誤強勵時同步發電機新型疊加強勵勵磁系統的分析

趙+欣1+++劉念++黃大可++潘榮超++李順

摘 要：文章針對同步發電機新型疊加強勵勵磁系統的可行性，重點研究了誤強勵下，新型疊加強勵勵磁系統的強勵能力。在MATLAB中，建立了誤強勵下新型疊加強勵勵磁系統的仿真模型，并與傳統自并勵勵磁系統進行了對比分析，結果表明誤強勵下新型疊加強勵勵磁系統的強勵能力優于傳統自并勵勵磁系統。

關鍵詞：新型疊加強勵勵磁；傳統自并勵；誤強勵；過電壓

Abstract： In order to study the feasibility of the new superposition strong excitation system for the synchronous generator， this paper focuses on the ability of the strong excitation under the faulty forced excitation. In MATLAB，we build up one model of the new superposition strong excitation system， and compare to the traditional self-shunt excitation system. The simulation result shows the new superposition strong excitation system is better than the traditional under the faulty forced excitation.

Keywords： new superposition strong excitation； traditional self-shunt excitation； faulty forced exciation； faulty forced excitation

引言

勵磁系統是同步發電機中最為主要的組成結構，它不僅能直接影響勵磁電流的變化，對發電機的可靠運行以及電網的穩定具有重要影響[1-4]。而傳統的采用功率整流橋的自并勵勵磁系統，機端電壓下降的情況得到足夠的強勵勵磁電壓，晶閘管整流器將會承受較大的換相電壓[5]，在額定運行工況下，這種強勵方式的運行效率非常低下，隨著機組的容量不斷增大，此方式將會帶來更大的損耗。

長江電力有關專家就此開始研究了大型水電機組新型勵磁系統，新型勵磁系統相比傳統勵磁系統在安全、經濟、效率方面有了明顯提高[6-7]。由于此前已提出一種新型疊加強勵勵磁系統，且正常故障即機端電壓降低情況的強勵能力已有分析[8-9]。而誤強勵引起的超高機端電壓會嚴重危害發電機的安全運行[10-12]，造成嚴重的影響，因此勵磁系統承受誤強勵的能力尤為重要，而文獻[13]中對誤強勵時的新型疊加強勵勵磁系統已有簡單的分析，而本文通過疊加勵磁回路引入回調觸發信號，并在模擬不同誤強勵環境的情況下，對比分析傳統勵磁系統和新型疊加勵磁系統的勵磁電流、電壓尤其是對二者的諧波研究，來分析比較哪種勵磁方式在誤強勵下更為優越。

1 新型疊加強勵勵磁系統工作結構及原理

新型疊加強勵勵磁系統的結構如圖1所示，與傳統自并勵勵磁系統相較而言，在其基礎上將勵磁變壓器ZLB由兩相改為三相，并引入強勵變壓器QLB，通過電子開關K和勵磁變壓器ZLB第三繞組連接，將事故強勵部分采用疊加方式進行投入，并將不太常用的強勵功能轉為離線備用避免了原方式的主勵磁回路整流器深控換相電壓高的問題，將觸發角由70°～80°提高了50°左右甚至更小[14]。

圖1 新型疊加強勵勵磁系統的結構

Fig1 The structure of the new new superposition strong excitation system

發電機額定工況時，勵磁變壓器ZLB的二次繞組提供勵磁電，三次繞組側空載，主勵磁回路G1單獨運行，即強勵未投入運行，整個勵磁回路的工作回路與傳統自并勵勵磁回路一致。

發電機機組發生故障時，機端電壓降低，主勵磁回路G1運行使得電壓有一定幅度升高，同時疊加勵磁回路G2投入與原回路電壓進行疊加從而拉高機端電壓，此種方式在之前的研究中已得到證明不僅可以降低變壓器容量，提高勵磁變壓器的效率，還能解決整流器的深控問題。

當發電機機組機端電壓在正常范圍內運行，機組強行進行勵磁，致使機端電壓過高，這一強勵過程當屬異常強勵過程即誤強勵。值得注意的是，此時強勵變壓器QLB因強行投入運行，使得主勵磁回路G1和強勵磁回路G2疊加輸出勵磁電壓，使得機端電壓升高，將嚴重影響電網穩定。而本文將模擬誤強勵環境對此進行研究，進一步分析新型疊加強勵勵磁系統的優越性。

2 誤強勵時勵磁系統仿真分析

2.1 誤強勵時勵磁繞組電壓和電流

由于本文只針對勵磁系統的疊加進行研究，為了簡化分析，因此將發電機簡化為一恒定電壓源，將勵磁繞組簡化為R與L串聯，即不考慮發電機內部的電磁耦合，通過改變整流橋的觸發角來進行對勵磁系統的控制，仿真總時長為10s，前5s系統回路正常運行，5s時，主勵磁回路整流橋觸發角由60度降至較小于60的度數，疊加勵磁回路整流橋仍保持60度，即開始模擬系統出現誤強勵，此時主勵磁回路和疊加勵磁回路同時投入運行，使得勵磁電壓大幅度升高，同時7s時，疊加勵磁回路的整流橋開始進行調整至較大度數，進行回調作用。通過上述分析理論在MATLAB中構建的新型疊加強勵勵磁系統誤強勵回路與傳統自并勵勵磁系統誤強勵回路的仿真圖如圖2、圖3所示。仿真過程中，將主勵磁回路整流橋觸發角由60度分別降至30度、20度、10度，模擬不同的誤強勵環境仿真可得到勵磁繞組的勵磁電壓和勵磁電流。

