大型發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

0 引言

發(fā)電機勵磁是整個電網(wǎng)中的一個關鍵環(huán)節(jié)，由于大型電網(wǎng)的相互連接，導致了輸電能力的提高，以及高速勵瓷器的大量使用，給電力市場帶來了新的問題。如何提高勵磁調(diào)節(jié)器的功能和運行特性，是目前研究的一個主要途徑。本文主要介紹了某電廠二期工程（以下簡稱“GII”）電力系統(tǒng)的功能、性能指標和極限保護，并進行了詳細的分析和討論。

1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)功能及性能指標

1.1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)概況

G II型500MW機組采用AC勵磁同步晶閘管整流勵磁。該電源為750V的直流勵磁系統(tǒng)。捷克Zat公司生產(chǎn)的發(fā)電機和勵磁微型計算機。勵磁系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 勵磁系統(tǒng)結構示意圖

1.2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵

當電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時干擾時，電網(wǎng)的電壓會隨之降低，同時也會使并聯(lián)機組的電壓和速度降低，從而使其有功功率減小，從而增大了發(fā)電機的功角，當功角的速度超過了減速器的范圍時，就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。在這種情況下，勵磁裝置必須強制勵磁，增大勵磁電流，增大發(fā)電機的輸出電壓，增大有功的輸出，減小功角的增大，避免出現(xiàn)一次搖動失控。因此，在電網(wǎng)中采用強勵法來改善電網(wǎng)的瞬時穩(wěn)定性是十分必要的。同時，強激勵比越大，強激勵越強，對電網(wǎng)的安全運行越有利。通常，勵磁體系的強勵比是2倍，而強激勵的容許持續(xù)期不得少于10秒。大容量機組均采用高啟動激勵方式，其勵磁電壓的變化幅度在0.1秒以內(nèi)，而降低幅度在0.15秒以內(nèi)。強激勵運行狀態(tài)通常是指在低于設置的情況下運行的發(fā)生器末端的電壓。

該勵磁裝置具有2倍的勵磁能力，20秒的強激勵，0.1秒的勵磁脈沖，是一種高啟動激勵的勵磁方式。由于磁場強度增大，會導致勵磁系統(tǒng)的運行費用增大，對發(fā)電機的絕緣性能提出了更高的要求。勵磁裝置短期過載容量要比發(fā)電機的短周期過載容量要大，而強勵時刻則要受限于發(fā)電機的短周期超負載容量。勵磁裝置強勵時，當強勵時間超過20s時，強勵強度自動降低，以終止強勵，避免長期強勵對發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈造成損壞。

1.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

我國新投產(chǎn)的大中型機組需要配備PSS系統(tǒng)。PSS系統(tǒng)的主要技術指標為：測量時間常數(shù)在40ms以內(nèi)；系統(tǒng)輸出噪聲低于0.5%，可在線調(diào)整和存檔；PSS的功率限制和調(diào)節(jié)；可以實現(xiàn)手動或自動進給。PSS的整定效率試驗通常通過發(fā)電機的負荷階躍響應試驗來檢測。試驗方法是在勵磁調(diào)節(jié)器輸入端施加（1%至4%）電壓，觀察輸出功率（或電壓），判斷PSS各項指標是否合適。PSS的PSS輸入是三個參數(shù)，分別是：發(fā)生器頻率fE，有功功率P，以及發(fā)電機的勵磁電流If。

進行了一次負荷的階躍式干擾實驗，PSS不加料時的阻尼率為0.15左右。利用PSS的最佳設計參數(shù)，在PSS中進行相同的實驗，得到了系統(tǒng)振動的減振系數(shù)在0.4以上。PSS能有效地降低機器的振動。PSS鍵在規(guī)定下應該是可以進入的，但是當負載超過150兆瓦（30% Pn）時，PSS的作用是有效的。PSS在低壓狀態(tài)下會主動關閉，以避免在系統(tǒng)拋載過程中因PSS的影響而造成的過載。

1.4 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)

勵磁系統(tǒng)最基本的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓并保持發(fā)電機電壓不變。一個好的勵磁系統(tǒng)需要高調(diào)節(jié)精度、快速響應和穩(wěn)定調(diào)節(jié)，這對提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義。勵磁調(diào)節(jié)器不但要保證發(fā)電機的一端電壓穩(wěn)定，而且要有一個電壓調(diào)整裝置，這樣可以保證系統(tǒng)中的并聯(lián)機組的無功功率得到合理的分配。該方法涉及電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。因此，調(diào)節(jié)率整定值應由中調(diào)給出，最終由發(fā)變組調(diào)節(jié)特性試驗確定。發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)相關的勵磁系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。一般來說，發(fā)電機變壓器組的差動調(diào)節(jié)率約為8%，同一高壓系統(tǒng)中相同容量發(fā)電機組的差動調(diào)節(jié)速率也應相同。G II勵磁調(diào)節(jié)設備還使用電壓調(diào)節(jié)單元，通過調(diào)節(jié)相應的參數(shù)設置來調(diào)節(jié)發(fā)電機的調(diào)節(jié)率。根據(jù)電流調(diào)節(jié)參數(shù)設置，通過實驗確定發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)率為-6.6%。試驗期間，機組主變壓器壓力下降11.5%。因此，從高壓側(cè)來看，發(fā)變組電壓調(diào)節(jié)率為11.5%-6.6%=4.9%。

