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高压发电机继电保护及相关稳定性问题研究

高艳  
【摘要】: 材料科学与制造技术的进步拓展了高压交联聚乙烯(Cross Linked Poly Ethylene,XLPE)电缆的应用领域,促成了高压发电机(Powerformer)的发明,这是发电技术发展史上的一次显著变革。高压发电机能够直接与高压母线相连,与传统发电机相比,高压发电机有望提高系统可靠性、稳定性,提高能量转换效率,减少电厂占地面积。而高压发电机继电保护问题的解决和相关稳定性问题的深入研究将推动这种新型发电技术的进步和推广。论文针对上述问题开展研究,具体工作如下: 高压发电机在系统中处于重要地位,其定子绕组单相接地故障保护需满足高灵敏度、覆盖100%定子区域的要求。论文基于高压发电机内部故障仿真模型,分析了高压发电机发生定子绕组单相接地故障时的电气特性,提出了一种基于零序能量的高压发电机定子单相接地保护新原理。该保护原理利用高压发电机机端零序电压和零序电流获得零序功率和零序能量,通过分析能量方向检测接地故障,实现对发电机区内故障和区外故障的区分。 为了减小发电机的体积,高压发电机的绝缘系统在设计上采用分级绝缘方式,中性点侧的绝缘强度相对机端较弱。当其运行在非全相异常工况时,中性点将承受很高的过电压,绝缘受到严重威胁。论文在分析高压发电机非全相运行状态特点的基础上,提出了一种基于高压发电机机端零序电压和定子绕组负序电流、并借助断路器辅助触点信息进行判断的高压发电机非全相运行保护方案,并通过PSCAD/EMTDC建立系统模型,对方案进行仿真验证。 高压发电机与高压母线直连,当多台高压发电机并列运行时,若其中一台发生励磁系统故障导致过电压,利用简单的过电压保护无法实现选择性动作。论文利用发电机机端电压和无功功率输出之间的关系,提出了一种改进的并列运行高压发电机过电压保护方案。该保护方案除检测过电压故障外,还通过发电机无功功率输出的变化量识别引发过电压的根源。采用补偿系数修正保护的动作时间,保证对母线过电压影响最大的发电机能最先被切除,该保护方案的应用领域并不局限于高压发电机,亦可为直接并列运行的普通发电机提供选择性过电压保护。 论文研究了传统发电机高压侧电压控制(HSVC)原理,基于此对HSVC提高电力系统暂态功角稳定性的能力进行分析。由于高压发电机能够直接与高压母线相连,无需增设HSVC模块即可很方便地控制高压母线的电压。论文采用高压发电机实现高压侧电压控制,利用电力系统综合程序(PSASP)建立单机-无穷大系统及改进的EPRI-7节点系统,通过与传统发电机AVR和传统发电机HSVC励磁控制的比较,分析了高压发电机电压控制改善电力系统暂态功角稳定性的效果。 论文研究了电压稳定性的基本理论、提高电力系统暂态电压稳定性的措施及高压发电机的过负荷特性。在此基础上,采用PSASP建立了EPRI-36节点系统仿真模型,通过与传统发电机AVR和HSVC励磁控制的效果比较,分析了高压发电机电压控制改善电力系统暂态电压稳定性的作用。 论文最后对上述研究结果进行总结,提出进一步研究的方向。


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