发电机设计阶段就需要较准确地计算各种扰动下机组与电网的瞬态过渡过程。

本仿真借助于在电机电力系统及电机控制研究中广泛应用的商业软件，对1000MW水轮发电机的各种突然短路和非同期并网进行全面的瞬态行为仿真，仿真模型不仅计入了变压器、线路、机械系统部分的影响，同时还可以考虑电机饱和励磁调节器的作用，使得计算结果更准确，对发电机结构设计和电力系统的保护整定有十分重要的作用。

2.发电机主要参数

3.系统仿真模型

根据发电机运行情况，以机端突然短路为基础，建立了1000MW水轮发电机与电网耦合仿真计算模型，通过控制故障短路开关，完成发电机突然短路、非同期并网等瞬态运行过程的仿真。

图 l为1000MW水轮发电机及电网系统的物理模型，含有发电机、水轮机、调速器、励磁系统、主变压器、断路器、电网等主要设备。

4.计算结果

4.1 发电机机端突然短路

发电机机端发生突然短路是发电机运行中最为严重的故障工况之一，仿真分析了：

（1）机端三相短路，发电机先处于空载运行状态，在0.5 s时机端断路器的A、B、C三相合闸，进入三相短路运行状态，计算结果如图2。

（2）机端两相短路，发电机处于空载运行状态，在0.5s时机端断路器的A、C两相合闸，进入两相短路运行状态，计算结果如图3。

表1中给出了短路故障对电流、电磁转矩的影响，表2和表3分别给出了三相突然短路和两相突然短路工况的电流的各个分量在不同时刻的值。

三相突然短路瞬间电流最大值将达到额定电流值的12.03倍，电磁转距将达到定电流值的4.58倍。

两相突然短路瞬间电流最大值将达到额定电流值的9.86倍，电磁转距将达到定值的5.38倍。

4.2 发电机非同期并网

发电机非同期并网不但出现较大的电流冲击，而且出现较大的电磁转矩冲击，其中可能包含较大的单向电磁转矩。单向电磁转矩比交变电磁转矩产生更严重的机械应力，从而使转轴造成更严重的损伤，危及发电机的安全运行。

仿真分析了：

（1）120°非同期并网，发电机首先处于空载运行状态，在合闸前，发电机与电网电压频率相同，大小相同，相位相差120°，在0.67s时网侧断路器的A、B、C三相合闸，开始进入120°非同期并网运行状态，计算结果如图4。

（2）180°非同期并网，发电机处于空载运行状态，在合闸前，发电机与电网电压频率相同，大小相同，相位相差180°，在0.67s時网侧断路器的A、B、C三相合闸，开始进入180°非同期并网运行状态，计算结果如图5。

表4给出了各种误并列工况对电流、电磁转矩的影响。

120°非同期并网瞬间电流最大值将达到额定电流值的14.03倍，电磁转距将达到定值的7.02倍。

180°非同期并网瞬间电流最大值将达到额定电流值的16.04倍，电磁转距将达到定值的6.55倍。

5.结语

（1）本文建立了大型水轮发电机非正常运行工况仿真模型，同时考虑了电网、励磁和机械系统的综合影响，计算结果更准确。

（2）通过对1000MW水轮发电机空载突然短路、非同期并网的仿真分析，得到电磁动力特性变化曲线，可用于发电机的动力特性响应分析、刚强度分析、端部结构设计，以满足机组安全稳定运行要求。

参考文献

[1] 姜可薰. 电机瞬变过程[M]. 北京： 机械工业出版社，1991

[2] 周德贵，巩北宁. 同步发电机运行技术与实践[M]. 北京：中国电力出版社，1995

[3] 高景德，等. 交流电机及其系统的分析[M]. 北京： 清华大学出版社，1993

[4] 王正茂，等. 电机学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2000

作者简介：郝金伟（1986-），男，工学学士，工程师，2010年毕业于华中科技大学电气学院，现任职于东方电机有限公司从事水轮发电机设计工作。