自并激勵磁系統在300MW汽輪機組的應用分析

新疆職業大學機械電子工程學院 梁海芳

1.引言

現代電力系統中300MW機組仍為電網的主力發電機組。發電機勵磁方式的選擇與系統穩定密切相關。現代同步發電機的勵磁系統，可分為勵磁機系統和自并勵磁系統，在河南裕東火電廠2×300MW機組采用自并勵磁系統。同步發電機裝上自動勵磁調節裝置的好處是取消了直流勵磁機，縮短了機組長度，減少了維護工作量；接線簡單，改善系統工作條件，反應速度快，加快系統電壓的恢復，有利于系統穩定。

2.自并激勵磁系統概述及功能

同步發電機勵磁有直流發電機供電、交流勵磁機經整流供電、靜止電源供電三種方式。由于靜態勵磁方式結構最簡單、所需設備造價低廉、運行維護方便，經現場運行實踐證明，已經遠比勵磁機勵磁方式操作起來簡單方便，故可廣泛使用。

勵磁功率取自發電機出口端，由接在發電機出口的勵磁變壓器供給，經過晶閘管整流裝置向發電機提供勵磁。勵磁系統主要由三部分組成：勵磁變壓器，可控硅整流裝置，自動電壓調節器(英文簡寫AVR)。其原理如圖1所示。

圖1 原理圖

AVR自動控制模式的基本功能是自動調節發電機機端電壓和無功功率。它將實際測量和設定值之間的差值經PID運算后去控制晶閘管觸發角。從而對發電機的端電壓進行調節，并達到恒定的目的。自動控制模式具有以下功能，如：

(1)設定值。

(2)設定發電機端電壓。

(3)可調無功電流補償。

(4)該產數用于保證電網中發電機的穩定并聯運行。

(5)可調有功電流補償。

(6)該參數用于補償主變到發電機之間電阻性電壓降。

(7)軟起勵。

(8)在發電機建壓時，平滑調節勵磁，防止發電機電壓超條。

(9)可調節PID控制器參數。

(10)可優化發電機動態性能。

(11)過勵限制器，可避免在過勵時的不必要停機，包括如下限制器：①帶有穩態和強勵限制的勵磁電流限制器；②避免過磁通的V/HZ限制；③過勵時的定子電流限制器。

(12)欠勵限制器，可避免在欠勵時的不必要停機，包括如下限制器：

①Q/P限制器；②最小勵磁電流限制器；③容性定子電流限制器；④功率回路監視保護功能；⑤過電流保護直流過電壓保護；⑥PT斷線監視；⑦AVR電源供應；⑧發電機滅磁和起勵

手動控制模式是在自動通道故障或維護時使用，通過勵磁電流調節器控制磁場電流。程序比較設定點和實際值，偏差送PI控制器。為了保證在自動和手動之間平穩切換，AVR提供了跟蹤控制功能。在雙通道中，備用通道總是跟蹤運行通道。同時每條手動均跟蹤自動。

3.自并激勵磁系統的優點

與其它勵磁系統相比，自并激勵磁系統具有很多優點：

(1)自并激勵磁系統為靜態勵磁系統，沒有同軸旋轉部件，運行可靠性高。

(2)調節速度快，可獲得很快的勵磁響應速度，在外部短路故障切除后，可加快系統電壓的恢復過程。因為沒有交流主勵磁機這一時滯環節，所以自并激勵磁系統是一種高起始的快速響應勵磁系統。

(3)自并勵從機端吸取勵磁能量，而機端電壓故自并輸出的勵磁電壓與機組轉速一次方成比例，當機組甩負荷時，與同軸系統相比，機組的過電壓要低些。自并勵系統抑制電壓超調能力比交流勵磁機勵磁系統優越。

(4)無勵磁機，運行可靠且可縮短主機長度，同時可減輕運行時的噪音。在電力系統中，機組軸系扭振的事故較多，造成大軸損壞。從事故統計中發現，大軸損壞都發生在發電機與主勵磁機之間。而自并激勵磁方式沒有同軸旋轉的主勵磁機和副勵磁機，因而軸系長度縮短，軸承數量減少。

(5)自并勵系統效率高，設備少，維護費少。

4.注意事項

(1)自并勵發電機對繼電保護的影響

圖2

為分析自并勵發電機對繼電保護的影響，首先就要觀察短路電流特別是三相短路電流的變化特點.為了說明問題，圖2所示出自并勵發電機三相短路電流的變化曲線，其中曲線1為自并勵發電機機端三相短路時短路電流的變化曲線；其中曲線2為常規勵磁方式下機端三相短路時短路電流的變化曲線.所謂常規勵磁方式主要是指直流勵磁機勵磁方式。由圖2可得到三相短路的變化特點如下。

自并勵發電機的三相短路電流沒有穩態分量，最后趨于零值(近端三相短路)，而常規勵磁發電機的三相短路電流有穩態分量。

發電機近端三相短路時，在短路初始一段時間內，自并勵發電機的短路電流衰減比常規勵磁發電機慢，但在后一段時間內，因無穩態短路電流分量，自并勵發電機的短路電流衰減比常規勵磁發電機快些。

就自并勵發電機來說，在升壓變壓器高壓側或離發電機再遠處，三相短路故障時，自并勵發電機短路電流衰減變慢。

根據自并勵發電機近端三相短路電流變化特點，容易看出，對快速動作的保護裝置來說(如差動保護)，是沒有影響的，但對發電機的后備保護裝置來說，因短路電流中無穩態分量，在后備保護動作前短路電流已衰減到動作值以下，使得后備保護不能可靠動作。為使后備保護可靠動作，比較通用的方法是采用過電流起動“記憶‘帶時延的低電壓保護。

當采用阻抗保護作發電機-變壓器組的后備保護時，因整定時限短(如0.5s)，將不受短路電流衰減的影響。因此，為了能對采用自并勵勵磁調節的發變組進行更完整的保護，應增設阻抗保護。

(2)使用地點

在電網振蕩中心的大型發電機不宜采用這種勵磁方式，一旦電網發生振蕩，機端電壓變動太大，甚至有可能降到零，使自并勵激磁系統不能正常工作，使大型發電機不能起到穩定電網的作用。

5.主要缺點

在發電機的近端發生三相短路故障且切除故障的時間較長時會失去強力功能，發電機的后備保護因需采取措施而顯得復雜。對電力系統暫態穩定的亞影響不如其他勵磁方式有利，因為電力系統發生三相短路故障時(在發電機近處)，機端電壓要大幅降低。但也容易解決，只要在發電機出線上增加一套變流器，再為變流器配置一套整流器，就可以增加強力功能。或者切斷故障，可立即恢復電壓。

6.結論

自并激勵磁系統優點遠大于不足，適宜在大容量火電機組上應用。總之，靜態勵磁系統作為一種新的技術在發電廠的應用，需要我們在實踐中不斷總結，使其能夠保證電網和發電機的穩定運行。

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