（电气工程专业论文）50mw汽轮发电机励磁系统故障分析及改造方案研究.pdf

华北电力大学工程硬士专业学位论文 摘要 本文对平顶山鸿翔公司5 0 m w 热电联产汽轮发电机励磁系统的故障进行系统分 析，发现直流励磁机励磁系统和模拟自并励励磁系统存在的各种问题。针对励磁控 制系统存在的主要问题，制订了励磁系统初步改造方案，并对其进行研究和论证， 明确了对励磁系统进行改造的必要性。利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对同步发电 机励磁系统进行建模和仿真分析，模拟了励磁系统部分运行工况，进一步考查励磁 系统各装置和系统配套设备的性能，完善了改造方案。通过对一台5 0 m w 热电联产 汽轮发电机组励磁系统成功进行技术改造，验证了改造方案的正确性。 关键字：汽轮发电机，励磁系统，技术改造，m a t l a b s i m u l i n k 仿真 a b s t r a c t n l ct h e s i sa n a l y s e dt h ef a u l t so fp i n g d i n g s h a nh o n g x i a n g5 0 m wc o g e n e r a t i o nt u r b i n e g e n e r a t o r se c i t a t i o ns y s t e m ，t h e nf o u n dt h ep r o b l e m sw h i c he x s i t e di nt h ed ce x e t e ra n d s e l f - s h u n te x c i t e re x e i l a t i o ns y s t e m a i m i n ga tt h ep r o b l e m si ne x c i t a t i o ns y s t e m , t h ep r i m a r y r e f o r ms c h e m em c l u d m gi t sr e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o nw a gp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e t h e m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t es o m et y p i c a lo p e r a t i o nc , a g oo fe x c i t i n g s y s t e m ，w h i c hv e r i f i e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee x c i t a t i o n s y s t e m a n di t s a c c e s s o r y e q u i p m e n t ，a n df l l r t h o rp e r f e c t e dt h er e f o r ms c h e m e a g a i n s ta5 0m wc o g e n e r a t i o nt u r b i n e g e n e r a t o r , t h et e c h n o l o g i c a lr e f o r mw a sc a r r i e do u ts u c c c s s f u | l ya n dt h ec o l t e c t n so ft h e r e f o r mw a sv a l i d a t e ds i m u l t a n e o u s l y c h e n y a o f e n g d i r e c t e d b y p r o f l u o c m g u k e yw o r d ：t u r b o - g e n e r a t o r e x c i t a t i o ns y s t e m t e d m o l o g i c a lr e f o r m m a t l a b l s i m u l i n k 妇u l a l i 0 1 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 同步发电机励磁系统在电力系统中的作用 电力系统正常运行或故障运行中，同步发电机励磁控制系统起着十分重要的作 用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，而且还可有效地提高电力 系统的性能指标，为电网提供优质的电能。根据整个电网的要求，励磁控制系统主 要承担如下任务“1 ： 电压控制； 无功功率的分配； 强行励磁功能； 改善电力系统的运行条件； 提高同步发电机并联运行的稳定性。 综上所述，励磁控制器( 装置) 是电厂中关键的控制设备，在电力系统中起着 十分重要作用。 1 2 同步发电机励磁控制器的发展 同步发电机励磁控制技术的发展和提高总是紧紧跟随着控制理论和电子技术 的发展，可以说励磁控制技术的每一次突破都是以控制理论的发展为契机的口1 ，励 磁控制器的更新换代和电子技术息息相关。同步发电机励磁控制研究长期以来是一 个非常活跃的领域，成为各种控制理论和方法的“试金石”1 。经过国内外众多学 者和科技工作者多年的擐索，励磁系统及其控制技术在理论和实践上，都已取得了 丰硕的成果；在将来，随着电网规模的不断扩大及其对安全稳定性水平要求的提高， 以及控制理论的推陈出新。