圖3 誤強勵時傳統自并勵勵磁方式勵磁回路

Fig3 The circui of traditional self-shunt excitation excitation

under the faulty forced excitation

仿真得到的兩組勵磁繞組電壓和勵磁電流放在同一坐標系下進行對比分析，如圖4、圖5所示，可以看出發生無論發生大小不同的誤強勵磁時，在主勵磁回路無故障的情況下，新型疊加強勵勵磁系統和傳統勵磁系統因為強行勵磁使得勵磁電壓、勵磁電流均升高，均且能在另一個電壓、電流等級保持穩定，但不同的是，從勵磁電壓來看，如圖4所示，新型疊加勵磁系統的勵磁電壓在誤強勵后，由于疊加強勵勵磁回路有一個回調的信號作用，使得電壓升高后會出現一個回調，則其穩定狀態時的勵磁電壓和勵磁電流均比傳統自并勵勵磁方式小，即升高的幅度降低。勵磁電流也同樣如此。這說明新型疊加強勵勵磁系統在誤強勵時，由于具有疊加勵磁回路，且其有一定的回調作用，使得強勵發生后的穩態電壓，電流相比傳統自并勵勵磁系統更小，使電網的安全風險在一定范圍內降低，也進一步說明其承受誤強勵的能力優于傳統自并勵勵磁系統，這也是新型疊加強勵勵磁系統的優點之一。

框圖區局部放大：

圖4 不同誤強勵下勵磁繞組電流

Fig4 The excitation wingding current

2.2 誤強勵時勵磁繞組諧波分析

由于諧波引起的正弦電壓和電流的波形畸變已成為危害電能質量的主要原因之一[15-17]，因此可對傳統自并勵勵磁系統和新型疊加強勵勵磁系統誤強勵下的繞組電壓、電流進行諧波分析，選取圖中強勵角度為10度時的誤強勵情況為例，并把二個系統的諧波分析結果放在同一坐標下如圖6、圖7所示，來驗證誤強勵下哪個系統對電網的影響更小，更為優越。

同時將所得到的繞組諧波的數據進行處理，定義相對畸變率=傳統勵磁諧波占比/新型勵磁諧波占比（相同畸變次數下），若畸變率大于1，則說明傳統勵磁的某次諧波含量大于新型勵磁，反之亦然，如此則取11組數據進行如此處理后則得表1。

由上述圖6、7可直觀得出新型疊加系統的直流含量高于傳統勵磁，傳統自并勵勵磁系統的諧波含量曲線高于新型疊加強勵勵磁系統，進一步處理后由表1可知，在誤強勵的情況下，11組不同諧波頻率下的繞組電壓和繞組電流的相對畸變比均大于1，則進一步證明了傳統勵磁系統的各次諧波高于新型疊加勵磁系統，同時，繞組電壓的各次諧波相對畸變率均高于繞組電流，說明在誤強勵情況下，繞組電壓受到的影響較深。綜上可知，在誤強勵的情況下，新型疊加強勵勵磁系系統對諧波的抑制情況強于傳統自并勵勵磁系統，對電網影響較小，也進一步說明了新型疊加強勵勵磁系系統其承受誤強勵的能力優于傳統自并勵勵磁系統。

3 結束語

本文對傳統自并勵勵磁系統和新型疊加強勵勵磁系統在誤強勵情況下，對比分析了各自的勵磁能力，可知：

（1）不同誤強勵情況下，由于新型疊加強勵勵磁系統具有回調功能的疊加勵磁回路，使得回調穩定后的電壓、電流升高幅度均低于傳統自并勵勵磁系統，使得電網的安全風險在一定范圍內降低，說明其承受誤強勵的能力優于傳統自并勵勵磁系統。

（2）誤強勵時，新型疊加強勵勵磁系統繞組電壓、電流中的諧波含量低于傳統自并勵勵磁系統，抑制諧波的能力強于傳統自并勵勵磁系統。

（3）誤強勵時，新型疊加強勵勵磁系統中，繞組電壓的諧波畸變比大于繞組電流。

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作者簡介：趙欣（1992-），女，碩士研究生，主要從事大電機安全分析與監控。

劉念（1956-），男，博士，教授，主要從事大型發電機組的運行控制及電力設備狀態監測與故障診斷等方面的教學與研究。

黃大可（1956-），男，教授級高工，一級勵磁專家，長期從事水電廠勵磁技術的應用開發工作。

潘榮超（1987-），男，碩士研究生，主要從事電力設備狀態監測與故障診斷及勵磁技術等方面的研究。

李順（（1988-），男，碩士研究生，主要從事電力設備狀態監測與故障診斷及發電機勵磁方面的研究。