變速抽蓄機組失磁故障分析及保護研究

盧慶輝 尹項根 喬 健 王義凱 尹 昕

變速抽蓄機組失磁故障分析及保護研究

盧慶輝1尹項根1喬 健1王義凱1尹 昕2

（1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074 2. 長沙理工大學電氣與信息工程學院 長沙 410114）

變速抽蓄機組（VSPSU）的勵磁及控制方式復雜且易發生失磁故障，配置針對性的失磁保護對保障其安全運行至關重要。該文基于直流勵磁系統和交流勵磁系統的差異分析，將VSPSU的失磁故障劃分為對稱失磁和不對稱失磁兩種故障形式，并主要針對對稱失磁故障開展研究。首先，分別從故障位于機側和網側角度出發分析VSPSU發生對稱失磁故障后的電氣量變化特性及其故障危害；然后，推導證明了傳統失磁阻抗圓保護判據在VSPSU中應用時不具有可靠性，VSPSU缺乏具有針對性的保護方案；最后，基于VSPSU的失磁故障特性，提出了針對機側對稱失磁故障的下拋阻抗圓判據和針對網側對稱失磁故障的直流電壓判據，兩者結合形成了對VSPSU對稱失磁故障的保護方案。仿真結果表明，該文所提方案可有效地檢測VSPSU在各種運行工況下的對稱失磁故障，以滿足VSPSU對失磁保護可靠性的要求。

變速抽蓄機組 交流勵磁 失磁故障 失磁保護 保護可靠性

0 引言

隨著風、光等新能源大規模高比例發展，新型電力系統對抽水蓄能電站等大容量調節電源的需求更加迫切[1-2]。相比于傳統的定速抽蓄機組（Fixed Speed Pumped Storage Units, FSPSU），基于雙饋感應電機的可變速抽蓄機組（Variable Speed Pumped Storage Units, VSPSU）具有更寬的機組運行范圍和更高的運行效率，并可以有效地抑制系統低頻振蕩，維持電網穩定[3-5]。失磁故障是發電機組頻發的一種故障類型，特別是對于勵磁系統環節復雜的大型機組，更加容易發生失磁故障[6]?，F行抽水蓄能電站中，FSPSU和VSPSU往往采用自并勵勵磁系統。但FSPSU采用直流勵磁繞組結構、定轉速控制策略，而VSPSU采用三相交流勵磁繞組結構、可變轉速控制策略。勵磁繞組結構和控制策略的不同造成兩種機組的勵磁系統組成有很大區別，因此發生失磁故障的形式和特點也會發生變化。

FSPSU采用的直流勵磁系統同樣也在常規大型同步發電機和調相機中廣泛應用。目前，傳統同步發電機組及FSPSU的失磁保護多采用基于機端阻抗測量原理的失磁保護判據并輔以轉子電壓判據。但基于阻抗測量原理的失磁保護存在與低勵限制配合整定困難的問題，而基于導納測量原理的失磁保護可以有效避免該問題，因此該方法在工程上具有一定的應用[7]。此外，傳統保護方案無法有效區分失磁和系統穩定功率振蕩，工程中往往采用延時躲振蕩的方法，這在選擇性和速動性上具有一定缺陷[8]。近年來，針對同步發電機失磁保護的研究也主要集中于保護選擇性和速動性的改進，如利用直測功角[9-10]、振蕩邊界圓判據[11]來有效區分失磁和功率振蕩，利用發電機功率變化[12-13]、同步電動勢變化[14]來加速保護動作。此外，有關學者也提出了利用發電機功率因數角變化率[15]、電樞電流二階導數[16]，支持向量機[17]、決策樹[18]等智能算法的失磁保護方案以提高保護的選擇性和速動性。但新型保護方案的可靠性和可實施性有待進一步考察。不同于同步發電機，同步調相機失磁后仍然能保持同步，所以傳統發電機基于失步后的阻抗圓判據不再適用于調相機[19-20]。目前工程中針對同步調相機的失磁保護采用結合逆向無功判據、機端電壓判據和勵磁電壓判據構成的保護方案。但該方案存在部分失磁情況下靈敏度不夠甚至存在死區的問題。文獻[21]對這一情況進行了分析，并提出了基于定子內電勢和勵磁電壓的進相速率檢測器來判斷失磁，但該方法構成較為復雜。文獻[19]分析了調相機具體的失磁故障行為，并提出一種基于勵磁電流差異的調相機失磁保護方案，但是該方案無法對勵磁回路斷線引發的失磁故障進行可靠檢測。文獻[22]對同步調相機勵磁電壓判據無法可靠區分深度進相運行、全失磁故障及脈沖丟失引發的部分失磁故障進行了理論分析，并對現有勵磁電壓判據進行了改進。

總的來說，目前針對直流勵磁同步機的失磁保護方案較為成熟。但是直流勵磁同步機和交流勵磁雙饋電機在勵磁結構和運行方式上差異巨大，國內外針對交流勵磁雙饋電機失磁故障特性及失磁保護的研究較少，因此是否需要針對VSPSU配置失磁保護，以及現有失磁保護方案能否在VSPSU中可靠應用還沒有明確的結論。值得注意的是，雖然交流勵磁雙饋電機在風力發電系統中應用較多，但由于風力發電容量較小，對電網造成的影響有限，往往不針對雙饋風機配備失磁保護。但是基于雙饋電機的VSPSU容量巨大，我國正在投建的首個VSPSU單機容量為300 MW，因此VSPSU失磁對機組本身及電網造成的影響不可忽視。

