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发电机逆功率保护学习
发电机逆功率保护
发电机逆功率保护又称功率方向保护。一般而言，发电机的功率方向应该为由发电机流向母线，但是当发电机失磁或其他某种原因，发电机有可能变为电动机运行，即从系统中吸取有功功率。这就是逆功率。当逆功率达到一定值时，发电机的保护动作，或动作于发信号或动作于跳闸。
1、概述说明
并网运行的汽轮发电机，在汽轮机的主汽门关闭之后，便作为同步电动机运行：吸收有功功率而拖着汽轮机转动，可向系统发出无功功率。由于汽轮机主汽门已关闭，汽机尾部叶片与残留蒸汽产生摩擦而形成鼓风损耗，长期运行过热而损坏。燃气轮机和水轮机也主要是对原动机的损害。发电机逆功率保护主要保护汽轮机不受损害。
对汽轮机逆功率保护的整定计算，就是要确定该保护的动作功率Pdz及动作延时t。
1、动作功率Pdz的整定 汽轮发电机逆功率保护的动作功率可按下式计算：Pdz=(Krel*P1)/η Pdz-逆功率保护的动作功率 Krel-可靠系数，取0.8 P1-主汽门关闭后，汽轮机维持同步转速旋转所消耗的功率，该功率的大小除与汽轮机的结构及容量有关之外，还与汽轮发电机的主蒸汽系统的结构(管道结构及有无旁路管道等)有关，一般取额定功率的1.5~2% η-发电机拖动汽轮发电机旋转时的效率，取0.98~0.99 所以：Pdz≈(1.2~1.6%)PN PN-发电机的额定功率。 实际中，Pdz=可取1~1.5%PN。
2、动作延时发电机逆功率保护的动作延时，应按照汽轮发电机主汽门关闭后允许运行的时间来整定，该允许时间一般为10~15min。计算及运行实践表明，当汽轮机蒸汽系统有旁路管道时，允许运行时间还要长一些。 因此，若按照汽轮机主汽门关闭之后允许运行的时间来整定保护的动作延时，可取5~10min。动作后作用于解列灭磁。
另外，投运的大型汽轮发电机，多采用逆功率保护去启动程序跳闸回路，此时，动作时间通常取1~2s。 对于程控逆功率保护，由于动作时间短，在主汽门点闭后很短的时间内，由于汽轮机及发电机的惯性，实际逆功率可能很小，因此逆功率的定值不应大于1%PN。
2、原理介绍
当发电机出现逆功率(外部功率指向发电机，也就是发电机变成电动机工况)，逆功率保护动作断路器跳闸。需要采集三相电压和二相电流信号。
由于一次能源形态的不同，可以制成不同的发电机。利用水利资源和水轮机配合，可以制成水轮发电机;由于水库容量和水头落差高低不同，可以制成容量和转速各异的水轮发电机。利用煤、石油等资源，和锅炉，涡轮蒸汽机配合，可以制成汽轮发电机，这种发电机多为高速电机(3000rpm)。 此外还有利用太阳能、风能、原子能、地热、潮汐、生物能等能量的各类发电机。 此外，由于发电机工作原理不同又分作直流发电机，异步发电机和同步发电机。在广泛使用的大型发电机都是同步发电机。
何为逆功率?
众所周知，发电机的功率方向应该由发电机方向流向系统方向。但由于某种原因，当汽轮机失去原动力，而发电机出口开关又未能跳闸，则功率方向变为由系统流向发电机，即发电机变为电动机在运行。此时发电机从系统中吸取有功功率，此即为逆功率。
逆功率的危害
发电机逆功率保护是汽轮机由于某种原因导致主汽门关闭而失去原动力时，发电机变为电动机带动汽轮机旋转，汽轮机叶片在无蒸汽情况下高速旋转会引起鼓风摩擦，特别是在末级叶片可能会引起过热，导致转子叶片的损坏事故。
所以说逆功率保护实则是对汽轮机无蒸汽运行的保护。
发电机的程序逆功率保护
发电机程序逆功率保护主要是防止发电机在带有一定负荷的情况下，突然跳开发电机出口开关而汽轮机主汽门又未能全部关闭的情况。在此情况下，汽轮发电机组极易发生超速，甚至飞车。为避免此种情况，对于非短路故障的某些保护，动作信号发出后，先作用于关闭汽轮机主汽门，待发电机逆功率继电器动作后，与主汽门关闭的信号组成与门，经一短时限组成程序逆功率保护，动作作用于全停。
逆功率保护与程序逆功率保护的区别
逆功率保护是为了防止逆功率后，发电机变为电动机，带动汽轮机旋转，造成汽轮机的损坏。归根到底，是怕原动机动力不足，反被系统带着跑!
