名称：一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法

专利人： 钱煜

专利号：202110275219.2

技术领域

本发明涉及电力系统稳定性技术领域，具体涉及一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法。

背景技术

随着电力系统联系日趋紧密，当电力系统发生重大故障(如枢纽变电站、大型发电厂主母线、特高压输电线路重负载跳闸，机组非同期合闸)时，常常会导致电力系统有功功率的不平衡，进而引发电力系统振荡，甚至导致整个电力系统崩溃。在电网事故发展初期，系统开始失步振荡时发电机失步保护、失磁保护跳阐，导致大量机组退出运行，引发了功率缺额、频率降低、电压崩溃等一系列连锁反应，对事故扩大起到了推波助澜的作用，导致系统解列，造成大停电。

以往的重合闸技术都是用于输电线路的重合闸，当发生短路故障时，重合闸可以使线路能够先跳闸再合闸，如果故障是暂时的，可以迅速恢复供电。

现有技术中没有针对“发电机”的重合闸，但实际运行中，如果发电机本身无故障，但由于电网振荡导致发电机失步跳闸后，发电机往往被迫打闸停机。若要重新开机，则需要较长时间，不利于迅速恢复对电网的供电。

(1)发电机发生故障后跳闸的判据非常完善，但目前没有让发电机跳闸后短时间内重新合闸的方案。

(2)输电线路有重合闸方案，但这是针对线路而非发电机的。这是因为：①发电机及其控制系统非常复杂，而线路则很简单；②发电机是旋转设备而线路是静止设备。因此用于线路的传统型重合闸方案不适用于发电机。

(3)传统线路重合闸的合闸时间一般为一个确定的值(比如0.8s，1s)，而本文通过暂态能量法确定的合闸时间为一个计算的值，是根据机组运行情况(功角)动态调整的。

(4)《自动重合闸最优重合方案的设计》一文中所提及的暂态能量法用于计算短路故障——故障切除—恢复稳定的过程；而本文中的暂态能量法则用于计算发电机失步—跳闸—重新合闸—恢复稳定的过程。前者针对短路故障，后者针对失步、失稳的故障。

电网由于外部有功电源输入忽然丢失(比如特高压输电线路跳闸导致受电侧电网有功功率不足)而导致失稳时，发电机失步保护可能动作跳闸，从而导致受电侧电网有功功率更加缺乏，严重情况下可能导致电网崩溃。此时，若网内因为失步而跳闸的发电机能迅速重新并网，则可以给电网提供足够的有功功率支撑，帮助电网渡过“振荡期”，恢复稳定。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，所述方法是当发电机本身无故障，由于电力系统故障使发电机失步保护动作或者由于开关偷跳等原因误动作时，利用同期、保护、控制装置使其自动重新合闸，所述方法包括以下步骤：

步骤1)在发电机失步保护动作后,满足断路器开断容量，发电机保护判断断路器闭锁条件正常；

步骤2)经延时T发出三相重合闸指令，指令接入同期装置，经过T时，采用暂态能量法进行计算，当不考虑热控调节器情况，发电机以超过电网频率的转速重合后，过剩的动能将转化成发电机的势能，发电机以δr的功角重合，此时转子动能转化为发电机的势能，当发电机与电网相对静止时，将该时刻的功角记为δs；

步骤3)发电机重合时，功角等于δ1，此时最大的减速面积为V(x)max：其中PT为原动机功率，E’为发电机内电势，U为系统电压，XΣ为发电机与系统之间的等效阻抗，δ为发电机功角。

系统维持稳定的条件为转子全部相对动能<减速面积所对应的势能，即：其中J为发电机转动惯量，ω为发电机转动角速度，当发电机总能量V(x)最小时，当发电机频率降低为系统频率时，发电机功角δ将从δr上升至δs，此时，发电机相对于系统的转动动能全部转化为相对势能。

步骤4)断路器合闸；

步骤5)若合闸后出现二次失步或其他短路型故障，满足条件后可采用“后加速”跳闸，同时闭锁重合闸。

作为本发明的一种改进，所述步骤3)中，当出现阻尼损耗时，原动机通过调节汽轮机调门，使原动机输入功率由PT1降到PT2，减速面积变大，系统恢复稳定，系统稳定后再提高原功率，增加发电机所带负荷。

作为本发明的一种改进，系统频率由最低点向50HZ移动时，电网稳定性已恢复，发电机频率＞系统频率，此时需要发电机对电网冲击最小。

作为本发明的一种改进，系统频率下降时，机组在相位同期条件满足的最早时间并网，然后用加速面积分析，不能越过稳定极限，发电机合闸后释放相对动能。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)中，若功角在90°前，发电机转速就与系统频率一致，发电机稳定运行在该转速对应的功角上，即δs<90°；若功角在90°～δ2，发电机与系统频率一致，发电机相对于系统继续振荡，经过若干振荡周期后发电机恢复稳定运行，即90°<δs<δ2；若功角在δs～δ2的任意值，发电机的转速无法与系统频率一致，发电机无法恢复稳定运行，最终与系统解列。

作为本发明的一种改进，所述步骤1)中当发电机和电网电压幅值和相交均相同，只有频率不同，即fg≠fs时，ΔU可以表示为：

此时可以看出，ΔU是一个脉振电压，受到两个频率的影响，分别是fg+fs和fg-fs，这是一个有包络线的正弦波，包络线频率为包络线内部正弦波的频率为当t＝0时，ΔU也等于0，这就表示在合闸瞬间，理论上没有冲击电流，但是在合闸后，电网和机组之间还会存在一个稳态的脉振电流，意味着发电机和电网之间仍然存在能量传递，这个传递功率将随着汽轮机一次调频的动作而逐渐减小。该方案以减小合闸时的短路电流，从而满足断路器开断容量，保护对机组设备的冲击。这个过程类似于发电机的失步过程，只不过频差通常较小，很容易将发电机组拖回稳定运行状态。

作为本发明的一种改进，所述步骤4)中重合闸最初由发变组保护发出，经过断路器本体的闭锁信号，发送至同期装置，同期装置接收到该信号后，进行逻辑判断后发送给热控系统，同期装置判断热控系统调整后的并网条件后，将合闸指令发送给断路器本体，断路器合闸。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于暂态能量法的发电机三相重合闸方法，能够在发电机在失步失稳跳开后，尽可能快速自动重合闸，保障全网的有功功率平衡，尽快恢复电网的稳定性，并利用暂态能量法分析了发电机的重合时机，在网内因为失步而跳闸的发电机能迅速重新并网，能够给电网提供足够的有功功率支撑，帮助电网渡过“振荡期”，恢复稳定。