基于傳統直流勵磁系統和交流勵磁系統的差異分析，本文將VSPSU的失磁故障分為對稱失磁和不對稱失磁兩種故障類型，并主要針對VSPSU的對稱失磁故障及保護進行研究。首先分別從機側和網側出發研究了VSPSU對稱失磁的故障特性及故障危害，闡明了VSPSU配置失磁保護的重要性。進一步推導分析了傳統基于阻抗圓的失磁保護判據在VSPSU中應用時的適應性，得出傳統方案無法滿足VSPSU對失磁保護可靠性要求的結論。然后，結合對VSPSU對稱失磁故障特性的研究分別提出了針對機側對稱失磁故障的下拋阻抗圓判據和針對網側對稱失磁故障的直流電壓判據，兩者結合形成了針對VSPSU對稱失磁故障的保護方案。最后，利用PSCAD/EMTDC搭建了VSPSU失磁故障仿真模型，仿真結果驗證了本文所提下拋阻抗圓判據和直流電壓判據在檢測VSPSU對稱失磁故障時的可靠性。

1 VSPSU的失磁故障形式分析

FSPSU為直流勵磁的同步發電電動機，由晶閘管整流器提供直流勵磁電源，同時配置滅磁裝置及轉子過電壓保護裝置。而VSPSU為三相交流勵磁的雙饋電機，通過背靠背變流器提供頻率可調的交流電源，在變流器的直流環節配置了制動斬波器防止直流母線電壓過高，同時在轉子繞組出口配置可控硅跨接器為轉子及變流器提供過電壓和過電流保護。兩種機組的勵磁系統示意圖如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機組的勵磁系統

對于FSPSU及其他傳統直流勵磁同步機，往往根據故障嚴重程度將失磁故障分為低勵（部分失磁）和失磁（完全失磁）。根據直流勵磁繞組結構及勵磁系統組成，如圖1a，造成低勵的原因有開關元件部分損壞、脈沖丟失或自動調節系統不正確動作等；造成失磁的原因可歸納為勵磁繞組開路和端部短路，其中勵磁繞組開路包括滅磁開關誤跳、勵磁變故障跳閘、勵磁繞組斷線等故障形式。

VSPSU因為采用了交流勵磁系統，引發失磁的故障形式更加多樣。直流勵磁系統中，當出現硅整流元件損壞、脈沖丟失等故障時，晶閘管整流器輸出的直流電源出現周期性的脈波缺失，造成平均勵磁電壓下降，此外，還有電刷與集電環的接觸不良、脫落等會給勵磁支路引入較大電阻，上述種種情況進而導致了發電機部分失磁。而在VSPSU中，上述故障造成的往往不是三相勵磁電壓電流同時下降，而僅是部分相變化，即三相勵磁電壓或勵磁電流出現不對稱。因此區別于傳統直流勵磁同步機部分失磁和全失磁故障形式的劃分，對于VSPSU的失磁故障形式可分為對稱失磁和不對稱失磁。

根據交流勵磁繞組結構及勵磁系統組成，如圖1b，造成對稱失磁的原因有勵磁斷路器誤跳閘，三相勵磁繞組同時斷線及端部短路（概率較?。?，調節器故障造成的機側或網側變流器所有脈沖丟失，直流電壓環節斷線、短路等。造成不對稱失磁的原因有勵磁繞組單相或兩相斷線、勵磁繞組及端部兩相短路、變流器開關元件部分損壞、脈沖丟失或調節器不正確動作等。需要說明的是，工程中VSPSU的變流器端口都加裝了電流互感器構成過電流保護。此外，不同于FSPSU，VSPSU轉子側保護被加強，轉子繞組往往配置主保護以反映繞組及端口引線的短路故障。因此上述各種形式的短路故障發生時由VSPSU的轉子繞組主保護及變流器過電流保護快速動作，無需進一步考慮短路故障造成失磁的情況。

對稱失磁故障和不對稱失磁故障下VSPSU的失磁特征具有較大差異。受篇幅限制，本文主要對VSPSU對稱失磁故障下的失磁特性及保護進行研究，對于VSPSU的不對稱失磁故障將另撰文討論。

2 VSPSU對稱失磁故障特性及對電力系統的影響

VSPSU的勵磁由背靠背變流器提供，通過中間直流環節將勵磁系統分為機側和網側兩部分。機側和網側均可直接或間接地造成VSPSU發生對稱失磁故障，但引發失磁機理不同，因此需要分別從機側和網側考慮VSPSU的對稱失磁故障特性。

2.1 VSPSU的數學模型

VSPSU的整體結構和雙饋風機相似，定子側和轉子側均采用三相交流繞組結構。若定子側采用發電機慣例，轉子側采用電動機慣例，并將轉子側參數轉換到定子側，則可得到VSPSU在同步速坐標系下的空間矢量電壓方程和空間矢量磁鏈方程[23]為

式中，為微分算子；s和r分別為轉換到同步速下的定、轉子磁鏈空間矢量；s和r分別為轉換到同步速下的定、轉子電壓空間矢量；s和r分別為轉換到同步速下的定、轉子電流空間矢量；s和r分別為定、轉子電阻；m為勵磁電感；s、r分別為定、轉子電感，s=m+σs，r=m+σr，其中σs和σr分別為定、轉子漏感；s為電網電壓角頻率；r為轉子電壓角頻率。