都将推动这一领域研究的迅速发展。 1 2 1 励磁控制器经历的发展阶段 励磁控制器的控制规律研究一直是控制领域和电力系统一个极为活跃的课题。 控制理论及其应用水平提高和发展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，最 后达到全智能化方式，励磁控制也经历了与之完全相适应的发展过程。励磁控制方 式经历了几个发展阶段： 经典励磁控制阶段； 线性多变量控制阶段； 非线性多变量控制阶段。 以前由于网架十分薄弱，层次不清，因此十分强调励磁装置对改善电力系统暂 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 态稳定的作用。但近年来，各大区电网和各个省电网、电力输变电网架己得到根本 性的加强，在单一故障下已不存在暂态失稳问题。由于发电机组的励磁系统本身对 改善电力系统暂态稳定的作用是有限的，实践表明，就目前的技术和设备水平来说， 大型机组励磁控制器采用p i d + p s s 控制规律和全状态量反馈的线性最优励磁控制器 ( l o e c o ) ，小型机组励磁控制器采用p i d 控制规律，能够满足系统稳定的要求“1 。 1 2 2 我国汽轮发电机主要采用的励磁方式 在我国，励磁系统主要有以下几种励磁方式： 1 2 2 1 直流励磁机励磁系统 在电力系统发展初期，同步发电机的容量不大，励磁电流与发电机绕组同轴旋 转的直流发电机供给，即所谓直流励磁机系统嘲。如图1 i 所示。 图i 1 直流励磁机系统 早期的中小型汽轮发电机容量较小，所需的励磁容量也较小，用直流励磁机励 磁，结构较简单，操作也较方便0 1 。我厂# 1 、2 、3 、4 发电机就是采用的这种励磁 方式，直流励磁机是与主发电机同轴旋转，速度较高，受换向器( 整流予) 的限制， 容量不能做得太大，一般适用于i o o m w 以下的汽轮发电机“1 。 1 2 2 2 交流励磁机励磁系统 随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流子在换流方面 遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺又日益成熟“1 ，于是大容量机组的 励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机系统0 1 。 交流励磁机励磁系统又叫交流励磁机静止整流器励磁系统，通常称之为三机励 磁系统“”。所谓三机励磁系统是由发电机、主励磁机、副励磁机三者在同一轴上一 起旋转，整流装置和调节器( a v r ) 是静止的，和直流励磁机励磁系统一样需要配 滑环、碳刷、灭磁电阻和灭磁开关等部件。如图1 2 所示。励磁机是交流机没有换 向器，因此，励磁容量不会受其限制”1 。因有灭磁回路，当系统或发电机发生故 障时能尽快切除机组，减轻事故。它的灭磁时间较短，切机时间较快，对系统稳定 有好处，由于旋转部件较多，励磁系统发生故障的可能性也较多。轴系长、轴承座 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 较多，易引起机组振动超标。这种励磁方式原苏联的发电机采用较多，我国1 0 0 胂 及以上的汽轮发电机多数也是采用这种励磁方式“。 交滚副励戋机 交流威磁机交滴发电机 l j 图1 2 交流励磁机静止整流器励磁系统 1 2 2 3 交流励磁机带旋转整流器励磁系统 交流励磁机带旋转整流器即无刷励磁系统“”。它也属三机励磁范畴，但整流 装置和发电机、主励磁机、副励磁机在同一轴上旋转。如图1 3 所示。 旋转元件 图1 3 无刷励磁系统 无刷励磁系统的特点： 励磁机是没有换向器的交流发电机，励磁容量可不受其限制； 无碳刷、滑环、整流子等，因而不会有碳刷的冒火问题，运行维护方便； 不会产生碳粉和铜末，因而不会导致电机绕组绝缘污染而降低绝缘水平； 励磁回路中无灭磁装置，电机或系统发生事故跳闸后，电机靠自然灭磁，时 间相对较长； 无法直接测量和观察励磁电流和电压。 采用无刷励磁系统以美国西屋公司、日本三菱公司、德国西门子公司、法国阿 尔斯通公司居多。我国引进西屋技术生产的3 0 0 m w 和6 0 0 m w 发电机也是采用这种励 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 磁方式。 1 2 2 4 自并励励磁系统 自并励励磁系统又称静止励磁系统”1 。如图1 4 所示。这种励磁系统的特点是： f l q 图1 4 自并励励磁系统 无主、副励磁机，励磁电源取自发电机机端，经整流变压器及可控硅整流器 供给发电机励磁绕组励磁； 无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少； 励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快； 可以提供较大的励磁功率。 这种励磁方式国内外大中型水电机组都已普遍采用。3 0 0 m w 及以上大容量汽轮 发电机也在推广应用，如a b b 、日立、东芝等公司的6 0 0 m w 级汽轮发电机都是配备 这种励磁系统。加拿大新建大中型火电机组全部采用自并励系统“6 1 。英国也在推广 采用。在国内，大型水轮发电机上白并励励磁系统已成为主要励磁方式”，在 t o o m w - f o o i w 级汽轮发电机上也己积累了一定的运行经验。