程序逆功率保护是为了防止发电机组突然解列后，主汽门未完全关闭，导致汽轮机超速，从而利用逆功率来规避。归根到底，是怕原动机动力太足导致机组超速!
所以说严格意义上来说，逆功率保护是发电机继电保护的一种，但主要是保护汽轮机。而程序逆功率保护不是一种保护而是为了实现程序跳闸而设置的动作过程，也叫程序跳闸，一般应用于停机方式。
关键的是逆功率只要定值达到就会跳闸，而程序逆功率除了定值达到，还要求汽机主汽门关闭，所以说在机组启动过程中并网瞬间，一定要避免逆功率动作。
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2020年燃煤发电必须深度减排，促进电力行业在“十四五”期间碳达峰
2020年新通过审批煤电总量同比增长231.6%，不利于建设低碳新型电力系统
2021年3月15日，中国政府首次正式提出“以新能源为主体的新型电力系统”的概念，具体包括要构建清洁低碳的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动。此举再次表明， 决策层高度重视“十四五”作为实现未来碳达峰、碳中和的关键期和窗口期。
"十三五"新核准144.8GW，
其中三成集中在2020年
然而，在建设新型电力系统的布局中，大量新近获得审批、即将规划投建的煤电项目很有可能减缓低碳转型的速度。国际环保组织绿色和平 统计，“十三五”期间（2016年-2020年）新核准总量为144.8吉瓦的燃煤发电机组，或将加固中国作为全球 的煤炭消费国的角色。据中国电力企业联合会（以下简称“中电联”）数据显示，截至2020年底，中国煤电装机容量高达1080吉瓦，占各类电源总装机容量的49.1%，而煤电发电量占总发电量的60.8%[1]。
绿色和平根据各省级审批部门公开信息数据[2]整理分析发现，2020年共计46.1吉瓦煤电项目通过了地方发展和改革委员会（以下简称”地方发改委”）的核准，是2019年获批总量的3.3倍。在“十三五”的收官之年，中国各省地方发改委新核准的煤电装机总量延续了2018年开始逆势迅猛上升的趋势，由2019年63.1%的同比增长比率，飙升至2020年231.6%的同比增长率。
2020年地方井喷式审批，
已有四成项目通过环评
新批煤电数量在“十三五”U型逆增，煤电风险预警后期松绑
2020年通过核准的煤电装机总量较之2019年井喷式攀升，约占“十三五”期间通过审批总装机量的三成。中电联和智库全球能源监测平台（Global Energy Monitor）的数据显示，2020年中国新增运行煤电机组占世界新增总量的约79.5%[3] [4] [5]，居世界 。
早在2016年，中国 发改委和 能源局为化解“十三五”期间煤电过剩风险，下发了《关于促进我国煤电有序发展的通知》等多份文件，要求建立煤电风险预警机制以约束煤电核准规模[6]。然而，在“十三五”后半期，即2019年至2020年，煤电项目核准再次出现”U型逆势上升”的趋势（图1）。2020年一年内新通过发改委核准的煤电装机总量为46.1吉瓦，占“十三五”期间通过发改委核准总和约31.9%。其“抢闸冲锋”的能源规划老思路，已经落后于中央政府在2020年9月庄重宣布的双碳目标。
自2016年开始， 能源局每年发布未来三年内的煤电规划建设风险预警，其中，预警结果为红色代表存在电力冗余，即该地区不允许新建煤电项目；橙色的地方，则需要慎重决策建设煤电项目（“十三五”期间煤电装机充裕度预警的地区数量详见图1）。
图1. 2016年至2020年通过发改委核准的煤电装机总量变化趋势以及 能源局在2016年至2020年每年发布的煤电装机充裕度预警为红色和橙色的地区数量变化。制图：绿色和平
