淺析同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

【摘要】作為同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)直接影響著發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行有重要的影響。隨著電力系統(tǒng)的并聯(lián)，電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定問題日益突出，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)愈來愈為人們所關(guān)注。文章從發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及基本原理入手，探討了發(fā)電機(jī)獲得勵(lì)磁電流的幾種方式，并對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，文章具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】同步發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；靜態(tài)穩(wěn)定性

1.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及基本原理

同步發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)值對(duì)其運(yùn)行特性有很大影響，而空載電動(dòng)勢(shì)則是勵(lì)磁電流函數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變同步發(fā)電機(jī)在統(tǒng)中的運(yùn)行特性。因此，控制同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制的重要內(nèi)容之一。

2.發(fā)電機(jī)獲得勵(lì)磁電流的幾種方式

2.1 直流發(fā)電機(jī)供電的勵(lì)磁方式

該勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)稱為直流勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸，軸上裝有滑環(huán)及固定電刷，勵(lì)磁繞組通過電刷和滑環(huán)獲得直流電流。這種勵(lì)磁方式的優(yōu)點(diǎn)是勵(lì)磁電流獨(dú)立，自用電消耗量少，工作可靠，是以往幾十年間發(fā)電機(jī)主要?jiǎng)?lì)磁方式，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較成熟。但其又勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護(hù)麻煩的缺點(diǎn)，故很少用在10MW以上的機(jī)組中。

2.2 交流勵(lì)磁機(jī)供電的勵(lì)磁方式

一些大容量發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流。勵(lì)磁機(jī)也與發(fā)電機(jī)同軸，輸出的交流電流經(jīng)過整流后供給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，該種勵(lì)磁方式屬他勵(lì)方式，又因?yàn)椴捎渺o止的整流裝置，稱其為他勵(lì)靜止勵(lì)磁，采用交流副勵(lì)磁機(jī)供給勵(lì)磁電流。交流副勵(lì)磁機(jī)為永磁機(jī)或自勵(lì)恒壓的交流發(fā)電機(jī)。

2.3 無勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式

該勵(lì)磁方式?jīng)]有專門的勵(lì)磁機(jī)，從發(fā)電機(jī)本身獲得勵(lì)磁電源，整流后供給發(fā)電機(jī)本身的勵(lì)磁，這種方式稱為自勵(lì)式靜止勵(lì)磁。

3.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù)

在同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行過程中，合理控制勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行，還能保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，提供合格的電能，同時(shí)，有效地提高系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)完成以下的任務(wù)。

3.1 電壓控制

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)維持機(jī)端電壓在給定水平。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化引起端電壓改變時(shí)，應(yīng)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作用下，勵(lì)磁系統(tǒng)將自動(dòng)地減小或增大勵(lì)磁電流，使機(jī)端電壓保持在額定值，且保證有一定的調(diào)壓精度。當(dāng)機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷情況時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)限制機(jī)端電壓，使其不過分升高。

勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行電壓控制時(shí)，采用調(diào)壓精度及發(fā)電機(jī)調(diào)壓靜差率兩個(gè)指標(biāo)衡量。其中，調(diào)壓精度是指，退出調(diào)差單元，投入自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，發(fā)電機(jī)負(fù)荷從零變化到功率額定值時(shí)，引起的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的最大變化，以發(fā)電機(jī)額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。調(diào)壓靜差率則定義為退出自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元，發(fā)電機(jī)負(fù)載從額定功率減小到零時(shí)機(jī)端電壓的變化率，由下式計(jì)算：

（1）

3.2 控制無功功率的分配

發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其輸出的有功由原動(dòng)機(jī)輸入的功率決定，而輸出的無功則與勵(lì)磁電流有關(guān)。發(fā)電機(jī)并入無窮大電網(wǎng)時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以改變輸出的無功。實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)并聯(lián)的母線不是無窮大母線，此時(shí)如果改變勵(lì)磁，不僅會(huì)改變輸出的無功，也會(huì)使影響發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，但一般而言，端電壓變化較小，而無功變化卻比較大。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一個(gè)重要功能應(yīng)該是保證并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)機(jī)組間合理的無功分配。

