（电力系统及其自动化专业论文）三峡机组励磁控制系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm o d e mi n t e r c o n n e c t e de l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，t h es y n c h r o n o u s g e n e r a t o r e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m sn e e dn o to n l yt om a i n t a i nt h el e v e lo f t h ev o l t a g ea tt h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rt e r m i n a l a n dd i s p o s er a t i o n a l l yt h er e a c t i v ep o w e ra m o n g p a r a l l e l c o n n e c t e ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s ，b u ta l s ot oi m p r o v et h ed y n a m i ca n d t r a n s i e n ts t a b i l i t i e so f t h ep o w e r s y s t e mt h r o u 曲i n c r e a s i n g t h ed a m p i n g n 【et h r e eg o r g e sp o w e rs t a t i o nw i l ia c ta sap i v o t a lr o l ei nt h en a t i o n a lp o w e r s y s t e m s oi ti s s i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h ee x c i t a t i o nc e n t r e ls y s t e mo fh u g es c a l e h y d r og e n e r a t o rf o r 出et h r e eg o r g e sp o w e rs t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ee m p h a s e so f s t u d y i n ga r et h ed e e x c i t a t i o ns y s t e m , o n eo ft h em a i np r o t e c t i o n so f t h eg e n e r a t o r , a n dt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e so ft h el i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o l l e r ( l o e c ) t h e m a i nw o r ki n c l u d e sf o l l o w i n g ： t h ep r i n c i p l e so ft h ed i f f e r e n td e - e x c i t a t i o n s y s t e m s a r e a n a l y z e d ，a n d t h e m a t h e m a t i cm o d e l sa r eb u i l t u n d e rh e a v yf i e l dc u r r e n ta n dl o wf i e l dc u r r e n t ，t h e s i m u l a t i o n so ft h ed e e x c i t a t i o n p r o j e c t s b a s e do nl i n e a rr e s i s t o ra n dn o n - l i n e a r r e s i s t o ra r ed o n e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ed e e x c i t a t i o n p r o j e c t f o u n d e do n n o n l i n e a rr e s i s t o ri sm o r es u i t a b l ef o rt h et h r e eg o r g e sh y 7 d r og e n e r a t o r t w ok i n d so f n o n 1 i n e a re l e m e n t s 、s i ca n dz n 0 ，a r ew i d e l yu s e di nd e e x c i t a t i o n s y s t e m s