中国已经正式迈入由高速度转向高质量发展的“十四五”建设工作，其中，能源行业能否成功完成绿色低碳转型，对于推动中国绿色低碳循环发展体系建设具有重要意义。中央政府近期首次提出了建设以新能源为主的新型电力系统，意味着传统煤电角色的革命性调整，因此，中央方针指引和地方实际贯彻对于煤电建设的控制十分关键，是扭转中国电力行业低碳转型的重要把手。
如果新批煤电在未来全部投建，将严重影响 气候目标早日达成
在2020年的第四季度，共有12个地方的发改委部门核准通过了总量为8.1吉瓦的煤电项目，占全国2020年通过总量的17.5%。其中，通过新建项目多的地方是湖北省、江苏省和贵州省，这些地方分别通过了2.7吉瓦，2.1吉瓦和1.3吉瓦的新项目（表1）。值得留意的是，在9月22日中国宣布3060目标后，地方政府未能采取果断措施停缓对高碳排放的煤电项目的核准。而严控新建煤电项目，将成为中国展现全球气候领导力的关键之举。
警惕富煤省份试图以煤电项目刺激经济，拖慢全国低碳转型进程
当前中国现有产业结构、能源消费仍以高碳为主。部分省份过度依赖煤电刺激经济的惯性思维，将深刻影响地方早日落实碳达峰的进程。在整个“十三五”期间，发改委新核准煤电装机总量 的地方都是内蒙古自治区（25.9吉瓦），陕西省（18.7吉瓦），和山东省（15.8吉瓦）等富煤地区[14]。经统计，中国的富煤地区（内蒙古自治区，陕西省，山东省，山西省和贵州省）在”十三五“期间新审批通过的煤电规模达76.4吉瓦，是全国审批通过总量的52.8%，其中核准通过多的是内蒙古自治区和陕西省，分别占富煤地区群核准总量的33.9%和24.4%左右。
在东部发达地区（重大经济发展区域京津冀、长三角和珠三角所覆盖的省份——北京市，天津市，河北省，上海市，江苏省，浙江省，安徽省和广东省）核准通过总量约为25.8吉瓦，是全国审批通过总量的17.8%，总体来说，“十三五”期间富煤地区通过的煤电总量是东部经济发达地区的3倍左右（表2）。
制图：绿色和平
地方是全国双碳目标的基本单位
富煤省份是控制碳排的木桶短板
绿色和平统计分析显示，在“十三五”期间富煤省份核准上马的煤电项目居多，这些地区的经济增长常年依赖煤炭，但是另一方面也严重制约了其能源结构向高比例可再生能源的转型，并将有可能对中国尽早实现双碳目标造成负面的影响。
根据 发改委于2021年初发布的《关于各地区2019年度能源消费总量和强度双控目标考核结果的公告》，“十三五”期间新核准煤电总量 的内蒙古自治区的双控目标考核结果为未完成等级，并被予以通报批评[15]。内蒙古在2015年至2019年间的能源消费总量增量高达“十三五”增量控制目标的184%，节能减排形势十分严峻[16]。
另外，在富煤省份中，陕西省属于大气污染防治重点区域，该省设立了2021年GDP6.5%以上的增速目标，如何做好经济增长和碳排强度控制的平衡是该地方政府需要重点关注的问题。
“十三五”期间及2020年单年核准通过煤电装机数量多的内蒙古自治区在2021年3月出台了《关于确保完成“十四五”能耗双控目标任务若干保障措施（征求意见稿）》，指导提出包含火电等高能耗产业需在“十四五”期间加快淘汰化解落后和过剩产能，并先行提出将单位GDP能耗下降3%，建立用能预算管理，严格控制能耗总量作为内蒙古自治区今年的年度目标[17]。可见，中央层面作出积极的气候承诺对地方开发高耗能产业具有很强的约束力。
地方省份是实现全国层面双碳目标的基本单位，而富煤省份是考验控制全国碳排总量的“木桶短板”，因此，富煤省份尤其需要考虑暂缓核准未建的煤电项目，对处于审批流程中的项目严格审查，并且在“十四五”期间停止核准通过新的煤电项目。