將上述空間矢量分解為=+j的形式可得到同步速坐標系中VSPSU的dq模型，如圖2所示。

圖2 同步速坐標系中VSPSU的dq模型

2.2 機側對稱失磁故障分析

當VSPSU出現三相繞組同時斷線、勵磁調節器故障或其他原因導致機側變流器脈沖全部丟失等故障時，轉子繞組將完全失去勵磁電流，直接引發變速抽蓄機組對稱失磁。在現有的VSPSU控制方案中，VSPSU多采用定子磁鏈定向矢量控制，即通過將定子磁鏈定向到d軸，則定子有功功率和無功功率可分別通過d、q軸轉子電流單獨控制。根據圖2所示同步速坐標系中VSPSU的dq模型，定子磁鏈定向到d軸時，定子側電流和磁鏈穩態關系如式（3）所示，忽略定子電阻壓降后的電壓表達式如式（4）所示。

從式（4）可看出當定子磁鏈定向到d軸時，定子電壓與q軸同相?？紤]到空間矢量的等幅值變換，用dq軸分量表示的定子側有功功率和無功功率為

將式（3）及式（4）代入式（5）可得到用轉子電流表示的定子有功功率和無功功率表達式為

基于第4節中的發電機仿真模型及參數，機側對稱失磁時的機端電壓及功率變化如圖3所示，初始狀態時機端電壓為1.05(pu)，在第5 s時設置三相繞組同時斷線。由于VSPSU正常深度進相運行時吸收無功可能要高于失磁時進相吸收無功，因此存在失磁后機端電壓升高的情況，如圖3a所示。在VSPSU遲相運行或進相深度較淺時，失磁造成的大量無功缺額往往會使機端電壓降低，如圖3b所示。根據機側對稱失磁時無功功率表達式，VSPSU失磁后吸收無功功率大小與機端電壓的二次方成正比。由于發生對稱失磁后機端電壓往往不再維持在額定值，所以仿真中失磁后吸收無功功率值與理論計算值有一定偏差，但失磁后VSPSU的運行功率點都會跌至式（7）所示圓的圓心附近，如圖3c所示。

圖3 VSPSU機側對稱失磁故障仿真

2.3 網側對稱失磁故障分析

當VSPSU勵磁系統出現勵磁回路斷路器誤跳，直流電壓環節斷線及網側變流器脈沖全部丟失等故障時，機側和網側功率交換的通道被破壞，此時可能間接地引發變速抽蓄機組對稱失磁。下面以勵磁回路斷路器誤跳為例分析VSPSU在發生網側對稱失磁故障時的特點。

考慮VSPSU處于發電狀態時，轉子側有功功率流向在不同轉速工況下發生變化，具體可表述為

當轉速小于同步轉速時，轉差率為正，由于定子側采用發電機慣例，轉子側采用電動機慣例，此時轉子側有功功率和定子側有功功率流向相反，定子側向電網發出有功，而轉子側從電網吸收有功。由于網側變流器和電網斷開，直流電容存儲的能量供給變速抽蓄機組后，電壓將迅速跌落，對于機側變流器來說相當于失去直流電源。然而此時機側變流器依然正常工作，對于每種開關管動作情況下仍然可形成完整的三相電流通道，VSPSU三相繞組相當于被短接，而VSPSU變成了繞線式異步發電機。和轉子側直接發生短路故障不同，此時短路失磁是由于網側故障間接造成的，而直流環節僅提供交流通道，是一個無源環節，不會造成變流器過電流及轉子繞組主保護動作，此時需要相應的保護發揮作用。

基于第4節中的發電機仿真模型及仿真參數，圖4a所示為VSPSU在亞同步發電工況下不同輸入轉矩時的失磁現象，5 s時勵磁回路斷路器誤跳。在初始狀態下，VSPSU的轉速為0.95(pu)，由于三相繞組被短接，VSPSU失去勵磁，有功功率也迅速下降，轉矩的不平衡促使變速機組轉速上升。當轉速超過同步轉速時會在轉子繞組中感應出轉差頻率電流，該電流產生反向制動轉矩，直到和輸入轉矩達到新的平衡。由圖4a也可看出穩定后的VSPSU變成了超同步異步發電機，有功功率也達到新的平衡，同時由于要建立新的發電機磁場，VSPSU要從電網中吸收大量無功功率，且當輸入轉矩越大時，吸收無功功率越大。因此和同步發電機失磁故障的異步運行階段一樣，VSPSU的網側對稱失磁故障也會造成電力系統和本身的各種危害。

當轉子轉速大于同步轉速時，轉差率為負，此時轉子側有功功率和定子側有功功率流向相同，都同時向電網發出有功功率。由于此時網側變流器和電網斷開，直流電容將不斷接收從轉子側注入的有功功率卻不能將其回饋電網，因此造成直流電壓躍升。當直流電壓達到斬波制動器動作電壓時，多余的能量將通過斬波制動器進行卸荷，從而維持直流側電壓穩定（若斬波制動器卸荷能力有限，直流電容電壓還將進一步上升）。另一方面如圖4b所示，VSPSU在超同步發電工況下發生網側對稱失磁故障后，轉子轉速、有功功率和無功功率均無顯著變化，但由于直流電壓異常上升，經機側變流器輸入到轉子繞組中的PWM波峰值上升，長時間下容易破壞發電機轉子絕緣，影響發電機的正常運行。