t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n f l y z e da n dc o m p a r e di nd e t a i l u n d e rd i f i e r e n t c r i t i c a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h ed e e x c i t a t i o np e r f o r m a n c e so ft h ep r o j e c t sb a s e do n t h et w ok i n d so fe l e m e n t sa r eo b s e r v e da n dc o m p a r e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e yc a na c h i e v et h ef i e l ds u p p r e s s i o nw e l lt h ep r o j e c tb a s e d o ns i cn o b 1 i n e a rr e s i s t o ri sr e c o m m e n d e di nt h ep a p e rf o ri t sa d v a n t a g e o u sa l lr o u n d p e r f o r m a n c e t h ea r co ft h ef i e l db r e a k e ri sd i s c u s s e d g r o u n d e do nt h es i m u l a t i o n so ft h e b e h a v i o ro ft h ea r c ，s o m es u g g e s t i o n sa b o u tt h ew i t h s t a n dv o l t a g ea n dt h eb r e a k i n g c a p a c i t yo f t h ee e l db r e a k e ra r ep r o p o s e d t h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g no ft h el o e ca r ea n a l y z e d , a n dt h ep e r f o r m a n c e s b e t w e e nt h el o e ca n dp i d + p s sa r ec o m p a r e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n so nt h et h r e e g o r g e sh y d r og e n e r a t o r t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h el o e cc a n p r o v i d e b e r e r p e r f o r m a n c e k e y w o r d ：t h r e eg o r g e s ，e x c i t a t i o nc o n t r o l ，d e e x c i t a t i o n ，a r c ，n o n - l i n e a rr e s i s t o r z n o ，s i c ，o p t i m a lc o n t r o l t ，。l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 问题的引出 1 绪论 。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性。它 一般由两部分构成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提 供直流励磁电流；第二部分是励磁调节器，它根据发电机的运行状态，自动调 节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的要求。 励磁系统和它的控制对象同步发电机，共同组成的反馈控制系统，就 称为励磁控制系统。1 。通常用它来分析励磁系统的性能。 励磁系统的主要任务是向发电机的励磁绕组提供一个可调节的直流电流， 以满足发电机正常运行和电力系统安全运行的需要。不论是在稳态运行还是在 暂态运行，励磁系统都在很大程度上决定了同步发电机的运行性能。对发电机 的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及其互联电力系统运行的可靠性、 安全性和稳定性，而且可以提高发电机及电力系统的技术经济指标。 在现代互联电力系统中，同步发电机励磁系统，不仅要供给发电机必需的 励磁，以维持发电机机端电压在给定水平和控制并列运行机组间的无功分配， 而且还要负责提高和改善同步发电机并联运行的稳定性，其重要性不言而喻。 因此，励磁系统一直是人们重点研究的对象。从最初的由专门的直流发电机充 当励磁机提供励磁发展到现在由可控整流桥提供励磁，同步发电机励磁系统发 生了巨大的变化。 