大型汽轮发电机上推荐 选用自并励励磁系统“”，我国目前大型汽轮发电机主要采用交流励磁机不可控整流 的三机励磁系统，工作可靠性低于自并励励磁系统，因此，采用自并励励磁系统及 对老机组进行励磁系统改造具有重要意义。 1 2 3 微机励磁控制器简介 励磁控制器经历了由磁放大器组成的电磁型控制器、模拟电子式励磁控制器发 展到现在普遍采用的微机励磁控制器等几个阶段，向着提高可靠性、提高响应速度、 适应复杂控制规律的方向发展。 模拟励磁控制系统，因其控制精度低、控制器参数整定复杂、运行故障率高、 控制系统的通用性、兼容性和扩展性差等原因逐渐被淘汰。近年来随着计算机控制 理论，微电子技术和计算机的发展，极大地推进了微机励磁控制器的研究与应用。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 同时，微机开始在电厂普及应用，利用微机构成的励磁控制系统，其控制装置硬件 结构简单、工作稳定，设备通用性好，且软件灵活性强，能够很方便实现多种功能 和满足各种控制规律的要求。装置的设计、安装、调试、维护、运行方便，容易与 其它设备接口组成更高层次的控制系统。 基于以上背景，工程上越来越倾向于应用数字电子技术来实现对现代励磁系统 的控制与保护功能。应强调的是，这些数字的励磁系统或自动励磁调节器并非只是 模拟装置的数字变型，而且提供了更加完善的控制功能。此外，在励磁系统中应用 数字控制也并非是今日的设想，对此可追溯到7 0 年代末期的一些专题论述。近年 来，由于数字技术的普遍推广应用和数字控制技术的飞跃发展，使得实现数字控制 励磁系统在技术上已成为可能。此外，优异的性能价格比和高度可靠性，也为数字 控制励磁系统奠定了有利的基础。在表i - i 中列出了数字式和模拟式a v r 特征的对 比1 ”。 表1 - i 数字式和模拟式a v r 的特征对比 性能数字式模拟式备注 以微处理机为核心的硬件及功率 使用i c 模拟控制部件以及功率 构成部分组成硬件系统 部件构成 量测及运算由软件进行数字控制 由软件扩展实现高功能化 增加硬件实现多功能化其他功能，如电 功能a v r 的功能及其他功能是分散调控制、程序控制 a v r 功能可以一体化或分散化 的等 数字式运算回路的特性经久无变 化 对检测运算部分的特性进行定 可易于实现多重化控制及高可靠性 期的检查是必要的 靠( 自诊断功能可检测故障及进行自 多重化在控制回路方面较复杂 性动切换) ( 自诊断故障检测较复杂) 由于多重化，除非全系统异常， 在运算回路中，故障部分相应 功能终止 否则其功能作用不会终止 对数字式a v r 维 跟踪及自诊断功能在特定点设定为确定各工作点，需对各部分跟踪功能失效时 护 比较容易特性进行检验 其数据经内存保 性 持并可调出 操作改变控制功能，由软件处理设定改善控制功能时必须改变硬件 性 值易于实现 及设定值，改动不方便 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3 微机励磁控制器在国内外运行情况 ( i ) 国外应用 近年来，微机自并励励磁系统已成为很多国家优先选用的主要励磁方式。 加拿大从7 0 年代开始新装机组主要采用微机自并励励磁系统“”，到1 9 9 1 年微机自 并励励磁发电机组的总容量已超过总装机容量的7 5 。英国近年来新装机组也全部 采用微机自并励励磁系统，最近并将一些早期安装的交流励磁机励磁改装为微机自 并励励磁，配备p s s ，以提高电力系统稳定性。 ( 2 ) 国内应用 汽轮发电机自并励励磁系统国内运行情况为：8 0 年代开始我国新装的大型水轮 发电机已普遍采用自并励励磁，但汽轮发电机仍以交流励磁机励磁为主。这一方面 因为早期大功率晶闸管整流装置在水轮发电机组上采用自并励励磁能否满足各种 运行方式的需要，还缺乏经验。但是目前进口和国产的大功率晶闸管整流装置运行 可靠。“捌，除个别机组在试运初期发生过一些问题外，在运行中没有发生过整流柜 事故。发生的一些事故均因a v r 柜元件过热损坏造成“订，统计数字表明微机自并励 励磁的可靠性高于模拟式自并励励磁装置。实际运行情况表明：电力系统短路事故 中，未发生因发电机采用自并励方式而使继电保护误动或发电机因电源电压降低而 失磁的事故。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 分析和研究平项山鸿翔公司5 0 m w 热电联产汽轮发电机励磁系统目前存在 的问题。 ( 2 ) 在综合分析大型汽轮发电机微机励磁调节器技术的基础上，研究5 0 m w 热 电联产机组励磁系统改造方案。 ( 3 ) 研究微机励磁调节器应用于5 0 m w 热电联产汽轮发电机励磁系统的可行 性。 ( 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对发电机励磁系统进行建模仿真，模拟 励磁系统的运行性能。 ( 5 ) 介绍5 0 m w 热电联产汽轮发电机励磁系统改造的相关效果。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章励磁调节器控制方式简介 2 1 励磁调节器的作用 励磁控制是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机 的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因数和电流等参数哺2 “2 ”。由于大型 机组的这些参数直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也 控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。 