當VSPSU處于電動運行工況下時，定子側為吸收有功狀態，轉子側有功功率流向和轉子轉速的關系與發電運行時正好相反。但基于不同有功功率流向所產生的故障現象仍和發電運行狀態時相同。

3 VSPSU對稱失磁保護研究

3.1 傳統失磁保護方案的適應性分析

傳統同步發電機采用基于機端阻抗測量原理的失磁保護方案，該方案如在VSPSU中應用時首先應滿足繼電保護可靠性要求，既不能拒動也不能誤動。但是考慮到VSPSU運行范圍較廣，在正常穩態運行時，VSPSU的測量阻抗是否會落入靜穩邊界阻抗圓和異步運行阻抗圓需要重新進行考量。另一方面，失磁故障發生后機端測量阻抗軌跡能否落入阻抗圓內也需要進一步分析。不同于傳統水輪發電機組，VSPSU是隱極機結構，而傳統隱極機的失磁保護則采用了規則的靜穩邊界阻抗圓和異步運行阻抗圓。由于阻抗圓和功率圓是相互關聯的，二者可以相互轉換[24-25]，靜穩邊界阻抗圓和異步運行阻抗圓從阻抗平面轉換到功率平面的靜穩邊界功率圓和異步運行功率圓分別為

將靜穩邊界功率圓和異步運行功率圓和VSPSU的功率特性放在同一個平面中，如圖5所示。靜穩邊界功率圓和異步運行功率圓為圖中藍色實線所示，需要注意的是靜穩邊界功率圓的動作區在圓外，異步運行功率圓的動作區在圓內。

圖5 VSPSU運行功率平面

在電氣特性限制方面，VSPSU的功率特性受到本身額定容量限制、最大轉子電流限制、最大轉子電壓限制。額定容量限制為一個單位圓，如圖5中的黑色雙點畫線圓；最大轉子電流限制可由式（7）表示，轉子電流需取VSPSU能承受的最大值，如圖5中的紅色虛線圓；最大轉子電壓限制分析可參考文獻[26-27]，如圖5中淺藍點畫線，如果機組及變流器參數設計合理，VSPSU功率運行范圍一般不會受最大轉子電壓的限制。除受到電氣特性限制外，VSPSU的功率特性還受到原動機的輸出功率極限和水力特性限制[26]。圖5中①為發電最大出力限制，功率因數取0.9；②為發電最小出力限制，約0.3(pu)；③為抽水最小出力限制，約0.7(pu)；④為抽水最大出力限制，功率因數取0.98。

圖5中陰影部分為變速抽蓄機組的正常工作區，其中黑色陰影不在動作區內，黃色陰影在動作區內?？芍?，無論采用靜穩邊界阻抗圓還是異步運行阻抗圓，VSPSU在正常情況下運行時都可能會發生誤動的情況。下面分析發生機側對稱失磁故障時，傳統阻抗圓能否可靠動作。

分別令式（9）和式（10）中有功功率為零，可得到靜穩邊界功率圓和異步運行功率圓與軸交點。

因此現有失磁保護方案在VSPSU正常運行時存在可能誤動的情況，且在發生機側對稱失磁故障時拒絕動作，需要新的保護方案以應對VSPSU機側對稱失磁故障。另一方面，VSPSU在超同步發電工況下和亞同步電動工況下發生網側對稱失磁故障時只會造成直流電容環節電壓躍升，機組運行狀態并無變化，如圖4b所示，阻抗測量原理顯然無法發揮作用。由于各種工況下網側對稱失磁故障時直流電容電壓的跌落或躍升正是對轉子側功率交換通道破壞的反映，因此通過對直流電容電壓的檢測更適合判別網側對稱失磁故障，本文在3.3節中也將基于電容電壓構造網側對稱失磁故障保護方案。

3.2 基于下拋阻抗圓的機側對稱失磁故障保護

根據3.1節分析，VSPSU在發生機側對稱失磁故障后運行功率會立刻跌至靜穩邊界功率圓和異步運行功率圓的相切點處，該運行狀態點完全不處于VSPSU的正常運行范圍內，若對該點狀態進行檢測，便可判斷出VSPSU的機側對稱失磁故障。由于該點所反映的進相運行功率值與機端電壓有關，現實情況下，當電網無功儲備不足或VSPSU處于深度遲相運行狀態而發生機側對稱失磁時，電網電壓由于無功不足而跌落，失磁功率點也會發生右移。當電網本身無功功率過多或VSPSU處于深度進相運行狀態時，發生機側對稱失磁存在電網電壓升高的可能，即失磁功率點會發生左移。因此檢測失磁故障點時需保留一定的裕度，首先基于功率平面提出VSPSU對稱失磁功率圓，如圖6所示，解析表達式為