现代同步发电机的励磁系统虽然种类很多，但从供电方式上来看，基本上 可以分为两类。1 ：一是能源取自主机轴端的交流励磁机式的他励系统，二是能源 取自主机端的纯静止式自励整流励磁系统。他励励磁系统在汽轮发电机上得到 了较为广泛应用，而自励励磁系统中的自并励则多用于水轮发电机。国内外的 许多大中小型水电站的发电机组，如大古力、伊泰普、二滩等，都采用了自并 励励磁系统。即将建成的三峡水电站的特大型机组，也将采用这种励磁系统。 现代自并励励磁系统从设备组成来看可以大致分为四大部分：励磁变压器、 可控功率整流器、灭磁及过电压保护、励磁调节器。励磁变压器和可控功率整 1 ，i 建数建 华中科技大学硕士学位论文 流器组成了励磁系统的功率单元，负责提供励磁电流。灭磁及过电压保护是发 电机励磁系统的主要保护，其中灭磁保护则是限制发电机内部故障扩大的唯一 保护“。励磁调节器则很大程度上决定了整个励磁系统的静态和动态特性。可以 说，同步发电机能否安全可靠灭磁，以及励磁调节器的性能如何，不仅关系到 励磁系统本身的安全和性能，而且直接关系到整个电力系统运行的安全和性能。 大量的现场调研表明“。1 ，励磁系统的故障往往出现在励磁系统的灭磁保护 部分，并进而引起其它励磁单元故障。近几年来，国内发生的许多起励磁装置 事故，很大一部分是由灭磁装置故障所引起的。因此，选择一套有效而可靠的 灭磁装置对发电机的安全可靠运行是必需的“1 。 文献 1 0 1 2 则表明，选择合适的励磁控制装置，能够提高发电机运行的稳 定性和改善系统运行性能指标。 众所周知，三峡水电站及其输电网的建设是个举世瞩目的宏伟工程。三 峡水电站单机容量为7 0 0 m w ( 实际设计容量为8 4 0 姗) ，共2 6 台机，总装机容量 为1 8 2 0 0 m w ，2 0 1 0 年全部建成投产。建成后的三峡电力系统将包括三峡水电站、 华中电网、华东电网和四f f 电网。因此，三峡电力系统在全国电网中将占据一 个举足轻重的位置。 正因如此，三峡机组采用什么样的灭磁保护才能有效地保护机组和系统安 全，采用什么样的励磁控制方式可以可靠而有效地提高机组的稳定运行极限和 改善系统的稳定性能等问题被人们所普遍关注。 本文在国家九五重大科技项目( 攻关) 计划“三峡水利枢纽工程成套设备” 子题“三峡水轮发电机组励磁系统控制方式的研究”( 合同编号： 9 7 3 1 2 - 0 1 - 1 卜l b ) 的资助下，对三峡电站特大型水轮发电机组的灭磁系统进行 了深入研究，为三峡机组灭磁方案的选型提供了理论依据。同时，本文对线性 最优励磁控制在三峡机组上的控制效果进行了初步探讨，对基于现代控制理论 的励磁控制方式在特大型机组上的应用问题提出了作者自己的看法和建议。 1 2 同步发电机灭磁技术的发展和现状 灭磁保护是同步发电机励磁控制系统的主要保护之一。当发电机发生内部 故障如定子接地、匝间短路、定子相间短路等，以及发电机一变压器组中发 2 华中科技大学硕士学位论文 生变压器短路时，都必须进行快速灭磁，以防止事故扩大。在快速灭磁过程中， 灭磁系统主要完成切断励磁电源和消除励磁绕组磁场储能两大任务。由于励磁 绕组具有比较大的电感，所以在切断励磁电源的过程中不可避免地产生过电压。 因此，在灭磁过程中，灭磁系统在迅速地吸收掉同步发电机励磁绕组中储存的 能量的同时，还必须限制励磁绕组两端的过电压幅值。纵观灭磁系统的发展历 史，灭磁技术主要是围绕着如何提高灭磁速度和限制灭磁过电压等问题来进行 的。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，发电机组单机容量较小，转子电流小，转子励磁绕组 中的磁场储能少，灭磁保护大多采用减磁灭磁技术“。减磁电阻串接在励磁回 路中，需要灭磁时，增大电阻阻值减磁，然后分断开关。后来，随着单机容量 扩大，在一些大型机组上( 如1 0 0 m w 2 0 0 删机组) 采用了磁场开关串联灭磁技 术“”1 “。灭磁保护时，磁场开关既断流又消能，而过电压保护多采用线性电阻 跨接器或s i c 串联放电间隙。 随着机组容量的进一步增大，原有的灭磁技术暴露出越来越多的问题，变 得越来越无法适应电力系统的发展。于是，并联灭磁技术逐渐被大力研究和发 展。并联灭磁技术的特点是：切断励磁电源由灭磁开关完成，消耗磁场能量由 放电电阻完成。这一方面降低了对灭磁开关的要求，另一方面大大加快了灭磁 速度。 同时，在可控硅励磁系统中，人们利用该励磁系统本身的特点，即其可控 整流桥可以工作在逆变状态，在这种状态下，励磁绕组中的能量能够被反送回 交流侧，设计了一种利用可控整流桥逆变完成灭磁的方案。它是一种专门针对 可控硅整流励磁系统的灭磁保护方式。 近几年来，交流灭磁技术有了很大的发展。这种灭磁技术是直接通过切断 整流励磁电源交流侧的交流断路器，来实现电流转移，再经由灭磁电阻耗能灭 磁。它的突出优点是可以利用更为经济的交流断路器来替代直流灭磁开关，能 够大大降低装置的造价和缩小体积。 目前，在现场中比较常见的灭磁方式主要有： 线性电阻灭磁方式，它是利用线性电阻放电来实现消能灭磁。具有接线简 单，动作可靠，造价低廉等优点，但灭磁时间比较长。 灭弧栅灭磁方式，属于比较典型的串联灭磁方式，灭磁开关既消能又断流。 现在在一些中小型机组上还能见到。 华中科技大学硕士学位论文 逆变灭磁方式，它是利用全控桥工作在逆变状态实现消能灭磁。