同样，东部沿海发达地区也未能作出停止新批煤电的表率。截至目前，北京市是早提出碳达峰目标的中国发达省市，其在《“十三五”时期节能降耗及应对气候变化规划》中提出“二氧化碳排放总量在2020年达到峰值并尽早达峰”的目标[18]。在东部经济发达地区中，尽管广东省在《广东省“十三五”控制温室气体排放工作实施方案的通知》中提出推动全省二氧化碳排放在全国率先达到峰值[19]，但是在“十三五”期间由省级发改委共核准了包括上大压小项目在内的6.54吉瓦燃煤机组，是新核准多煤电装机的东部沿海发达省份。
中国是 个承诺碳达峰的发展中 ，在尚未出台具体的碳达峰数值目标前提下，要在后30年走完发达 50-70年完成的里程非常艰巨。自双碳目标宣布以来，国际社会上的各方皆在关注中国目前在应对气候变化上采取的具体行动。
中国应该更快发展高比例可再生能源，尽快为煤电扩张踩下急刹车。中国作为世界上 的可再生能源发电设备生产者，可以充分利用技术优势为自身和其他 谋求更好的发展机遇，同时加强气候承诺的公信力，助力全球低碳能源转型。
煤电产能过剩已成共识，
能源转型要抓住达峰窗口期
截至2020年11月，中国各省的用电 负荷共计11.8亿千瓦[20] [21]，而火电装机达12.3亿千瓦[22]，已超过各省 负荷的总和，新增煤电将进一步激化存量过剩矛盾，并加大减排难度。与此同时，中国的可再生能源呈现出巨大的发展潜力。”十三五“期间，中国的风电和太阳能发电的发电装机容量年均增长分别为17.55%和35.00%，发电量年均增长分别为17.97%和40.77%[23]。
“十四五”期间，随着可再生能源逐步高比例接入电网以及煤电存量愈发冗余，煤电“基荷电源”的角色将逐步淡化，其定位应逐渐转向配合可再生能源灵活调整出力以保障平稳电力供给、以及配合尖峰负荷时段快速出力的辅助调节型电源。
考虑到煤电项目的运营时间较长，通常为30年，其造成的环境损失和经济损失将是长期的。在低碳转型的大背景下，新推进煤电上马将加大行业内竞争，将加剧产能过剩、边际效益愈发降低，增加资产搁置的风险。
政策建议：中国的燃煤发电必须深度减排，促进电力行业在“十四五”期间碳达峰
为避免实现碳达峰之前再次重现2020年“冲关抢闸，审批上马”的煤电核准热潮，绿色和平建议：
“十四五”能源规划的决策部门，需要高度警惕2020年大量煤电项目通过审批对中国3060目标进程的负面影响，在“十四五”能源规划中将煤电装机总量控制在11亿千瓦以内，加速电力体系的脱碳进程和尽早达峰。向国际社会展现中国迈出了将气候行动的决心落实到更具体政策的关键一步。
中央政府的气候愿景，需要各地方省份积极配合，因地制宜地研究各地能源战略重点和实施路径，而非增加经济和环境压力继续投建煤电上。 能源局作为《煤电规划建设风险预警》政策的制订方，应坚持统筹全国情况，尽快评估各省电力装机、用电负荷以及潜在的调峰资源的 情况，在即将发布的《2024年煤电规划建设风险预警》中，禁止各省进一步审批煤电项目，避免更多的煤电项目在“十四五”期间盲目开工建设。
地方发改委作为煤电项目的审批方，应仔细审视本地中长期电力系统的低碳转型问题，尽早为打造高比例可再生能源所需的灵活电力系统做准备。其中，各省应在“十四五”期间将重点放在存量，唤醒多元存量资源。利用“网-源-荷-储”等电力资源配套可再生能源高比例发电，提出实际行动方案以执行 发展改革委和 能源局关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见，提高中国气候承诺在国际上的公信力。
由东部发达地区引领尽快达成碳达峰碳中和目标，富煤地区更需要及时调整依赖天然资源发展的常态，以能源消费总量和碳排放总量目标倒逼产业转型，在形成新的经济增长点的同时加速公平淘汰传统高排放煤电产业。
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