圖6 VSPSU運行功率平面中的對稱失磁功率圓

現有的發電機失磁保護裝置常采用機端測量阻抗的方法，為便于本方法的工程應用，進一步將功率圓判據轉換為阻抗圓判據。設功率圓方程為

將=cos，=sin代入式（16），并結合=cos/，=sin/進行化簡得到

對式（17）進一步化簡如下：

1）當2＞22，動作區在圓外。

2）當222，有

3）當2＜22，動作區在圓內

3.3 基于直流電壓的網側對稱失磁故障保護

根據2.3節的分析，發生網側對稱失磁故障的同時都伴隨著直流電容電壓的跌落或躍升，因此通過實時檢測直流電容電壓的變化可以構成對變速抽蓄機組網側對稱失磁故障的保護。

1）欠電壓保護判據

欠電壓保護主要用來保護VSPSU在亞同步發電工況及超同步電動工況下的網側對稱失磁故障，判據如式（22）所示，動作于機組緊急停機。

＜sat.L（22）

式中，為實測直流電容電壓；sat.L為欠電壓保護整定值，可取為直流電容正常運行電壓的80%。

2）過電壓保護判據

過電壓保護主要用來保護VSPSU在超同步發電工況及亞同步電動工況下的網側對稱失磁故障。由于在電網故障過渡過程中直流電壓可能會升高，過電壓保護應可靠躲過該種情況。同時為保證一定的靈敏度，可設置延時過電壓保護，判據如式（23）所示，動作于機組緊急停機。

延時過電壓保護為

＞sat.H&＞sat.H（23）

式中，sat.H為延時過電壓保護整定值，可取為正常運行電壓的1.1～1.3倍；sat.H為延時過電壓保護延時定值，電網故障最大時間約為150 ms，因此過電壓保護延時定值可設為200 ms。

為防止直流電容電壓瞬時過大對勵磁系統元件造成破壞，還應設置瞬時過電壓保護。其中瞬時過電壓Ⅰ段動作于機組緊急停機，瞬時過電壓Ⅱ段動作于機組緊急停機的同時，激活跨接器。

瞬時過電壓Ⅰ段保護

＞sat.I（24）

式中，sat.I為瞬時過電壓Ⅰ段定值，應與直流環節電容器最高永久額定值一致。

瞬時過電壓Ⅱ段保護

＞sat.II（25）

式中，sat.II為瞬時過電壓Ⅱ段定值，可按照直流環節電容器最高永久額定值的1.05倍整定。

本文所提出的VSPSU對稱失磁故障保護方案邏輯框圖如圖7所示。

圖7 VSPSU對稱失磁故障保護方案邏輯框圖

4 仿真分析與驗證

為驗證本文所提VSPSU對稱失磁保護方案的有效性，通過PSCAD/EMTDC搭建VSPUS仿真模型進行驗證。其中變速抽蓄機組及主變電氣參數見附錄。VSPSU的轉差率變化范圍為±7%。在VSPSU控制策略中，網側采用電網電壓定向矢量控制，機側采用定子磁鏈定向矢量控制，所采用的控制系統原理如圖8所示。此外，變速抽蓄機組機端經500 kV主變壓器和無窮大系統相連，網側變流器的無功給定值為零，即運行在單位功率因數狀態。

圖8 VSPSU控制系統原理

4.1 機側對稱失磁故障保護方法的有效性驗證

分別在VSPSU處于不同運行工況下進行失磁測試。設置發電、電動時的有功功率為0.8(pu)，令VSPSU功率因數為0.9，并給定無功功率值。圖9為VSPSU處于0.95(pu)轉速并在各種運行工況下發生機側對稱失磁故障后機端測量阻抗軌跡仿真結果。更多轉速情況下的VSPSU失磁保護動作結果見表1。

根據仿真軌跡圖，當VSPSU處于不同功率象限運行時，發生機側對稱失磁故障后機端測量阻抗軌跡均會由正常運行狀態點經過不同的運動軌跡迅速跌到失磁進相運行功率點附近。和前述分析一致，由于機側對稱失磁時往往伴隨著機端電壓跌落，失磁進相運行功率點所反映的測量阻抗往往不會穩定在靜穩邊界阻抗圓以及異步運行阻抗圓相切邊界上，而是往軸負方向移動，造成保護拒絕動作。另一方面可以看出，當VSPSU處于較深的進相運行狀態時，其機端測量阻抗點很容易進入靜穩邊界阻抗圓或異步運行阻抗圓范圍內，由于此時VSPSU處于正常穩定運行狀態，傳統失磁保護方案延時到達后即會發生誤動。本文所提出的下拋阻抗圓判據（圖9中的紅色圓），可以很好地覆蓋到失磁進相運行功率點，在VSPSU各種運行狀態下均能可靠動作，見表1。且所提下拋阻抗圓判據所反映的功率范圍并不會和VSPSU正常運行狀態交疊，因此在VSPSU正常運行狀態下不會發生誤動，所提方案具有良好的可靠性。

圖9 VSPSU各種工況下的失磁阻抗軌跡

表1 不同運行工況下VSPSU失磁保護動作結果

Tab.1 Action results of VSPSU loss of excitation protection under different operating conditions

為檢驗本方案在系統穩定振蕩情況下的可靠性，在變速抽蓄機組機端設置三相短路故障，持續時間0.1 s后切除故障以模擬系統的穩定振蕩，各種工況下的測量阻抗軌跡如圖10所示。通過仿真結果可知，無論變速抽蓄機組工作于何種工況，在系統穩定振蕩結束后機端測量阻抗軌跡都會回到初始穩定工況下的阻抗點，與實際情況相符。同時相比于傳統失磁阻抗保護方案，本文所提方案在系統振蕩時測量阻抗軌跡難以穿過，但是只能說明本保護方案比傳統阻抗保護方案抗振蕩能力更強，并不能排除在某些特殊振蕩情況下機端阻抗軌跡會穿過所提下拋阻抗圓。因此為保證保護方案的可靠性，需要加延時躲過系統穩定振蕩以不造成誤動事故的發生。