因此只适 用于采用全控桥整流提供励磁电源的机组。 非线性电阻灭磁方式，它是利用非线性电阻放电来实现消能灭磁a 由于非 线性电阻本身的特性，这种灭磁方式的灭磁速度比较快，得到了比较广泛的应 用。 交流灭磁方式，它与上述灭磁系统的主要区别在于采用交流断路器充当灭 磁开关，而消能仍然是采用线性电阻或者非线性电阻。 上述几种灭磁方式中，灭弧栅灭磁系统，磁场能量主要消耗在灭磁开关中； 线性电阻和非线性电阻灭磁系统以及交流灭磁系统，磁场储能主要消耗在电阻 上，灭磁开关基本上不承担耗能任务：而逆变灭磁系统则直接将磁场储能反送 回交流电源侧。 灭弧栅灭磁系统主要应用在东欧和国内电力系统：线性、非线性电阻灭磁 系统则在世界各地都有比较广泛的应用；交流灭磁技术在国外已有了工业应用 “】，而国内则还只是作了理论上的初步探讨和研究。 现阶段，国内研究比较多的是多断口磁场断路器配氧化锌( z n o ) 非线性电阻 的并联灭磁技术。这种灭磁系统由于采用的z n o 非线性电阻的特性比较好，所 以它的灭磁效果也比较好。国外研究的重点是采用碳化硅( s i c ) 非线性电阻构造 非线性电阻灭磁系统“，技术发展得相当完善，得到了广泛应用。 1 3 同步发电机励磁控制理论的研究状况 励磁控制技术的发展和提高总是紧紧跟随和依赖于控制理论的发展与进 步，并以电力系统的迫切需求为其根本动力。控制理论及其应用总的趋势是由 单变量到多变量，由线性到非线性，最后成为智能化控制，励磁控制也经历了 一条与之相适应的发展过程。从2 0 世纪4 0 年代至今，励磁控制方式大致经历 了以下几个发展阶段。 在第一阶段中主要采用的是按发电机端电压的偏差av t 进行比例式调节的 方式。这种调节方式只适用于容量比较小的发电机组。其后，为了消除电压静 态误差以及提高对电压变化的响应速度，在比例环节的基础上增加了积分和微 分环节，形成比例一积分一微分( p i d ) 控制。 4 华中科技大学硕士学位论文 为了满足工业生产的发展对电力需求量的增大，单机容量和电网容量都有 了很大的提高。大容量机组和远距离输电以及快速励磁的广泛应用，致使系统 阻尼特性恶化，系统稳定问题变得日益突出。为了改善系统阻尼特性，抑制由 于阻尼不足引起的自发振荡，d e m e l l o 和c o n c o r d i o 基于古典控制理论中的相位 补偿技术提出了一种辅助励磁控制方式电力系统稳定器( p o w e rs y s t e m o s t a b i l i z e r ，简称p s s ) 1 。励磁控制技术进入了第二个发展阶段p i d + p s s 阶段。研究结果和运行经验证明，p i d + p s s 励磁控制方式对抑制系统振荡，提 高系统静态稳定性以及维持机端电压能力等方面比p i d 控制方式具有明显的优 越性。现在，这种励磁控制方式在电力系统中应用最为普遍。 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改进。 2 0 世纪7 0 年代，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间中的算子理论。它的研究对象扩展到多输入一多输出的 动态系统。与此同时，微电子技术和计算机控制技术也得到了高速发展。这些 为新型励磁控制方式的诞生提供了先决条件。另方面，p d + p s s 励磁控制在 多机系统中控制效果较差，也促使人们致力于研究一种新的励磁控制技术。在 这种背景下，余耀南先生等人根据现代控制理论中线性最优控制( l i n e a r o p t i m a lc o n t r o l ，简称l o c ) 提出了同步发电机线性最优励磁控制( l o e c ) ”1 。 励磁控制方式开始进入了线性最优励磁控制阶段。线性最优励磁控制是基于在 工作点线性化后的同步发电机的状态方程，并保证状态量的偏差最小化2 ，来 实现对发电机励磁的控制和调节。己发表的研究成果表明。“。2 i ：“，按全状态量 反馈线性最优控制理论设计的线性最优励磁控制器在理想快速励磁系统中要较 按古典控制理论设计的控制器性能优越。但这种励磁控制方式在实际应用中也 存在些问题，由于其物理概念和意义不如p i d + p s s 那样明确，所以在工业推 广时遇到不少困难。迄今为止，线性最优励磁控制器已经在我国一些机组上得 到了应用。 众所周知，实际电力系统是一个强非线性的系统，其运行状态和参数都是 时变的，因此从固定运行点出发设计出来的p i d + p s s 和线性最优励磁控制器， 理论上是难以保证电力系统在整个运行范围内都具有优良性能。如何有效提高 励磁控制器对电力系统的强非线性和时变性的适应能力成为励磁控制器设计第 四阶段的主要任务。非线性控制、自适应控制、变结构控制、h 。鲁棒控制、微 分几何理论以及人工神经网络、专家系统等新兴理论的引入就是为了设计出更 s 华中科技大学硕士学位论文 先进的励磁控制器以满足不断发展的电力系统的需求。”2 “。 1 4 本论文的主要内容 三峡水电站的建设即将进入电气设备的安装阶段。三峡水轮发电机组的励 磁系统选型谈判也在进行。正如前文所分析的，选择什么样的灭磁系统才能有 效保护三峡水电站特大型同步发电机是一个人们普遍关心的问题。本文详细分 析比较了目前应用比较广泛几种灭磁方式，在研究了用于切断励磁电流的直流 断路器熄弧过程的基础上，对各种灭磁方式进行了大量的研究和仿真计算。