励磁控制的作用首先是维持同步发电机端电压为一稳定水平，因为发电机在正常工 作情况下，负载总在不断地变化着。”。而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数， 对同步发电机励磁磁场的反应作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降的作用也是 不一样的。要稳定同步发电机端电压，就必须根据负载的大小及性质随时调节同步发电 机的励磁电流”。显然，这一调节过程只有通过电压的自动调节装置才能实现。为了维 持发电机的端电压于某一给定水平，并保证较高的电压调节精度，电压偏差调节系数应 达到3 0 1 0 0 倍，即 k a i f = = 3 0 1 0 0 式中：a u 。一励磁变化量：u l i 一空载励磁电压：a u 广发电机端电压变化量： u ，f 一发电机额定端电压。 其次，发电机在额定电压附近运行是最经济的。如果发电机电压下降，则输出相同 功率所需的定子电流将增加，从而使损耗增加，经济性下降。 此外，维持发电机电压与提高电力系统稳定性方面的要求也是一致的。 有、无自动调节装置的同步发电机外特性如图2 1 所示。图中曲线1 为无自动励磁 调节装置同步发电机的外特性，曲线2 为有自动励磁调节装置同步发电机的外特性。 v u o = f f n 0 ： 。 l 蹦、： i i i i 图2 1 同步发电机外特性 华北电力大学工程硕士专业学位论文 当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统静 态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多 技术问题。两其中最重要的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定 性，但自动励磁的调节装置的出现使这一问题得到了圆满的解决1 。归纳起来，自动励 磁系统具有以下作用，在稳态运行时保持发电机在运行中电压的恒定；在并列运行时， 调节无功功率的分配；提高静稳限和输电线路的传输能力。在暂态过程中( 大干扰时) 抑制切负荷时的电压升高，提高暂态稳定性。 随着电力系统的发展和机组容量的不断增大，对发电机的励磁控制提出了更高的要 求。当励磁系统发生异常运行时，由励磁调节器的辅助控制单元通过信号综合放大单元 的竟比门将励磁系统的某些越限参数限制在允许范围内。励磁调节器的辅助控制单元， 对提高励磁系统的响应速度、提高电力系统的运行稳定性、保护发电机、变压器在安全 极限内运行均具有重要作用。现将励磁调节器的辅助控制功能简述如下： ( 1 ) 起励失败。起励命令下达后，8 秒内发电机没有成功建压，调节器即判断起 励失败，发出相应报警信号、切除起励电源。 ( 2 ) 逆变失败。停机或励磁切除命令下达后，1 0 秒内发电机机端电压没有成功下 降到1 5 额定值以下，调节器即判断逆变失败，随之自动跳磁场开关，通过磁场开关 和灭磁电阻吸收磁场能量来灭磁。 ( 3 ) 过压保护。磁场回路跨接转子过电压保护装置。该保护装置的核心器件为z n o 非线性电阻，一旦转子电路出现超过设定值的浪涌电压，保护装置启动。过电压保护动 作值整定为额定励磁电压的4 5 倍。 ( 4 ) 转子过流限制。发电机磁场回路电流限制保护。当1 。l i f 2 0 时，启动反 时限励磁电流保护；i f = - 2 0 时，顶值励磁电流限制动作，允许延时1 0 秒。 ( 5 ) 低励限制。调节器中的“低励限制”是当发电机进相运行时，用来防止励磁电 流过分减少致使发电机进入不稳定区运行导致失步限制器以预先整定的一低励限制线 为动作基准，超过该线则限制器输出一信号去增加发电机励磁电流，从而保证发电机稳 定运行。 ( 6 ) t v , 断线保护。当u i ( o 8 5 u 2 ，调节器判机端t v 断线，自动切换到备用通道自 动运行，如果备用通道也发生t v 断线，则切到恒电流方式运行。 ( 7 ) v h 限制。发电机及变压器在空载、甩负荷、机组启动期间，可能会出现电 压过高或频率过低的现象，二者均会使发电机和变压器的铁芯饱和而引起发热。 ( 8 ) 定子电流限制。当发电机定子电流超过1 1 倍额定值时，若发电机滞相运行， 则自动减磁；若发电机进相运行，则自动增磁 为提高电力系统运行稳定性，有四种控制方式可供选用。 n o e c 方式( 非线性最优，n o n l i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r 0 1 ) l o e c 方式( 线性最优控制，l i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r 0 1 ) 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 p s s 方式( 电力系统镇定器，p o w e rs y s t e ms t a b i i i z e r ) p i d 方式( 比倒、积分、微分，p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) 励磁调节器的性能指标：可控硅控制角a 分辨率为0 0 0 4 度码；a d 转换速率为 l o o k s t 调压范围为5 1 3 0 ；调压精度 0 5 ；移相范围1 0 1 5 0 度( 根据要求而 定) ；阶跃超调量小于2 0 ，振荡次数小于2 次，调节时间小于1 0 秒；电源适应性为 在供电电源在一3 0 ；+ 5 0 范围内波动时装置可以可靠运行；功率消耗小于3 0 0 w 。 