圖10 VSPSU在系統振蕩情況下的測量阻抗軌跡

4.2 網側對稱失磁故障保護方法的有效性驗證

基于式（8）所反映的VSPSU轉子側有功功率和定子側有功功率的關系，轉子側有功功率流向僅和轉子轉速模式及有功功率模式（發電、電動）相關，與無功功率模式（遲相、進相）無關。圖11所示為VSPSU在遲相運行狀態，不同轉速模式及有功模式下發生網側對稱失磁故障時保護的動作情況，進相運行狀態下仿真結果相同。

在VSPSU處于亞同步發電工況和超同步電動工況下，發生網側對稱失磁故障后直流電容電壓突然跌落，如圖11a和圖11d，當其電壓低于欠電壓保護動作值時，機組緊急停機。在VSPSU處于超同步發電工況和亞同步電動工況下，發生網側對稱失磁故障后直流電容電壓突然躍升，如圖11b和圖11c，當其電壓高于過電壓保護動作值時，過電壓保護啟動，延時0.2 s后動作于機組緊急停機。在過電壓保護啟動且電容電壓繼續躍升過程中，當達到制動斬波器動作值時制動斬波器會先進行動作放電，在機組緊急停機后將持續開放制動斬波器，由于定子不再向轉子輸送有功功率，此后電容電壓迅速下降。根據上述仿真結果，基于直流電容電壓檢測的保護方法可以有效地應對VSPSU的網側對稱失磁故障。

5 結論

本文對變速抽蓄機組的失磁故障特性及失磁保護進行了研究，針對VSPSU的對稱失磁故障提出保護方案并得到以下結論：

1）VSPSU在發生機側對稱失磁故障時運行功率會迅速跌到失磁進相運行功率點處，此時VSPSU不再受控，將從系統吸收大量無功功率。VSPSU在發生網側對稱失磁故障時，基于不同的轉子有功功率流向將有不同的失磁故障特點，但都會造成直流電容電壓的躍升或跌落。VSPSU發生對稱失磁故障會對電網及機組本身造成危害，需要配備失磁保護。

2）傳統基于靜穩邊界阻抗圓和異步運行阻抗圓的失磁保護方案在VSPSU中應用時存在誤動和拒動的情況，無法滿足VSPSU對失磁保護可靠性的要求。

3）針對VSPSU機側對稱失磁故障，基于VSPSU失磁后運行功率特點及與阻抗對應關系，提出了下拋阻抗圓判據；針對網側對稱失磁故障，基于直流電壓對轉子側功率交換通道破壞的反映特點提出了直流電壓判據。仿真結果表明，本文所提出的下拋阻抗圓判據和直流電壓判據可以有效地檢測出VSPSU在各種運行工況下的對稱失磁故障，滿足VSPSU對失磁保護可靠性的要求。

下一步工作將集中于VSPSU不對稱失磁的故障特性分析及針對性的保護方案研究。

附表1 變速抽蓄機組參數

App.Tab.1 Parameters of VSPSU

類別參數數值 額定參數額定容量SN/(MV·A)336 額定電壓UN/kV15.75 額定電流IN/A12 317 轉子慣性時間常數TJ/s9.46 定轉子變比0.414 直流電容電壓/kV7.5 電路參數主電抗xm3.49(pu)/2.576 Ω 定子繞組漏抗xσs0.139(pu)/0.103 Ω 轉子繞組漏抗0.189(pu)/0.139 Ω 定子電阻Rs0.0018(pu)/0.001 33 Ω 轉子電阻0.0018(pu)/0.001 33 Ω

附表2 主變壓器及500 kV系統參數

App.Tab.2 Parameters of the main transformer and 500 kV system

類別參數數值 主變壓器參數額定容量STN/(MV·A)360 額定電壓UTN/kV525/15.75 短路電壓百分比(%)18 系統參數（歸算到發電機容量）最大運行方式下系統等值電抗(pu)0.010 最小運行方式下系統等值電抗(pu)0.022

[1] 韓曉言, 丁理杰, 陳剛, 等. 梯級水光蓄互補聯合發電關鍵技術與研究展望[J]. 電工技術學報, 2020, 35(13): 2711-2722. Han Xiaoyan, Ding Lijie, Chen Gang, et al. Key technologies and research prospects for cascaded hydro-photovoltaic-pumped storage hybrid power generation system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2711-2722.

[2] 李濤, 胡維昊, 李堅, 等. 基于深度強化學習算法的光伏-抽蓄互補系統智能調度[J]. 電工技術學報, 2020, 35(13): 2757-2768. Li Tao, Hu Weihao, Li Jian, et al. Intelligent economic dispatch for PV-PHS integrated system: a deep reinforcement learning-based approach[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2757-2768.

[3] Alizadeh Bi M, Yang Weijia, Ahmadian A. DFIM versus synchronous machine for variable speed pumped storage hydropower plants: a comparative evaluation of technical performance[J]. Renewable Energy, 2020, 159: 72-86.