提 出了目前适合于三峡励磁系统的灭磁保护方式以及所采用的直流灭磁开关所应 满足的技术要求。同时，本文也对线性最优励磁控制器在三峡水轮发电机组上 的应用效果进行了初步的探讨。 全文章节安排如下： 第一章，介绍课题的来源、目的和意义，概述同步发电机灭磁保护技术和 励磁控制理论的研究历史和发展现状，介绍本文的主要工作以及全文的章节安 排。 第二章，阐述了灭磁开关的基本理论，分析了灭磁技术的基本原理，比较 了不同灭磁方式的主要差别和灭磁效果。 第三章，分析研究了直流灭磁开关熄弧时的动态过程，并通过仿真计算提 出了三峡励磁系统直流灭磁开关所应该达到的技术要求。 第四章，详细研究了在不同苛刻工况下，两种非线性电阻灭磁方式在三峡 机组上的灭磁效果，提出了碳化硅非线性电阻灭磁是目前比较适合于三峡发电 机组的保护方式。 第五章，阐述了线性最优励磁控制器的基本原理和设计方法，针对三峡机 组，通过仿真计算将线性最优励磁控制与p d , - p s s 进行了比较。并就在三峡后 期工程中的机组上采用线性最优励磁控制的可能性作了初步探讨。 第六章，全文总结。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 同步发电机灭磁原理 大型电机的快速灭磁是限制发电机内部故障扩大的唯一方法1 。在发电机发 生诸如定子接地、匝间短路、定子相间短路等内部故障，或者在发电机一变压 器组中发生变压器短路故障时，虽然可以由继电保护装置迅速地将发电机从电 力系统断开，但励磁绕组中的磁场电流产生的感应电势将继续维持故障电流。 不论何种故障，如果持续时间过长，都可能造成导线的熔化和绝缘的损坏，甚 至严重损坏发电机，造成巨大的经济损失。因此，在故障时，迅速而彻底地灭 磁是保护发电机所必需采取的措施。 所谓灭磁，就是把励磁绕组中的磁场储能尽快地减弱到尽可能小的程度“。 最简单的方法就是切断发电机励磁绕组与电源的连接，同时将励磁绕组接入闭 合回路续流，并将储能消耗掉。因此，同步发电机灭磁系统的任务可以简单地 分为两部分：一是断流，二是消能。断流任务一般由灭磁开关来承担，而消能 任务则视灭磁系统构造原理的不同而有所不同。 2 2 灭磁开关的相关理论 在早期的串联灭磁技术中，切断励磁电源的任务和消除磁场储能的任务都 是由灭磁开关来完成。因此，灭磁开关承受比较重的负担，经常出现开关烧毁 事故。而在现代并联灭磁技术中，灭磁开关的功能逐渐专化，即只负责完成 切断励磁电源的任务，同时建立足够高的弧压以实现快速灭磁。目前，除了交 流灭磁系统中采用的灭磁开关是交流断路器以外，其它灭磁系统的灭磁开关都 是采用直流断路器。因此，本文的分析和研究将以直流灭磁开关为基本对象。 对灭磁开关开断时的电弧进行研究是了解灭磁开关特性的必要途径。电弧 的伏安特性表征的是电弧电压与电流之间的关系，是电弧最重要的特性之一。 大量的实验表明，对于达到平衡状态的直流电弧，其静态伏安特性表现为：当 7 华中科技大学硕士学位论文 电弧电流增大时，电弧电压减小，或者说，电弧电阻是随电弧电流的增大而减 小的。出现这种情况的原因是：当电弧电流增大时，输入电弧的功率增大，弧 柱温度升高，直径增大，从而导致弧柱电阻剧烈下降。因此，如果电弧电流变 化足够快( d i d t 斗m ) ，电弧弧柱的温度、直径将来不及变化，电弧电阻也就 保持不变，此时电弧电压将是电弧电流的线性函数。灭磁过程中灭磁开关开断 时遇到的电弧处于动态过程中，此时它们的动态伏安特性曲线处于静态特性曲 线和电流变化趋于无穷时的特性曲线之间。 实际上，灭磁开关的开断电弧特性不仅与开关本身有关，而且还在很大程 度上与被开断电路有关，下面就以非线性电阻灭磁为例，分析灭磁过程中灭磁 开关的熄弧条件。 j 二垒二! ! ! + u i 一 n 眉二“ ；t - 母 图2 一l 直流电弧熄灭原理电路 对于如图2 - l 所示的由电源u o ，电阻尺。电感， 电压为u h 的弧隙组成的直流电路，其回路方程式为 西， u = 乙一t f r r “f 靠 u 。= f ( i 。) i h = j ，一j 。 非线| 生d e n r 。和电弧 式中，i 。：电弧电流；f 。：非线性电阻电流；i ，：电感电流。 式( 2 - l ) 、( 2 - 3 ) 可以进一步化为 d i ? l f 靠扎。叫f r f 扎h d i hd 1 ，d i ， md tm ( 2 一i ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 8 华中科技大学硕士学位论文 因此 专= 砜- i s r i “，鲁可一 在电弧熄灭过程中，电弧电流将逐渐减小，表现为( 击。i d t 。 j口r ， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 正常运行时，主触头l 和灭弧触头2 均处于闭合状态。灭磁时，主触头l 先断开，经过极短时间后，灭弧触头2 断开，同时在触头2 之间产生电弧。在 横向磁场h 作用下，电弧被引入灭弧栅3 ，并彼分成若干串联的短弧，每一段短 弧压降为u 。，几乎保持不变。灭弧栅片两端的总压降为u 。= n 酞( n 为串联 短弧数) 。电弧在灭弧栅片中受轴向磁场的作用不断旋转，其释放的热能由金属 栅片吸收直至电弧熄灭。