表1 發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)相關的勵磁系統(tǒng)參數(shù)

發(fā)電機正常運行時，勵磁調(diào)節(jié)器應采用“端電壓調(diào)節(jié)”。當調(diào)節(jié)器傳感器（收集發(fā)電機電壓、電流、有功功率、無功功率和功角等模擬量）發(fā)生故障時，系統(tǒng)將自動調(diào)整勵磁電流，使發(fā)電機在工作區(qū)域內(nèi)工作?！皠畲耪{(diào)整”模式僅在備用方案和發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)測試中才能采用，由于這種方法會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的限制和保護

2.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流限制

大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子材料利用率高，熱容量與銅損耗之比小，因此熱時間常數(shù)也低，定子和轉(zhuǎn)子的過載能力有限，以避免發(fā)電機轉(zhuǎn)子（定子）線圈因過電流而過熱，確保發(fā)電機的安全。G II級勵磁調(diào)整回路轉(zhuǎn)子的限流結構如式（1）所示：

式（1）中：t是允許的發(fā)電機轉(zhuǎn)子的過流；If是發(fā)電機的勵磁電流；Ifn為發(fā)電機轉(zhuǎn)子額定電流，其最大持續(xù)工作電流為1.032 Ifn，而發(fā)電機轉(zhuǎn)子的最大無延時電流為1.77 Ifn。當轉(zhuǎn)子限流工作后，轉(zhuǎn)子電流會自動下降到1.032 Ifn，而不能提高勵磁電流。轉(zhuǎn)子限流動作特性曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子電流限制動作特性曲線

2.2 發(fā)電機定子電流限制

發(fā)電機的定子限流模式與轉(zhuǎn)子限流模式基本上類似的情況，因此此處不再重復。在G II相勵磁系統(tǒng)中，定子限流特性的計算公式如式（2）所示：

式（2）中，T是發(fā)電機定子的允許過電流；It是發(fā)電機的定子電流；In是定子的額定電流，其最大連續(xù)工作電流為1.053英國安培，而定子的最大無延遲電流為3In。

定子電流限制后，發(fā)電機的無功功率將自動沿q=0方向運行，從而將定子電流限制在給定范圍內(nèi)。此時，定子電流不能有效增加。

定子電流的極限值應該符合發(fā)電機過負荷和過流保護。發(fā)電機的過載是由信號引起的，具有反向時間的特點，其定值較小，其與定子的限流曲線的對比如圖3所示。發(fā)電機過流保護的設定值是3.5英特，1秒延遲，在關機狀態(tài)下運行。

圖3 定子電流限制動作特性曲線及過負荷保護曲線

2.3 低勵限制

在發(fā)電機的前級，必須避免由于低勵磁電流導致發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性，或由于發(fā)電機端部的高磁密度導致發(fā)電機端部過熱。勵磁系統(tǒng)具有低勵磁約束功能。根據(jù)發(fā)電機的靜態(tài)極限和發(fā)電機末端的加熱極限計算運行曲線。但是，不得超過發(fā)電機制造商的PQ工作曲線。

當勵磁電流較少或無磁場時，首先啟動的是低激勵；當勵磁電流因調(diào)整器的異?；蛘咿D(zhuǎn)子回路的故障而持續(xù)降低時，通過失磁保護判定后的工作停止。

為了確保保護動作的精確性，必須在低勵磁和失磁保護之間留出充分的余量。

2.4 U/f限制

為了避免發(fā)電機變壓器鐵芯飽和導致鐵芯和繞組過熱，以及空載、甩負荷和啟動期間電壓升高或頻率下降導致勵磁電流過大。II相勵磁調(diào)節(jié)回路的G U/F限值設置如式（3）所示：

式（3）中：t是可容許的過磁力時間；U/f是單位/f在實際操作中的數(shù)值；（U/f）n是標稱的U/f值。最大持續(xù)操作U/f的最大值是1.051（U/f）n，該值稍高于發(fā)生器電壓極限設置（1.05Un）。U/f極限工作特征曲線顯U/f限位，可自動降低勵磁電流，并在規(guī)定范圍內(nèi)工作。U/F極限性能與發(fā)電機-變壓器組的過電壓保護相匹配，且早于發(fā)電機-變壓器單元的過電壓防護。發(fā)電機斷開期間，發(fā)電機變壓器組的過勵磁保護運行。

在此基礎上，將U/F極限特性曲線與發(fā)變組過勵磁保護特性曲線進行了比較。本文簡要討論了勵磁設備的一些主要限制措施。為確保勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，勵磁設備還設有其他限制和保護措施，如過電壓保護、發(fā)電機端電壓限制和勵磁調(diào)節(jié)器輸出限制。