[4] Yang Weijia, Yang Jiandong. Advantage of variable-speed pumped storage plants for mitigating wind power variations: integrated modelling and performance assessment[J]. Applied Energy, 2019, 237: 720-732.

[5] 莊凱勛, 孫建軍, 丁理杰, 等. 提升雙饋變速抽水蓄能機組頻率響應特性的控制策略[J/OL]. 電工技術學報, 2023: 1-13. https://doi.org/10.19595/j.cnki. 1000-6753.tces.L10036. Zhuang Kaisun, Sun Jianjun, Ding Lijie, et al. A control strategy with improved frequency response characteristics of variable speed DFIM pumped storage[J/OL]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023: 1-13. https://doi.org/10.19595/j.cnki. 000-6753.tces.L10036.

[6] 沈全榮, 陳佳勝, 陳俊, 等. 基于導納特性的水輪發電機失磁保護新判據[J]. 電力自動化設備, 2017, 37(7): 220-223. Shen Quanrong, Chen Jiasheng, Chen Jun, et al. LOE protection criterion based on admittance characteristic for hydraulic generator[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(7): 220-223.

[7] 兀鵬越, 徐雷鈞, 王正元, 等. 基于導納測量原理的隱極發電機失磁保護應用[J]. 電力自動化設備, 2017, 37(5): 205-210. Wu Pengyue, Xu Leijun, Wang Zhengyuan, et al. Application of under-excitation protection based on admittance measurements in non-salient pole synchronous generator[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(5): 205-210.

[8] 王維儉. 發電機變壓器繼電保護應用[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[9] 林莉, 張向伍, 郭文宇, 等. 同步發電機失磁過程分析與保護方法研究[J]. 高電壓技術, 2014, 40(11): 3544-3553. Lin Li, Zhang Xiangwu, Guo Wenyu, et al. Analysis on loss-of-excitation process and research on protection method of synchronous generators[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(11): 3544-3553.

[10] 林莉, 牟道槐, 孫才新, 等. 同步發電機失磁保護的改進方案[J]. 電力系統自動化, 2007, 31(22): 88-93. Lin Li, Mou Daohuai, Sun Caixin, et al. Improvement on loss-of-excitation protection of synchronous generators[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(22): 88-93.

[11] 鹿偉, 王增平, 鄭濤, 等. 基于振蕩邊界圓的失磁保護新判據研究[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(3): 7-13. Lu Wei, Wang Zengping, Zheng Tao, et al. Research on a novel loss of excitation protection criterion based on impedance circle of oscillatory boundary[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(3): 7-13.

[12] 李哲, 季學軍, 王祖光. 基于發電機功率變化量的失磁保護輔助加速判據[J]. 電力系統自動化, 2008, 32(15): 54-56. Li Zhe, Ji Xuejun, Wang Zuguang. An auxiliary accelerated judgment method for loss of excitation protection based on generator power variation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(15): 54-56.

[13] Noroozi N, Alinejad-Beromi Y, Yaghobi H. Fast approach to detect generator loss of excitation based on reactive power variation[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2019, 13(4): 453-460.

[14] 隋佳音, 畢天姝, 薛安成, 等. 新型發電機失磁保護加速判據研究[J]. 電力系統保護與控制, 2010, 38(20): 69-73. Sui Jiayin, Bi Tianshu, Xue Ancheng, et al. Study on acceleration criterion of new generator loss-of-excitation protection[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(20): 69-73.

[15] Marchi P, Estevez P G, Messina F, et al. Loss of excitation detection in synchronous generators based on dynamic state estimation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2020, 35(3): 1606-1616.

[16] Noroozi N, Yaghobi H, Alinejad-Beromi Y. Analytical technique for synchronous generator loss-of-excitation protection[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2017, 11(9): 2222-2231.

[17] 劉超, 肖仕武. 基于測量阻抗變化軌跡智能識別的水輪發電機失磁保護[J]. 電工技術學報, 2023, 38(7): 1793-1807. Liu Chao, Xiao Shiwu. Loss of excitation protection of hydro generator based on intelligent identification of measured impedance change trajectory[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(7): 1793-1807

[18] Amraee T. Loss-of-field detection in synchronous generators using decision tree technique[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2013, 7(9): 943-954.

[19] 郭智琳, 郝亮亮, 曹虹, 等. 基于勵磁電流差異的調相機失磁保護方案[J]. 電力自動化設備, 2021, 41(12): 178-186. Guo Zhilin, Hao Liangliang, Cao Hong, et al. Excitation loss protection scheme based on excitation current difference for synchronous condenser[J]. Electric Power Automation Equipment, 2021, 41(12): 178-186.

[20] 周德貴. 發電機組作調相機運行的分析與實踐[J]. 四川電力技術, 2001, 24(3): 1-6, 9. Zhou Degui. Analysis and practice of the operation of the generator set as a camera[J]. Sichuan Electric Power Technology, 2001, 24(3): 1-6, 9.

[21] 曹虹, 周澤昕, 柳煥章, 等. 基于進相速率的調相機失磁保護研究[J]. 電網技術, 2020, 44(10): 4011-4019. Cao Hong, Zhou Zexin, Liu Huanzhang, et al. New field loss protection for synchronous condenser based on advancing velocity[J]. Power System Technology, 2020, 44(10): 4011-4019.