图2 _ 6 中，与灭弧栅并联的电阻r l r n 的作用是限制 熄弧断流时的过电压。假设转子励磁绕组内阻为r ，则灭磁过程中下式成立 - 小o r i y + 叭+ u 2 e ( 2 - 1 1 ) 则， 生：兰二坠二堡垒 d ll ， 因此， 。： i f o - 半等+ 学 1 2 ) 励磁绕组内阻尺，通常很小，因此当励磁电源e 比较平稳时，只要u ，选择的 值恰当，这种灭磁方式就可以获得几乎巨定且非常快的灭磁速度，这种情况下 其灭磁曲线如图2 - 7 所示。 ( a ) 电流曲线( b )电压曲线 ( c ) 伏安曲线 图2 7 灭弧栅灭磁曲线 然而，这种灭磁系统的灭磁性能与励磁系统的工作方式密切相关。特别是 在自并励励磁系统中，励磁电源e 的数值可以由正几倍的额定励磁电压( 强励) 变到负几倍的额定励磁电压( 强减) ，因此，灭磁性能极其不稳定。同时在这 华中科技大学硕士学位论文 种灭磁方式下，灭弧栅不仅要吸收励磁绕组中的储能，而且还要承受励磁电源 续流的负担。因此，灭磁开关的负担被大大加重。此外，当发电机励磁电流较 小时，开关的横向磁场减弱，容易发生难以断弧的现象= 3 1 ；开关的操作机构不灵， 拒动情况时有发生，这些都是灭弧栅灭磁系统存在的问题。 在实际应用中，灭弧栅灭磁系统多用在中小型机组上，而很少应用到大型 机组。 另外，采用灭弧栅灭磁还有并联接线方式”，即将灭弧栅与转子绕组并联 连接，这将可以在一定程度上解决上述问题。本文在此不再详细介绍。 3 、逆变灭磁系统 这种灭磁方式只适合于励磁电源采用全控桥整流的机组。其原理电路如图 2 - 8 所示。 zzsz 王 l v - - - - - - l ， z王z王z 图2 - 8 逆变灭磁原理电路 g c 卜一 在正常工作情况下，全控桥工作在整流状态，供给发电机励磁。当需要灭 磁时，将全控桥的控制角后退到最小逆变角，全控桥就可以从“整流”状态过 渡到“逆变”状态。在逆变状态下，转子励磁绕组中储存的能量就逐渐被反送 回交流电源侧。由于励磁绕组是无源的，随着贮藏能量的衰减和逆变电流的降 低，逆变过程将随之结束。假设励磁绕组的内阻为r + ，则逆变灭磁时的回路方 程为 击， o 吾枷，f ，2 u o 心1 3 ) 式中，：逆变时全控桥直流侧的电压。 d i s u o r y i ， 出， 最终可以解得电流表达式 1 6 华中科技大学硕士学位论文 p ，0 一予警( 2 - 1 4 ) 从上述方程可以看出，当励磁系统为他励可控励磁系统时，u 。为常值，因 此可以获得比较快的灭磁速度。而在自并励励磁系统中，u 。将随机端电压的衰 减而下降，因此灭磁时间将比他励的长。两种励磁方式下的逆变灭磁曲线如图 2 - 9 所示。 ( a ) 他励灭磁电流曲线( b ) 自励灭磁电流曲线 图2 - 9 逆变灭磁曲线 从上述讨论可以看出，由于能量直接通过逆变桥从直流侧反送到交流侧， 所以不需要灭磁开关。它具有接线简单、经济等优点。但在自并励励磁系统中， 逆变电压受机端电压的影响很大，当发生机端三相短路时，发电机端电压下降 到很低，从而导致u o 很小，逆变灭磁时间加长，严重的甚至有可能致使逆变灭 磁失败“。在实际现场运行中，逆变灭磁更多的是作为备用灭磁方案用于正常 停机。 4 、非线性电阻灭磁系统 从分析理想灭磁过程可以发现，如果能保持灭磁电阻上的灭磁电压不随电 流的变化而变化，而是恒定在比较高的数值，那么就可以获得足够快的灭磁速 度。有些非线性电阻正好具有这种特性，当电流变化时，电阻两端的电压几乎 恒定不变。因此，采用非线性电阻灭磁，理论上是可以获得很快的灭磁速度。 非线性电阻灭磁系统正是利用非线性电阻这种特殊的伏安特性，保证灭磁 过程中灭磁电压能较好地维持在一个较高水平，从而保持电流快速衰减，达到 快速灭磁目的。其原理电路如图2 - 1 0 所示。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 图2 【o 非线性电阻灭磁原理图 正常运行时，转子的端电压维持在正常水平，远没有达到非线性电阻凡的 导通电压值( 也称为击穿电压”) ，因此，k 的阻值非常大，该支路相当于开路。 当收到灭磁指令，开关k 跳开，由于转子励磁绕组大电感l ，的作用，凡的端电 压迅速升高。当达到k 的导通电压值时，k 的阻值迅速下降到很小值，电流。 快速增大。当f 。= f ，k 的电弧熄灭，整个回路完成“换流”。这样所有能量将 在k 和励磁绕组内阻上消耗掉。完成“换流”后的灭磁回路方程为 d i ， ，i 彻 埘矿。 他- u 。= c f ： 式中，尼：励磁绕组内阻；u 。：非线性电阻上的压降：c ，口：非线性电阻参 数。 由于r 。的端电压对流过它的电流不敏感，电流的衰减将对端电压影响不大， 所以电流衰减速度一直维持在较快的水平。因此，这种灭磁方式的灭磁速度基 本叵定。图2 - 1 1 为其灭磁曲线，非常接近理想曲线。 。o 甜r 【f ，i “”h。n 。l 。l ( a ) 电流曲线 ( b )电压曲线( c j 伏安曲线 图2 一1 1 非线性电阻灭磁曲线 华中科技大学硕士学位论文 5 、交流灭磁系统 早在1 9 7 6 年，意大利学者v a r c i d i c o n o 就提出了适合于静止自励励磁系 统的交流灭磁方案，但发展一直比较缓慢。