2 2 励磁调节器的构成 无论是何种励磁调节器，其核心部分的构成都是很相似的。它由基本控制和辅 助控制两大部分组成。基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构 成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。辅助控制是为了满足发电机不 同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励 磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。 测量比较单元的作用是测量发电机的机端电压，综合无功调差信号后与给定的 基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用”。测量比较电路应具有 足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量准确、反应迅速、电路的时间常数 要小。测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动 态性能。 综合放大单元对测量单元输出的电压偏差信号起综合和放大的作用。为了得到 调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外， 有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号，最大、最小励 磁限制信号等。放大的作用是为了消除电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。 综合放大后的控制信号输出到移相触发单元 移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。移相触发环节根据输入 控制信号( u c ) 的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角d ，以控制晶闸管整流电 路的输出，从而调节发电机的励磁电流。为了使触发脉冲能可靠地工作，还需采用 脉冲放大环节。移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及控制器的执行 机构。 对于半导体励磁调节器，即通常所说的模拟式励磁调节器，以上三个基本单元 都是用模拟电路构成的。”。比如测量比较单元是由多相测量变压器，整流滤波电路 和比较整定等环节组成。综合放大和移相触发单元也是由运放、电阻电容、三极管 等半导体器件构成。 对于微机励磁调节器而言，其大部分功能都软件化了，即由软件实现。从硬件 角度看，微机励磁系统即是由微机控制器和受控对象( 发电机) 构成的微机工控系 统。就一般而言，微机工控系统由受控对象，传感器，执行机构和工业控制计算机 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 四个基本部分构成，如图2 2 所示。 回 圃 囤 图2 2 微机励磁调节器 传感器的作用是感知受控对象的状态，并将之转换成微处理机易于处理的电信 号：工业控制计算机是工控系统的核心，完成信号的采集，控制策略的计算及送出 相应的控制量；执行机构完成信号的转换及功率放大，以作用受控对象，改变受控 对象的固有特性，以满足各种性能指标的要求。电压互感器、电流互感器c t 及相 应的变换、隔离电路即是微机励磁的传感器部分，而脉冲放大、晶闸管整流电路则 是执行单元。 励磁调节器性能的好坏，直接关系着整个励磁系统的质量和可靠性“1 。为此， 我们采用成熟的集成电路元件为核心构成自并励励磁系统的调节器，与原来直流励 磁机所配用的机械型或电磁型自动励磁调节器相比较，由于微机励磁大部分功能均 由软件实现，微机励磁调节器与模拟励磁调节器相比较具有以下优点： ( 1 ) 结构简单、软件丰富、功能多、性能好、运行操作方便。 ( 2 ) 参数可在线整定，且不随时间而产生偏差、漂移，调试、维护简单。 ( 3 ) 灵活性大，针对不同的励磁系统，可只修改软件即能使用。 ( 4 ) 可实现复杂的控制规律运算而不增加结构的复杂性。 ( 5 ) 可以与上位机及电厂调度自动化联网。 另外调节器还应具有调节机端电压和实现并行机组间无功分配的功能，还要具 有完善的确保机组安全运行的过电流、过电压、低励、欠励、过励等综合保护功能。 2 3 励磁调节器的控制方式 2 3 1 古典励磁控制方式 从3 0 年代到5 0 年代，是古典控制理论从发展到成熟的阶段。它主要采用传递函数 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 进行控制系统的数学描述，其研究对象为线性定常系统。所用的数学工具主要是拉氏变 换和多项式代数。在古典控制理论的指导下，励磁控制首先从单机系统的分析和设计开 始，提出了按发电机端电压偏差调节的单输入一单输出的常规励磁控制方式，即比例调 节方式。由于比例调节方式不能很好满足大电力系统对抑制振荡，提高静态稳定极限电 压调节精度等方面要求，于是便发展到按发电机端电压偏差u 的比例一积分一微分的 p i d 调节方式。其传递函数为： 面u = 饭，+ 置。s ) 面1 传递函数中各增益k d 、k p 及k i 的合适数值范围可以运用古典控制理论中的频率响 应法或根轨迹法来确定。