[22] 鄭作偉, 鄭玉平, 潘書燕, 等. 調相機失磁保護勵磁電壓判據性能分析與改進[J]. 電力系統自動化, 2020, 44(10): 174-179. Zheng Zuowei, Zheng Yuping, Pan Shuyan, et al. Performance analysis and improvement of excitation voltage criterion for loss of excitation protection of condenser[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(10): 174-179.

[23] Gonzalo A, Jesus L, Rodrlguez M A, 等. 雙饋感應電機在風力發電中的建模與控制[M]. 胡家兵, 遲永寧, 湯海雁, 譯. 北京: 機械工業出版社, 2014.

[24] 劉桂林, 宋瑋, 宋新立. 基于涉網保護的低勵限制、失磁保護與失步保護配合的研究[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(23): 107-112. Liu Guilin, Song Wei, Song Xinli. Research on coordination of low excitation limit, loss of excitation protection and out-of-step protection based on grid-related protection[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(23): 107-112.

[25] 鮮霄, 尋志偉, 周道軍. 大型汽輪發電機運行與無功控制[J]. 電工技術學報, 2015, 30(5): 98-105. Xian Xiao, Xun Zhiwei, Zhou Daojun. Operation and reactive power control of large turbine-generators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(5): 98-105.

[26] 賀儒飛. 定速與變速抽水蓄能機組功率特性分析對比[J]. 水電與抽水蓄能, 2021, 7(4): 51-55, 74. He Rufei. Analysis and comparison of power characteristics of fixed-speed and variable-speed pumped storage units[J]. Hydropower and Pumped Storage, 2021, 7(4): 51-55, 74.

[27] 施一峰, 閆偉, 梁廷婷, 等. 可變速抽水蓄能機組穩態運行特性研究[J]. 大電機技術, 2022(3): 14-20. Shi Yifeng, Yan Wei, Liang Tingting, et al. Research on stable operating characteristic of variable speed pumped storage unit[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2022(3): 14-20.

Study on Loss of Excitation Fault Analysis and Protection of Variable Speed Pumped Storage Units

Lu Qinghui1Yin Xianggen1Qiao Jian1Wang Yikai1Yin Xin2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. School of Electrical and Information Engineering Changsha University of Science & Technology Changsha 410114 China）

The excitation and control methods of variable speed pumped storage units (VSPSU) are complex and prone to the loss of excitation (LOE) fault. Therefore, it is very important to configure targeted protection to ensure its safe operation. Due to the special three-phase AC excitation method used in VSPSU, its LOE fault is quite different from that of conventional units. At present, the LOE protection scheme of the traditional DC excitation synchronous machine is relatively mature, but there are few studies on the LOE fault characteristics and LOE protection of the AC excitation doubly-fed machine, and a reliable protection scheme has not yet been formed. To ensure the safe operation of VSPSU, this paper analyzes the characteristics of the LOE fault of the VSPSU in detail and puts forward the corresponding LOE fault protection scheme on this basis.

Firstly, based on the difference analysis between the DC excitation system and the AC excitation system, the LOE fault of VSPSU is divided into two types: symmetrical LOE and asymmetrical LOE, and the research is mainly carried out on the symmetrical LOE. Secondly, the fault characteristics and fault hazards of VSPSU symmetrical LOE are analyzed from the point of view of the fault located on the machine side and the grid side, respectively, and the importance of configuring LOE protection for VSPSU is clarified. Then, the adaptability of the traditional LOE protection criterion based on impedance circle when applied in VSPSU is deduced and analyzed. Finally, based on the characteristics of the operating power of the VSPSU after LOE and the corresponding relationship with the impedance, the criterion of the downward throwing impedance circle is proposed for machine-side symmetrical LOE fault; based on the reflection characteristics of DC voltage on the damage of rotor-side power exchange channel, a DC voltage criterion for grid-side symmetrical LOE fault is proposed. The combination of the two forms a protection scheme against the symmetrical LOE fault of the VSPSU.

The research has the following conclusions: (1) When a symmetrical LOE fault occurs on the machine side, the operating power of the VSPSU will quickly drop to the operating power point of the LOE Leading Phase Operation. At this time, the VSPSU is no longer under control and will absorb a large amount of reactive power from the grid. When a symmetrical LOE fault occurs on the grid side, it will have different characteristics of the LOE fault based on different rotor active power flow directions, but all of them will cause the DC capacitor voltage to jump or drop. The symmetrical LOE fault of VSPSU will cause harm to the power grid and the unit itself, so it is necessary to be equipped with LOE protection. (2) The traditional LOE protection scheme based on a statically stable boundary impedance circle and asynchronous operation impedance circle has misoperation and refusal to operate when applied in VSPSU, which cannot meet the reliability requirements of VSPSU for LOE protection. (3) The PSCAD/EMTDC simulation results show that the proposed downward throwing impedance circle criterion and DC voltage criterion can effectively detect the symmetrical LOE fault of VSPSU under various operating conditions, and meet the reliability requirements of VSPSU for LOE protection.

Variable speed pumped storage units, AC excitation, loss of excitation fault, loss of excitation protection, protection reliability

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222376

TM312

國家自然科學基金（52007010）和中央高?；究蒲袠I務費專項（HUST: YCJJ202202020）資助項目。

2022-12-27

2023-03-24

盧慶輝 男，1999年生，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。E-mail：908581621@qq.com

尹項根 男，1954年生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統繼電保護。E-mail：xgyin@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫 蕾）