最近几年来，这种灭磁方式又开始 受到了重视。其原理电路如图2 1 2 。 交流灭磁的基本原理是：当需要灭磁时，直接通过串接在整流桥交流侧的 交流断路器切断整流桥的交流电源，同时，接通与转子励磁绕组并联的放电电 阻( 该电阻可以是线性电组或非线性电组) ，以完成灭磁任务。在交流灭磁时有 两个必要的附加条件”：整流桥必须是全控桥，而不能是不可控或半控桥， 否则将不能达到快速灭磁目的；必须在开断交流断路器的同时，封锁可控硅 整流桥的全部触发脉冲。 ，j ， 由 f 。 zz孓z - ， ， 2王2王z 图2 一1 2 交流灭磁原理图 交流灭磁的特点是，灭磁开关采用交流开关，具有过零熄弧的优点，因此 可以降低对灭磁开关的要求，从而降低整个灭磁系统的体积和造价。不难发现， 这种灭磁方式也是采用放电电阻消耗绕组中存储的能量的方法来实现灭磁目 的。因此，本文将其归类到线性电阻灭磁或非线性电阻灭磁中讨论。 对于以上所讨论的几种灭磁系统，有的文献把它们笼统地分为耗能型( 如 灭弧栅灭磁) 和移能型( 如线性电阻和非线性电阻灭磁) 两种。这种分类原则 是从灭磁开关的角度出发的。 综上所述，线性电阻灭磁系统，其灭磁电阻两端的电压是电流的线性函数， 灭磁速度随电流的减小而越来越缓慢，最终致使整个系统的灭磁时间比较长。 但这种灭磁方式接线简单，动作可靠，造价也十分低廉。因此，现在仍然有比 较广泛的应用。灭弧栅灭磁系统在自并励励磁方式下，只能够在部分情况下获 得比较快的灭磁速度，而且它完全依靠耗能型灭磁开关来实现灭磁，导致灭磁 开关的负担比较重，随着励磁系统功率的日益增加，大容量的灭弧栅的制造越 来越困难，再加上在励磁电流较小时由于开关横向磁场减弱导致不易断弧等原 1 9 华中科技大学硕士学位论文 因，灭弧栅灭磁系统很难在大型机组上得到推广应用。可控整流励磁系统中的 逆变灭磁，在自并励励磁系统中，随着机端电压的衰减，其灭磁作用显著下降， 因此更多的是用于正常停机时灭磁，而在故障时仍然需要专门的灭磁装置来实 现快速灭磁。非线性电阻灭磁系统，因为非线性电阻具有电阻电压受电流变化 影响很小的特性，因此它具有较快的灭磁速度，灭磁曲线比较接近理想曲线。 由此可见，可供三峡机组灭磁保护选择的只能是线性电阻灭磁系统和非线性电 阻灭磁系统。 2 6 小结 本章介绍了灭磁开关的基本理论，分析了直流灭磁开关熄弧的基本原理。 详细分析比较了目前在电力系统中应用较多的五种灭磁技术的基本原理和特 点。同时，对各种灭磁系统在三峡机组上应用的可能性进行了探讨。 华中科技大学硕士学位论文 3 ，1 引言 3 三峡机组直流灭磁开关动态过程分析 在灭磁系统中，灭磁开关一直充当着一个比较重要的角色。在早期的串联 灭磁技术中，灭磁开关不仅要完成切断励磁电源的任务，而且还要完成消除磁 场储能的任务。而在并联灭磁技术中，灭磁开关则主要完成切断励磁电源，并 建立比较高的弧压以实现快速灭磁的任务。本章的讨论将主要是针对并联灭磁 系统而言。 在并联灭磁技术中，整个灭磁过程可以分为三个阶段：建压、换流和消能。 “建压”是灭磁的第一个阶段，也是灭磁得以进行的基础。特别是在非线性电 阻灭磁系统中，能否可靠地实现“换流”，进而j i r 购j 消能灭磁，就取决于灭磁开 关的建压大小。众多的文献表明，国内出现的很多起非线性电阻灭磁系统事故， 其主要原因都是灭磁开关建压不够。 实际上，对灭磁开关的要求有两个方面的内容，一是其熄弧建压能力要比 较高，以实现换流和快速灭磁；二是其耐压水平和分断能力要满足励磁系统可 能出现的最严厉工况。现有关于灭磁开关的文献，主要是围绕第一个方面的问 题进行研究和探讨，而对灭磁开关的耐压和分断能力没有引起应有的重视。本 文为了比较全面的研究三峡机组灭磁开关所应具备的技术性能，为三峡机组灭 磁开关的选型提供详细的技术参考数据，将同时从上述的两个方面对灭磁开关 进行研究。 3 2 电弧的特性和数学模型。3 4 1 不同触头材料的直流断路器，在分断直流电路时，如果被开断的电流和回 路开断后加在弧隙两端的电压超过了该材料的最小生弧电流和电压数值，弧隙 就将产生电弧。3 “。开断电弧的伏安特性以及熄弧时的弧i e i 电压往往对被开断电 路具有决定性的意义。 2 1 豁童蚓l 华中科技大学硕士学位论文 直流电弧的静态伏安特性一般呈现为图3 一l 所示的形状。其特性表现为： 当电弧电流增大时，输入电弧的功率增加，从而电弧的温度升高，直径增大， 导致电弧的电阻剧烈下降。通常情况下，此时电阻的下降要远大于电流的上升， 因此，电弧电压将下降。实际上，影响电弧静态伏安特性的因素有很多，如： 电极的材料，气体介质特性，电弧运动情况等等。 电孤的动态特性较其静态特性要更为复杂。由于弧柱的温度和直径具有热 惯性，当电弧电流快速增大时，电弧电阻来不及减小，以致电弧电压高于静态 时的稳定值，此时伏安特性如图3 - l 的虚线。而当电弧电流快速减小时，电 阻来不及增大，以致电压小于稳定值，此时伏安特性如图3 - 1 的虚线。在分 断电路过程中，要研究的就是电流减小时的动态电弧，即电弧的熄灭过程。 图3 1 电弧的静态伏安特性曲线 电弧本身的复杂性使得在数学上难以将其精确描述。现有的数学模型都只 是适用于某范围的经验公式，且模型中的有些系数需要靠试验测得，误差比 较大。可以说，目前所提出的一些电弧的数学模型，均只适合于某一意义上的 定性分析使用。