大型發電機勵磁調節系統研究

0 引言

發電機勵磁是整個電網中的一個關鍵環節，由于大型電網的相互連接，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。如何提高勵磁調節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 發電機勵磁系統功能及性能指標

1.1 發電機勵磁系統概況

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。捷克Zat公司生產的發電機和勵磁微型計算機。勵磁系統結構如圖1所示。

圖1 勵磁系統結構示意圖

1.2 發電機勵磁系統的強勵

當電網出現瞬時干擾時，電網的電壓會隨之降低，同時也會使并聯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，就會出現失步現象。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，避免出現一次搖動失控。因此，在電網中采用強勵法來改善電網的瞬時穩定性是十分必要的。同時，強激勵比越大，強激勵越強，對電網的安全運行越有利。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，而降低幅度在0.15秒以內。強激勵運行狀態通常是指在低于設置的情況下運行的發生器末端的電壓。

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，會導致勵磁系統的運行費用增大，對發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電機的短周期過載容量要大，而強勵時刻則要受限于發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，避免長期強勵對發電機轉子線圈造成損壞。

1.3 電力系統穩定器

我國新投產的大中型機組需要配備PSS系統。PSS系統的主要技術指標為：測量時間常數在40ms以內；系統輸出噪聲低于0.5%，可在線調整和存檔；PSS的功率限制和調節；可以實現手動或自動進給。PSS的整定效率試驗通常通過發電機的負荷階躍響應試驗來檢測。試驗方法是在勵磁調節器輸入端施加（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，分別是：發生器頻率fE，有功功率P，以及發電機的勵磁電流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，在PSS中進行相同的實驗，得到了系統振動的減振系數在0.4以上。PSS能有效地降低機器的振動。PSS鍵在規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在低壓狀態下會主動關閉，以避免在系統拋載過程中因PSS的影響而造成的過載。

1.4 發電機勵磁系統的電壓調節

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

表1 發電機電壓調節相關的勵磁系統參數

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

2 發電機勵磁系統的限制和保護

2.1 發電機轉子電流限制

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

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

圖2 轉子電流限制動作特性曲線

2.2 發電機定子電流限制

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

式（2）中，T是發電機定子的允許過電流；It是發電機的定子電流；In是定子的額定電流，其最大連續工作電流為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。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電機過負荷和過流保護。發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。發電機過流保護的設定值是3.5英特，1秒延遲，在關機狀態下運行。

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

在發電機的前級，必須避免由于低勵磁電流導致發電機的靜態穩定性，或由于發電機端部的高磁密度導致發電機端部過熱。勵磁系統具有低勵磁約束功能。根據發電機的靜態極限和發電機末端的加熱極限計算運行曲線。但是，不得超過發電機制造商的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；當勵磁電流因調整器的異?；蛘咿D子回路的故障而持續降低時，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相勵磁調節回路的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在實際操作中的數值；（U/f）n是標稱的U/f值。最大持續操作U/f的最大值是1.051（U/f）n，該值稍高于發生器電壓極限設置（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，并在規定范圍內工作。U/F極限性能與發電機-變壓器組的過電壓保護相匹配，且早于發電機-變壓器單元的過電壓防護。發電機斷開期間，發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、發電機和電網的安全穩定運行，勵磁設備還設有其他限制和保護措施，如過電壓保護、發電機端電壓限制和勵磁調節器輸出限制。

3 GⅡ期勵磁系統運行及相關內容介紹

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電機。GR006柜采用了發電機滅磁開關、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）。起動指令在額定轉速的97%以上有效。勵磁穩壓器在收到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，穩壓器GR001-A01.002單元A的燈點亮。這時，勵磁系統正處于勵磁狀態。RUN燈在GR00-A01.000單位上閃爍。在發電機的輸出電壓達到100%時，可以進行同步安裝。這時的勵磁調節器采用“電壓平衡”的模式，即通過調整穩壓器的電壓參數，使其與電網的電壓差一致，從而達到并網的目的。當發電機投入電網時，同步設備的功能馬上停止運轉。該調整器采用“無功調整”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。此模式持續大約7秒。然后切換到“電壓調節”模式，按“+”和“-”鍵切換設定電壓。

收到停止命令后，勵磁調節器切換到“無功功率調節”模式，并將其設置為q=0。GR001-a01.000機組“運行”燈閃爍。發電機排成一行，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下退出。GR002機柜的F15（勵磁系統測試電源保險絲）接收GR003機柜的F06保險絲（勵磁系統電源保險絲）。勵磁控制模式為“自動”和“電壓調節”。

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“-”鍵調整晶閘管角度和勵磁電流。

發電機零啟動壓力：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，發電機勵磁電流通過“+”和“-”鍵調節，發電機手動零電壓上升試驗。

3.4 磁場源現場控制板

在現場控制箱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的當前工作狀態和故障狀態。本手冊詳細描述了每個指標的狀態含義。勵磁調節器與遠程DCS之間的通信信號通過硬接線和通信實現。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故障時工作。信號、報警和狀態等其他參數僅通過通信與DCS通信。

GR001的控制室內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”。主要用于顯示發電機和勵磁機的重要工作參數、勵磁系統的工作狀態和故障報警。主要包括：存儲和顯示2048條操作和故障記錄；現場與集中控制DCS之間的實時通信，包括信號狀態和內容；設置15臺勵磁調節器的參數（其他參數只能通過廠家現場調試軟件設置）；用于分析發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、新技術的不斷發展，勵磁系統的性能將進一步提高，勵磁系統穩定性和可靠性將進一步提高。