p i d 调节方式虽在一定程度上提高了稳态电压精度，却不能有 效地改善系统的动态品质与提高系统的稳定水平。尤其是快速励磁方式的采用会使电力 系统阻尼特性恶化，致使出现负阻尼的情况，使电力系统发生低频振荡，比例调节和 p i d 调节方式都无法发挥其良好的控制效果。按照微分几何控制理论设计的多变量p i d 励磁调节器通过局部量反馈来实现全局稳定控制的目的，对抑制系统振荡和提高暂态稳 定性发挥了作用，使得p i d 调节方式在多机系统中的应用得到发展o ”。 2 3 2 线性多变量励磁控制方式 随着现代控制理论和实践的发展，研究方法和使用工具得到了不断的改进。7 0 年 代，作为现代控制理论分支的状态空间法获得了迅速发展，建立了完整的控制系统状态 空间描述方法以及多维空闻中的算子理论。它的研究对象扩展到多输入一多输出的动态 系统，使用的数学工具的范围涉及到现代微分方程理论、泛函极值理论和线性代数等 与此同时，微电子技术和计算机控制技术的高速发展以及晶闸管快速励磁控制系统的广 泛应用，为高度智能化的微机励磁调节器应用于工业现场提供了先决条件。励磁控制对 电力系统稳定性的改善已经受到广泛重视，同时电力系统不断涌现的新问题，也促使了 励磁控制技术的进一步提高。 由于电力系统中总是存在着多机模式振荡问题，针对p s s 单频相位补偿方式的严 重不足，y u 等人根据线性最优控制理论提出发电机的最优励磁控制方式一线性最优励 磁控制器( l o e c ) ”从根本上解决了抑制系统多机模式振荡问题，取得了比p s s 单频相 位补偿技术更进一步的发展之后，大量文章围绕着状态模型，状态权选择以及工业实 现等问题进行了深人细致的研究。“”州。在国内，清华大学卢强教授等人建立和完善 了l o e c 的理论体系，并于1 9 8 4 年与天津电气传动研究所合作生产出我国第一台工业 l o e c 装置，安装于甘肃省碧1 ：3 水电厂1 0 0m w 的l 号水轮机上，取得了良好效果，标 志着线性最优励磁控制技术基本上已达到了工业应用阶段，这是励磁控制技术的一大进 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 展。近年来，多机电力系统中的分散最优励磁控制器的设计方法也得到了发展，如关联 重构法汹1 、完全分散化方法汹3 以及整体最优方法7 3 等。这些设计方法的不足之处在于 都未能充分考虑子系统之间关联作用的影响，因而难以达到最佳协调配合的目的。 2 3 3 非线性多变量励磁控制方式 建立在线性最优控制理论基础上的各种不同的励磁控制方式，其设计用的数学模 型都是系统在平衡点处线性化的常微分方程组。这种模型仅当电力系统运行在设计所选 的平衡点处遭受微小扰动时才是正确的。当系统的运行状态远离其设计平衡点时，控制 器输出将会带来较大误差。特别是在大干扰引起的暂态过程中，在某些情况下甚至可能 会起到相反的作用。基于线性化数学模型下的各种励磁控制方式都难以使励磁装置在机 电暂态过程中发挥出充分作用，其根本原因在于电力系统机电暂态过程中的稳定控制是 一个典型的非线性控制问题。要真实地反映系统的运行工况，充分发挥励磁控制在暂态 过程中的作用，励磁控制方式则必须以电力系统非线性控制模型为基础，使得控制问题 更加真实地贴近工程实际。近年来，非线性控制系统研究方法的逐步建立，促使非线性 励磁控制的研究方兴未艾，特别是针对一些特定非线性系统控制问题的研究( 如针对仿 射非线性系统的微分几何方法) 取得了令人瞩目的成就，已得出了非常丰富的分析结果 和独特的设计方法。 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章5 0 m w 汽轮发电机励磁系统常见故障分析 目前国内5 0 m w 汽轮发电机励磁系统在运行过程中出现的故障主要表现整流子 环火、滑环打火、轴振等几个方面。本文结合平项山鸿翔热电公司发电机组励磁系 统运行中出现的问题，简要介绍和分析了5 0 唧汽轮发电机励磁系统常见的故障。 3 1 滑环打火的原因分析 3 1 1 滑环的作用 滑环是发电机转子与外电路连接的滑动接触部件，它是转子绕组的引出端。直流电 从励磁机或励磁装置发出后，经灭磁开关、电刷、滑环后，进入转子。滑环是在发电机 转子轴上固定的，同电刷之间是相对滑动的，并还要通过较大的转子电流，因此它须要 较高的光洁度、硬度和一定的散热功能。 3 1 2 滑环打火的原因分析 1 ) 滑环的表面存在金属氧化膜，这层氧化膜在运行中保持着动态平衡。由于维护 不良或使用劣质电刷，造成滑环表面金属氧化膜损伤，使电刷跳动，形成接触不良产生 火花，火花进一步将滑环表面烧毛形成恶性循环。 2 ) 负极滑环由于长期在负极效应影响中，磨损比正极快，造成两极不平衡。 3 ) 并联电刷的电流分布不均匀，使得靠近发电机内侧的电刷电流密度较大，电刷 发热，也造成滑环打火。 4 ) 电刷打火的其他原因：电刷在刷盒里卡死；电刷振动异常；压簧型号选用错误； 滑环外圆偏心等等。 3 2 整流子环火理论分析 3 2 1 电磁原因 换向元件中电流随着时间变化的关系，分为直线换向、延迟换向和超越换向三 种情况。直线换向是一种最好的换向情况，合成电势为零，附加换向电流为零，电 刷不会发生火花。当工作在延迟换向时，则换向回路中的电抗电势增大，使得合成 电势大于i 临界值，而换向瞬间的后刷端接触电阻并不是无穷大( 换向器的接触并不 是良好的面接触，因此它的接触电阻不能简单地认为与面积成反比) ，于是换向电 流不为零，所以，当电刷从一个换向片向另一个换向片过度的瞬间，换向回路中存 在着一部分电磁能量，在换向回路断开的瞬间将在电刷的后刷端产生火花。