火力發電廠發電機勵磁調節系統故障及對策研究

吳妮娜

（國能浙江北侖第一發電有限公司，浙江 杭州 315800）

0 引言

火力發電機最重要的組件是勵磁系統，其不僅影響電能生產的穩定性，也影響企業的健康成長［1-2］。本研究對火力發電廠發電機勵磁系統的常見故障進行剖析，為我國火力發電廠發電機勵磁系統的維修及維護提供參考。

1 勵磁控制系統

1.1 主要功能

在火力發電過程中，勵磁系統發揮著控制電壓、提高電力設備安全性及增強電力系統穩定性等作用［3］，其最重要的組成部分是勵磁功率單元及勵磁調節器。其中，勵磁功率單元是將勵磁電流輸送給發電機轉子，勵磁調節器則控制勵磁功率單元的輸出［4］。輸出功率一方面要結合實際的輸入信號，另一方面則基于具體的調節算法［5］。此外，勵磁系統還負責部分接口電路模塊的信號輸入及輸出。

1.2 基本結構

勵磁系統由勵磁變壓器、勵磁調節器、可控硅整流器和起勵滅磁單元組成［6］。勵磁電流調節、同步發電機端電壓等功能均由可控硅整流器來實現［7］。本研究以舟電4號機勵磁系統為例，介紹自并勵勵磁系統的結構（見圖1）。

2 調節和控制算法

2.1 PID調節及算法

PID調節器雖能通過減少比例來對系統的慣性時間常數加以控制，但在一定程度上會影響系統的穩定性。為了消除穩態誤差，火力發電廠采用微分調節的方式，通過放大調節的倍數比例，讓系統的穩定性得到提升。PID調節的具體值見式（1）。

式中：E（t）=Ug-UC，Ug、U C為電壓給定值和電壓測量值；Y（t）與Kp分別為控制輸出與比例系數；與消除靜態誤差相關的e（t）及Ki分別為機端的電壓偏差信號及積分常數；Kd為改善系統靜態誤差相關的微分常數；d為具體輸出量。

2.2 PSS電力系統穩定器

發電機閉環勵磁調節器處于穩定狀態時，發電機端的電壓反饋量顯示為負。一旦發生轉子功率角振動，轉子功率角的電流相位便會領先勵磁系統所提供的勵磁電流，而當該頻率達到限界時，將導致滯后角度超出180°。此時，系統將因轉子功率振蕩而產生“負阻尼”，而原本的反饋由負反饋轉變為正反饋。

圖2為PSS電路通用框圖，隔直電路中n=1或2。放大單元的輸入值可改善加速功率偏差（ΔPa）、頻率偏差（Δf）、轉速偏差（Δω）、電功率偏差（ΔPe）中的一個信號或幾個信號。V為速度，Tω為隔值環節時間常數，K為放大倍數，T1-T4為超前滯后環節的時間常數，R1、R2為半徑常數。

若使用PID調節器進行控制，并輔以發電機的電壓偏差信號進行調節勵磁，可改善發電機的靜態和動態穩定性。當發電機動態及靜態勵磁足夠穩定時，勵磁系統將提供超前相位輸入，從而對勵磁電流的滯后相位進行補償，最終達到解決負轉矩的效果。此外，因為PID調節系統控制電壓的形式是持續不斷地對電壓偏差進行調節，故系統并不能自主識別阻尼轉矩當前值是正或負，導致電壓調節無法估計阻尼轉矩為正值時的相位需求。對此，火力發電站在自動電壓調節的基礎上采用PSS電力系統穩定器，選擇轉速、功率及頻率偏差中的一種或兩種信號作為附加控制。

圖1 舟電4號機自并勵磁系統圖

舟電4號機勵磁系統采用南瑞科技生產的NES6100勵磁調節器，該調節器提供雙輸入型PSS2B模型及多頻段控制型PSS4B模型（IEEE Std.421）。

圖2 PSS電路的通用框圖

3 勵磁調節器

3.1 軟件系統

人機界面與監控程序是勵磁調節器系統的重要組成部分。其中，基于人機界面交互可對各項試驗數據及參數進行修改，監控負責調控整個發電勵磁系統。如圖3所示。

3.1.1 系統初始化。系統初始化是調節器在運行前對基礎系統程序進行配置，將計算機及接口模塊還原為初始狀態，系統根據所設置的具體值進行調節，當調節后的程序符合起勵要求時，系統便會進行控制狀態。

3.1.2 開中斷。調節器在滿足開機條件后會自動進入調節與控制狀態。此時，調節器將新增程序中斷功能。此外，在調用中斷程序執行中斷指令時，只用執行中斷主程序即可。當中斷程序執行完畢后，系統將再度返回主程序。