研究并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的無功合理分配問題時(shí)，常用指標(biāo)為發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率，即指投入自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元，給定電壓額定值，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為零，發(fā)電機(jī)的無功負(fù)載由零升高到額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓的變化率，通常用端電壓百分?jǐn)?shù)表示，由下式計(jì)算：

（2）

3.3 提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性

暫態(tài)穩(wěn)定性指電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后（如高壓輸電網(wǎng)發(fā)生短路，主要供電機(jī)組故障等），系統(tǒng)不失步，恢復(fù)到新的或保持原來運(yùn)行狀態(tài)的能力。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到干擾后（小干擾及大干擾），在自動(dòng)控制裝置的作用下，維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性的能力。

勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以有效地提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，而且在一定程度上改善暫態(tài)穩(wěn)定性（如提高強(qiáng)勵(lì)頂值倍數(shù)等），如圖2為調(diào)節(jié)勵(lì)磁對(duì)發(fā)電機(jī)輸出特性的影響。

3.4 提高繼電保護(hù)動(dòng)作的靈敏度

系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流較小，若此時(shí)發(fā)生短路故障，則短路電流較小，并隨時(shí)間衰減，可能導(dǎo)致帶時(shí)限的繼電保護(hù)無法正確工作。此時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，加大短路電流，提高繼電保護(hù)的動(dòng)作的靈敏度。

3.5 快速滅磁

發(fā)電機(jī)或單元接線的變壓器內(nèi)部故障時(shí)，要求發(fā)電機(jī)能快速滅磁，以降低故障所造成的損害。此外，機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷情況時(shí)，機(jī)端電壓會(huì)迅速升高，特別對(duì)于水輪機(jī)，其機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)較大，甩負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致可能會(huì)較嚴(yán)重的過速，進(jìn)而造成嚴(yán)重過壓，危及定子絕緣，也需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)有快速滅磁能力。

3.6 改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件

3.6.1 水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)行強(qiáng)行減磁

上文已提到，水輪發(fā)機(jī)調(diào)速裝置的慣性大，發(fā)電機(jī)因故甩負(fù)荷的時(shí)將超速導(dǎo)致危險(xiǎn)的過電壓，情況嚴(yán)重時(shí)電壓可以升高至危及定子絕緣的程度，此時(shí)，要求勵(lì)磁裝置進(jìn)行強(qiáng)行減磁，避免這種危險(xiǎn)過電壓的產(chǎn)生。

3.6.2 為發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行創(chuàng)造了條件

發(fā)電機(jī)因?yàn)楦鞣N原因失磁時(shí)，可以不退出運(yùn)行，但必須吸收大量無功功率轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行，此時(shí)會(huì)使系統(tǒng)電壓下降，如果系統(tǒng)內(nèi)其他正常運(yùn)行機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)，可以及時(shí)增加勵(lì)磁提供足夠無功，保持系統(tǒng)電壓，則失磁的發(fā)電機(jī)在允許時(shí)間內(nèi)便能以異步方式維持運(yùn)行，確保系統(tǒng)安全，利于機(jī)組熱力設(shè)備。

3.6.3 改善電機(jī)自啟動(dòng)條件

電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)降低，此時(shí)未切除的電動(dòng)機(jī)組會(huì)因此處于制動(dòng)狀態(tài)。切除短路故障以后，電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)，會(huì)吸收大量的無功功率，這樣一來會(huì)使系統(tǒng)電壓恢復(fù)過程變長(zhǎng)，可能會(huì)引起系統(tǒng)甩負(fù)荷。這種情況下，如果發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置可以進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，便能加速電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，有效地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件。

4.結(jié)語(yǔ)

近年來電力系統(tǒng)快速發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模的越來越大，日益擴(kuò)大的電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行提出了更高的要求。同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的一個(gè)核心元件，保證其穩(wěn)定安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)起著非常關(guān)鍵的作用，因此，對(duì)同步發(fā)電機(jī)以及其勵(lì)磁系統(tǒng)更深入的研究和探索具有非常重要并且緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]宋宇，任哲.提高同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性的措施[J].東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（02）.

[2]李家坤.同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式發(fā)展綜述[J].電力學(xué)報(bào)，2005（01）.

[3]湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：湖南人民出版社，1978.

[4]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：王燕（1986—），男，湖南郴州人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)及直流電源系統(tǒng)檢修工作。