而且，在这些数学模型方面所取得的进展，基本上是针对于交流 电弧的。至于直流电弧的数学模型，其发展相当缓慢，目前还没有一个t e 较合 适的、通用性较强的数学模型。 现有文献资料中各种各样描述电弧动态特性的理论，具有一个共同的特点， 那就是把电弧弧柱电导作为热量的函数 g = 二= 厂( q ) ( 3 一l ) ” 而 塑：h 卜j p d t ( 3 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 式中，g ：弧柱电导；u 、f ：电弧电压和电流；q ：热量；p ：散失的功率。 将以上两式合并，可得： 去塑：! 堕一! 塑：烈o ) (3-3)dgtid t “d t f ( q l 、 这一微分方程描述了在电路参数给定，关系式g = f ( q ) 以及散热功率已知 情况下的电弧。而研究中的难点就在于，函数式g = f ( q ) 和散热功率很难确定。 人们在用能量平衡原理描述电弧时，在交流电弧方面取得的成就要远远比 在直流电弧方面的丰富，其中c a s s i e 和a y r 做了很多卓有成效的工作。现在 有关交流电弧的数学模型基本上是c a s s i e 模型( 适用于电流过零前的大电流燃 弧期间) 和m a y r 模型( 适用于电流过零时的小电流期间) 的衍生形式。 本文讨论的直流电弧熄灭时的动态模型取自文献 3 8 ，它适合于被分断电 流比较大的情况。 u h ：9 2 0 了+ 0 一9 2 v h ， + u 。 ( 3 4 ) 、j h 圪= 3 7 i l h ”b 2 ” ( 3 - 5 ) 式中，乩：直流电弧电压( v ) ；，。：直流电弧电流( a ) ；k ：电弧横向运 动速度( c m s ) ；，。：电弧弧长( c m ) ：u 。：电弧近极压降( v ) ：b ：外加磁场( t ) 。 关于电弧动态模型更详细研究在文献 4 0 4 1 中进行了更深步的探讨。 3 3 仿真数学模型和基本思路 正如第二章所言，灭磁开关在分断励磁回路时，其电弧特性不仅与开关本 身特性有关，而且还在很大程度上与被分断电路有关。本文对灭磁开关熄弧过 程的研究，主要是结合灭磁时的具体电路，通过计算机进行仿真计算，然后在 此基础上进行必要的分析和研究。考虑到线性电阻可以看作非线性电阻的一个 特例，因此，我们所讨论的情况以非线性电阻灭磁系统为例。仿真计算的系统 模型为单机无穷大系统，如图3 2 所示。 2 3 华中科技大学硕士学位论文 ”xr x l 彰 l + 如斗二 图3 - 2单机对无穷大系统模型 仿真的具体电路如图3 - 3 所示。 图3 - 3 电弧仿真电路 l f 吩 根据基尔霍夫定律和非线性电阻的伏安特性，可列写整个回路数学模型 u 。划一“，云丹 西， ( 3 6 ) u 。= u 一u o = c i 。口 ( 3 - ? ) “= ir i 。 ( 3 - 8 ) 上述方程组中，u o ：励磁直流电源电压：l ，、r ，、i ，：分别为转子电感、电阻 和电流：u 。、i 。：非线性电阻的电压和电流。 发电机模型采用在文献 5 2 提供的数学模型的基础上推导出的饱和模型： 西= 万1 ( l l 一) ( 3 9 ) 占= 一1 ) ( 3 - 1 0 ) a 0 = ( e 向一七f p ，) 咒 ( 3 1 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 分一去砸笺若丽印伽( 3 - 1 2 ) ，l( z 。一x ，) 2 一i 琢巧专顶两 尼，：l + 生p 。) 一一 a ( 3 一1 3 ) ( 3 一1 4 ) 式中，疋。：励磁绕时间常数；巧。：励磁绕组短路、定子绕组开路时d 轴 阻尼绕组的时间常数：p 0 、p ；、p 小、2 。：对应于p ：、e ；、p p q 2 的饱和值： e 。：假想的空载电势；k ：饱和系数；其它参数的意义可以参考文献 5 2 。 仿真的思路是：通过暂态计算获得故障后发电机的运行参数，并求出直流 断路器操作时各相关量的初始值；利用上面讨论的相关数学模型，通过数值叠 代计算，获得直流断路器电弧熄灭过程中各个时刻的电弧电流和电压值；当转 子绕组中的电流完全由非线性电阻续流时，电弧熄灭，直流断路器电弧动态过 程仿真结束。整个仿真框图如图3 4 所示。 开始 、一 参数初始化 j 。+ 。1 1 1 。1 1 。h 1 。 r + 求a l l a i h k = k + l ! m 、u h = ?r 人n l l t 一 ty 输出 ! 结束 图3 - 4 灭磁开关电弧仿真流程图 2 5 华中科技大学硕士学位论文 34 仿真结果及分析 在长江水利委员会专家们的建议下，我们考虑了以下几种严重工况。 工况一：发电机满负荷运行，发生误强励，机端电压上升到1 3 倍额定值 时，在延时0 3 秒后，发电机甩负荷，同时，跳开直流灭磁开关。 工况二：发电机空载运行，发生误强励，机端电压上升到1 3 倍额定值时， 在延时0 3 秒后跳开直流灭磁开关。 工况三：发电机空载运行于机端电压在1 3 倍额定值，发生误强励，在延 时0 3 秒后跳开直流灭磁开关。 工况四：发电机额定负载运行，在机端发生三相短路，延时0 1 秒跳开机 端断路器后，发生误强励，当机端电压上升至1 3 倍额定电压时，延时0 3 秒 后跳开直流灭磁开关。 在上