3.1.3 故障檢測設置。檢測程序不僅會檢測勵磁系統是否存在故障，也會判別出許多故障類型，如TV是否存在斷線、電源電壓是否穩定以及硬件檢測信號是否正常等。

3.1.4 終端顯示和微機接口命令。借助終端顯示器可隨時獲取發電機與調節器的運行狀況，通過微機的接口命令能實時寫出參數，并開展動態試驗。此外，在調解程序運行期間，主程序將循環執行接口命令，此時定時器也會產生中斷信號，并中斷當前正在執行的程序，之后是否繼續執行負載程序主要是由開關狀態而定。

3.1.5 控制調節程序?？刂普{節程序主要用于對判別程度加以限制，并對電壓調解程序進行檢查，檢查的內容包括發電機端電壓、PID計算、計算調差等。

3.2 限制流程

圖3 主程序示意圖

勵磁調節器搭載的各類限制器是為了限制勵磁系統運行時的各項數值，使其保持在合理的范圍，以免對系統的穩定性產生影響。如發電機空載V/F限制、滯相無功限制、無功限制及反時限強勵定值限制等。

3.2.1 低勵限制器。低勵限制用于限制同步發電機進相運行時的無功功率，防止深度進相造成發電機不穩定運行。低勵限制曲線由有功功率和對應的無功功率限制值組成，曲線形狀與發電機的定子電壓值有關，當發電機電壓變化時，限制曲線也隨之發生偏移。

3.2.2 過勵限制器。過勵限制器是在保證勵磁繞組不過熱的前提下，充分利用勵磁繞組短時過載的能力，盡可能在系統需要時提供無功功率，支持系統電壓恢復，即保證強勵能力。

3.2.3 勵磁電流限制器。勵磁電流限制器包括最大勵磁電流瞬時限制和負載最小勵磁電流限制。最大勵磁電流瞬時限制可設定三段勵磁電流限制值。當勵磁電流超過設定的限制值并持續到動作時間后，最大勵磁電流瞬時限制動作會把勵磁電流降至安全的數值。負載最小勵磁電流限制可避免機組深度進相導致失磁。該限制器為瞬時動作，要設定的參數為負載最小勵磁電流限制值。發電機進相運行時，勵磁電流將被限制在給定勵磁電流限制值以上。

3.2.4 V/Hz限制。發電機空載端電壓與所連磁通成正比，為避免發電機組和勵磁變壓器鐵芯發生過磁通飽和的現象，勵磁調節器設有V/Hz限制器。如果發電機機端電壓超過某一頻率的電壓限制值，在設定動作時間后，限制器將發出V/Hz限制動作信號，降低機端電壓給定值至當前頻率下的電壓限制值，同時發出增磁禁止信號。

3.3 自檢、自診斷功能

電機勵磁系統所具有的自檢與自診斷功能是在系統出現電源電壓低、電源消失及超出上下限等故障時發出故障信號，并進行備用通道切換。舟電4號機組勵磁系統NES6100具有功率柜同步電壓相序及相位檢測、發電機機端電壓相序及相位檢測等功能。

4 火電廠勵磁系統故障及應對方式

為保證火電機組穩定運行，當勵磁系統發生故障時，必須采取措施解除故障，否則將對電網運行和設備安全造成重大影響［10］。

4.1 發電機無法起壓故障處理措施

發電機勵磁系統發生故障極有可能導致發電機無法起壓，從而對發電機的穩定運行產生影響［11］。對此，維護人員先對勵磁線路的連線情況進行檢查，在確認勵磁線路連線正確的前提下，方可進行回路恢復。待回路恢復后，維護人員還要進行運行測試，確保發電機運行穩定。

4.2 發電機失磁故障處理措施

發電機失磁故障會降低電網電壓，從而對供電質量產生影響［12］。對此，為避免威脅用戶的用電安全，要及時處理失磁故障，并對故障設備進行停機處理，再將故障設備脫離出發電機組進行維護檢修，避免對其他機組的穩定運行產生影響。

4.3 汽輪發電機轉子兩點接地故障處理措施

汽輪發電機的轉子兩點接地故障具有較大的危害性。可采用以下兩種改善方式。一是加強日常的機組巡檢及維護，避免兩點接地故障發生。二是在發電機勵磁回路中安裝絕緣檢測裝置，確保在最短時間內處理好發電機接地現象，避免危害范圍進一步擴大。此外，為保障發電器設備的安全運行，并提升其作業的穩定性，要定期對發電機的轉子接地現狀進行評估。

5 結語

綜上所述，火力發電廠的發電機勵磁系統不僅關乎電能生產的穩定性，也將決定企業能否健康成長。因此，火力發電廠必須對發電機勵磁系統的維修及維護給予高度重視，采取合理的檢修處理措施來降低磁力系統的故障概率，以此方能維護企業的健康成長，繼而為我國社會經濟的穩定發展做出貢獻。