3 GⅡ期勵磁系統(tǒng)運行及相關內(nèi)容介紹

3.1 勵磁裝置控制柜

勵磁設備的控制箱由GR001~GR006組成，共6臺。兩組PI穩(wěn)壓器安裝在GR001機箱中。GR002柜配置有勵磁機三相全控制整流裝置、勵磁機滅磁開關和勵磁機自勵恒電壓變壓器。GR003柜配有勵磁機交流端的過壓保護和副變壓器。GR004和GR005柜是兩臺三相全控制的發(fā)電機。GR006柜采用了發(fā)電機滅磁開關、滅磁電阻開關、直流過壓保護等功能。GR001機箱中的兩個控制器是8個插頭，A信道A01.000電源，A01.001微處理器，A01.002傳感器測量單元，A01.003-004為轉(zhuǎn)換單元，A01.005-007為邏輯輸入/輸出單元。B通道插入部件a01.100至a01.107具有類似的功能。

3.2 發(fā)電機啟勵及滅磁過程

例如，在自動模式中預先選擇一個頻道（類似于B頻道）。起動指令在額定轉(zhuǎn)速的97%以上有效。勵磁穩(wěn)壓器在收到START命令后，關閉觸點（GR002-F29），解除GR002-G01的晶閘管整流控制脈沖，調(diào)整器GR001-A01.003 A的A燈點亮。GR002-G01在輸出電壓達到50%時，使觸點（GR002-F29）斷開，GR004-G01-G06晶閘管的整流控制脈沖被解除，穩(wěn)壓器GR001-A01.002單元A的燈點亮。這時，勵磁系統(tǒng)正處于勵磁狀態(tài)。RUN燈在GR00-A01.000單位上閃爍。在發(fā)電機的輸出電壓達到100%時，可以進行同步安裝。這時的勵磁調(diào)節(jié)器采用“電壓平衡”的模式，即通過調(diào)整穩(wěn)壓器的電壓參數(shù)，使其與電網(wǎng)的電壓差一致，從而達到并網(wǎng)的目的。當發(fā)電機投入電網(wǎng)時，同步設備的功能馬上停止運轉(zhuǎn)。該調(diào)整器采用“無功調(diào)整”模式，將無功設置成Q=0，電壓設置為0?！癛UN”的燈光變成了平光源。此模式持續(xù)大約7秒。然后切換到“電壓調(diào)節(jié)”模式，按“+”和“-”鍵切換設定電壓。

收到停止命令后，勵磁調(diào)節(jié)器切換到“無功功率調(diào)節(jié)”模式，并將其設置為q=0。GR001-a01.000機組“運行”燈閃爍。發(fā)電機排成一行，以使逆變器和勵磁機退磁。

3.3 勵磁控制方式的選擇配合

GR001機柜測試鎖在正常工作狀態(tài)下退出。GR002機柜的F15（勵磁系統(tǒng)測試電源保險絲）接收GR003機柜的F06保險絲（勵磁系統(tǒng)電源保險絲）。勵磁控制模式為“自動”和“電壓調(diào)節(jié)”。

勵磁試驗：GR001柜試驗鎖到位，GR002柜F15投入安全運行，GR003柜F06退出安全運行。勵磁機通過“+”和“-”鍵調(diào)整晶閘管角度和勵磁電流。

發(fā)電機零啟動壓力：GR001柜加載試驗，GR002柜F15安全取出，GR003柜F06安全取出，采用“勵磁電流控制”模式，發(fā)電機勵磁電流通過“+”和“-”鍵調(diào)節(jié)，發(fā)電機手動零電壓上升試驗。

3.4 磁場源現(xiàn)場控制板

在現(xiàn)場控制箱GR001中，兩個插槽插入裝置均配有全手動微動開關。每個插頭上的指示燈詳細顯示勵磁系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。本手冊詳細描述了每個指標的狀態(tài)含義。勵磁調(diào)節(jié)器與遠程DCS之間的通信信號通過硬接線和通信實現(xiàn)。因為硬導線的快速傳送，所以DCS首先進行硬連接，而通訊信號卻沒有。通訊信號在硬接線出現(xiàn)故障時工作。信號、報警和狀態(tài)等其他參數(shù)僅通過通信與DCS通信。

GR001的控制室內(nèi)還有一個液晶顯示器（320x240）。您還可以在該面板上完成一些重要操作，如“啟動”和“停止”。主要用于顯示發(fā)電機和勵磁機的重要工作參數(shù)、勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障報警。主要包括：存儲和顯示2048條操作和故障記錄；現(xiàn)場與集中控制DCS之間的實時通信，包括信號狀態(tài)和內(nèi)容；設置15臺勵磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)（其他參數(shù)只能通過廠家現(xiàn)場調(diào)試軟件設置）；用于分析發(fā)電機緊急停機故障原因的視頻記錄和顯示。

4 結論

以某電廠二期捷克500MW機組勵磁控制為例，對大型機組勵磁控制進行了初步分析和研究。隨著控制理論、新設備、新技術的不斷發(fā)展，勵磁系統(tǒng)的性能將進一步提高，勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性將進一步提高。