如果电 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 机工作在严重的超越换向时，电刷的前刷端的电流密度很大，同时当电刷与换向片 刚开始接触时，只存在少数的点接触，因此，电刷与换向片之问的电压升高，能量 损耗增大，致使电刷前刷端过热而发生火花。 3 2 2 电位原因 励磁机在负载较大的情况下，气隙磁通密度的分布将发生较大的畸变，在电 枢绕组中将因切割合成的磁通密度较大，使相邻片间产生较大的片问电压，当片间 电压超过一定限度时，就会使片间空气击穿，产生火花。特别是当电机负载快速增 加时，电机将因换向极磁通不能立刻增加，而此时电机正处在严重的延迟换向时， 电刷的后刷端将产生强烈的打火。 3 2 3 化学原因 在长期良好运行的励磁机换向器表面，覆盖着特殊的深黄褐色的“膜”。其最 外层是由石墨、尘埃等沽敷形成的，这一层在运行中有着良好的润滑作用，减少了 电刷对换向片的磨损。其内层是氧化亚铜层，它的存在使换向回路有较大的电阻， 这些都有利于换向。运行中老的氧化亚铜层不断的被电刷磨损，而摩擦产生的热量 与空气中的氧、水分又共同促使换向片表面新的氧化层不断的产生，在这样的动态 平衡中，换向器将良好的工作。若维护不当，使换向器表面磨损大于氧化层再生速 度，良好的润滑与换向回路的电阻都将遭到破坏，则换向器表面将产生严重的火花。 3 2 4 机械原因 在实际工作中，抉向火花的产生有很大一部分是机械原因产生的，如：换向器 偏心；换向器表面粗糟；换向片间的云母突出；刷握与换向器表面之间间隙太小或 太大；刷秆沿换向器圆周分布不均匀；机组震动较大等等。 3 2 5 电刷原因 由于电刷因素致使打火的原因有：因管理不严，造成不同型号电刷混合使用； 电刷型号选用错误：电刷压簧压力过小：刷握与电刷的大小配合不好等啪。 以上是在理论基础上，各种原因单独作用时形成的打火，实际工作中打火一旦 产生，都将是由几种原因的综合形成所致，并且相互作用，加剧了打火现象的发展。 首先要分析励磁机产生打火的内外部环境因素，诸如：打火前后是否检修过；负荷 是否剧烈增减过；是否更换了电刷等等。在这么多因素中，要找出引起打火的根本 原因，予以彻底解决。 1 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 3 励磁机轴振分析 3 3 1 现象描述 平顶山鸿翔热电公司# 4 机组是上海汽轮机厂生产的c 5 0 9 0 1 0 1 型双水内冷 汽轮发电机组，于1 9 9 2 年1 0 月投运，至1 9 9 7 年8 月份之前，机组的轴瓦振动情 况良好，正常运行时，振动值均在0 0 3 m m 以下，启动通过临界转速各瓦振动值最 大不超过0 0 8 m m 。 自9 7 年8 月中旬，励磁机两轴承在运行中振动值突然增大，最大为0 1 2f i l m ， 转子冷却水温度、润滑油和负荷均未突变，机组打闸、停机，转速降至2 0 0 0 r m i n 以下时，振动值又会突然降至正常值，重新升速、并网带负荷，励磁机两轴承振动 正常。励磁机两轴承振动突发性增大的现象多次出现。 3 3 2 原因分析 励磁机的转子结构是三层套装结构。内层是黄铜质的冷却小管，中层是钢质的 转子结构轴，外层是紫铜质的整流子，整流子与转子问的结合靠两端的斜铁和螺母 压紧。运行中外层整流子与碳刷磨擦及线圈涡流产生热量，一部分经强制通风带走， 一部分传绘中阀层转子再传给内层传热管，经冷却水带走。由于转子的三层材质不 同，传热系数差异较大。一个偶然的因素( 如冷却水温度的降低、强制通风滤网的 堵塞等) 就会引起三层紧力消失。造成转子本身的质量在热状态下的不平衡从而引 发振动。三层结构中内层黄铜管与水直接接触起着关键性的作用。要消除振动必须 改变其材质，降低传热系数。后咨询生产厂家同类型产品中，此类情况多次出现。 建议厂家更换内冷水管，于9 8 年4 月新购一台励磁机( 内冷水管换为1 c r l 8 n i 9 t ) ， 换后运行至今再未发生过突发性振动。 3 4 励磁控制系统的故障分析 平顶山鸿翔热电公司建于7 0 年代，除# 5 机组采用模拟式自并励静止励磁系统 外，其他四台5 0 m w 机组采用直流励磁机励磁系统。# 5 机组励磁调节器随着运行周 期的增长，其励磁控制系统运行不稳定的现象逐渐暴露出来，主要表现在控制精度 低、控制器参数整定复杂、控制系统的通用性、兼容性和扩展性差。# 5 机组在近 年的运行过程中多次发生过转子电压振荡性摆动故障。本次改造正是针对# 5 机组 励磁控制系统存在的缺点，对其进行技术改造。 1 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 4 1 事件现象 2 0 0 3 年4 月1 6 日# 5 发电机运行状态为转子电压1 5 0 v 、静子电流2 8 0 0 h 、转子电流 3 9 0 h 、有功5 0 唧、无功2 6 l v a r ，转子电压在i o o v 与2 0 0 v 之间进行振荡性摆动，严重 影响发电机的安全稳定运行。 3 4 2 事件分析及处理 1 ) 将# 5 机与系统解列，拉开# 5 机励磁装置交直流刀闸，推上备用励磁机刀闸，由 备励带# 5 机运行，与系统并网发电。 经过查阅图纸、资料和实际的调整测试，确定为电阻参数不满足要求，集成运算放 大器有软故障等因素造成的。 2 ) 将群5 机励磁装置处于开环运行，进行事故分析调试。 ( 1 ) 对# 5 机励磁调节器的1 5 v 电源板、直流变送器、电压误差测量单元进行测 试，测试结果正常，此外对直流变送器变比测量时发现实测数据与调试说明书相差较大， 通过调整变送器中的可调电阻，使输出满足要求。 ( 2 ) 对# 5 机励磁调节器直流调节单元进行测试。 首先按图3 1 接线在直流变送器单元加入o 7 0 m h 变化的直流电流。 图3 1 直流变送器调试接线示意图 发现# 5 机励磁调节器直流调节单元的集成运算放大器在工作区有自激现象，通过 集成运算放大器测试仪进行测试，查出直流调节单元的参数已偏离厂家的设计参数，经 分析：由于# 5 机励磁装置已运行好几年，环境温度比较高，降低了集成运算放大器的 使用寿命，对集成运算放大器的元件进行更换，更换后经检查，集成运算放大器在工作 区内无任何自激现象。 然后在直流变送器的输入端加入对应3 0 的i 。( i 。为发电机空载励磁电流) 的直流 电压u ；，操作手动减磁按钮，直到伺服电机不动作为止，测i ) c r ( 直流调节单元) 单元 的输出电压u 。为一3 0 v ，不满足实际运行的数值一l ，5 v ，对i ) ( 3 1 1 单元中的( 电位电 阻) 进行调整，使u 。输出为一1 5 v 。 最后改变u 一使之对应1 1 0 的厶( i 。为发电机额定励磁电流) ，调手动电压给定电 华北电力大学工程硕士专业学位论文 位器于最大位置，测d c r 的输出电压为一5 v ，不满足实际运行值- - 4 v ，对d c r 单元中的 r 8 ( 电位电阻) 进行调整，使d c r 的输出为- - 4 v 。 3 ) 对# 5 机励磁装置进行闭环试验 对励磁调节器的相关单元更换了的元件后。在# 5 机励磁装置整流柜直流输出加一 模拟负载，进行闭环试验，接线见图3 2 ，并由运行人员进行监视。 - 2k o l牵 励磁调i 节薯 、 o 图3 2 # 5 机励磁装置闭环试验接线图 合上# 5 机励磁装置交流刀闸，励磁调节器为自动运行，调整给定电位器，使励磁 装置输出为2 2 0 v ，运行人员监视数据如表3 - 1 所示。 表3 - 1 运行监视数据 有功转子电转子电静子电就地电 时间无功( m v a r )摆动( v ) ( m w )压( v )流( a )压( k v )压( v ) 9 ：4 55 071 6 04 0 01 0 42 1 6o 1 0 ：4 54 8 81 6 04 0 01 0 42 2 0 0 5 1 1 ；4 5 4 881 6 04 0 01 0 42 0 4o 1 2 ：4 54 881 6 04 0 01 0 42 1 0o 5 1 3 ：4 55 061 5 54 0 0 1 0 4 2 0 8 o 1 4 ：4 54 81 31 6 04 0 01 0 42 0 8o 1 5 ：4 54 91 21 6 04 0 0l o 42 0 0o 1 6 ：4 55 01 01 6 04 0 0l o 42 0 4o 1 7 g 4 55 01 31 7 04 2 01 0 42 0 8o 5 1 8 ：4 54 81 61 6 04 0 01 0 52 0 60 5 1 9 ：4 55 0 1 41 6 04 0 01 0 52 0 0o 2 0 ：4 55 01 41 6 04 0 0l o 52 1 20 5 2 1 ：4 55 02 21 8 04 5 01 0 51 8 80 ，5 2 2 ：4 55 0 2 11 8 04 5 0 1 0 5 1 8 00 从中可看到，# 5 机励磁装置已具备正常运行的条件，将# 5 机励磁装置恢复运行， # 5 机转予电压运行状态稳定。 4 ) 结论 通过分析和调试，确定# 5 机转子电压摆动是由# 5 机励磁调节器直流调节板的集成运 算放大器老化原因造成的。老化的原因：、制造质量不过关；、现场环境温度高( 夏 天温度一般为5 0 6 0 。 5 ) 直流调节板集成运算放大器的老化引发的其他故障现象： 2 i 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 1 ) 2 0 0 4 年3 月# 5 机励磁调节器出现。手动”不能跟踪“自动”的现象； ( 2 ) 2 0 0 4 年8 月2 5 日# 5 机励磁装置出现误强励造成发电机过电压； ( 3 ) 在2 0 0 4 年1 0 月和2 0 0 5 年3 月、6 月频繁发生转子电压摆动的异常情况。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第四章励磁系统改造方案的仿真与实践 平顶山鸿翔热电# 5 机组是5 0 m w 热电联产机组，励磁系统为模拟式自并励。运 行过程中，由于该系统存在控制精度低、运行不稳定等问题，造成励磁系统运行不 正常，导致停机事故，直接威胁机组的安全运行，进行技术改造势在必行。本文参 照平顶山鸿翔热电公司# 5 发电机组的基本参数对5 0 m w 汽轮发电机励磁系统进行 了建模仿真，并对相应的改造方案进行了分析。 4 1 基于m a t i a b s i m u i j n k 的同步发电机静止励磁系统仿真 4 1 1m a t i a b 语言简介 m a t l a b 语言是一种面向科学和工程计算的高级语言，它是由美国n e w m e x i c o 大学的c 1 e v em o l e r 于1 9 8 0 年开始开发，并于1 9 8 4 年由c l e v e m o l e r 等人创立的 m a t h w o r k s 公司推出了第一个商业版本。m a t l a b 语言的最显著特点是其具有强大的 矩阵运算能力和完善的图形可视化功能。 长期以来。仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模 型建立以后，要设计一种算法