（水利工程专业论文）安康水电站励磁系统及交流励磁机改发电机的可行性研究.pdf

安康水电站励磁系统及交流励磁机改发电机的可行性研究 水利工程 作者麓量麦 摘要 导眠张f 刍滚 励磁装置是水轮发电机组的重要控制设备之一，其性能的优劣直接关系剑机组自身和 电力系统的安全稳定运行。提高励磁装置的控制性能，对于改善电力系统静态、暂态及动 态稳定性相当重要，并且可以提高水轮发电机组的设备利用率。本文针对安康水电站励磁 装置陈旧落后的现状，对所存在的问题进行了较为深入的分析讨论，提出了改造原旧励磁 装置的必要性。安康水电站原励磁装置严重制约已实施改造的微机调速、微机保护、计算 机监控作用的发挥，已成为进一步提高电厂整体自动化水平的瓶颈。在广泛调查分析国内 目前先进励磁装置及其工作性能的基础上，提出了适合安康水电站机组励磁系统改造的最 佳方案一一双微机全控桥式自并励磁系统。新方案的实施，将充分发挥安康水电站在西北 电网中承担调峰、调频的重要作用。 为了充分利用设备，保持原机组的机械旋转系统状态，现将励磁系统改造后空余出的 交流励磁机改为同轴运转的副发电机，增加整体机组的_ _ 【二作容量。本文对副发电机结构参 数、电磁谐波引起的振动和推力轴承强度等进行了详细的计算。并对副发电机与主发电机 可能运行方案做了深入的分析研究。当副发电机与主发电机分别运行丁两个独立电网时 由于机组转速取决于主发电机所在的大电网，副发电机将承担其所在电网的全部变动负荷。 因此，副发电机所在的电网负荷容量不要超过副发电机的容量。当副发电机与主发电机运 行于同一电网时，二者不仅有电磁联系，而且有机械联系。在副发电机或主发电机励磁发 生变化时，不但会使机组的无功发生变化，而且会在主、副发电机之间发生有功功率的重 新分配。主、副发电机磁极中心线与系统初相角前后不同，将使主、副发电机并入电网的 顺序不同。由于主、副发电机容量差别很大，并考虑到机械系统的稳定性，应保证主发电 机带负荷优先原则。本文还对副发电机改造方案的投资效益进行了分析比较论证。 关键词：安康水电站，水轮发电机组，励磁装置，静态与暂态稳定，副发电机，技术改造 t h er e s e a r c ho nt h es c h e m eo fc h a n g i n ga i t e r n a t i v ee x c i t a t i o n s e t tin gin t os u b sidia r yg e n e r a t o rf o ra nk a n g h y d r o p o w e rpla n t 纠心 批沙嘭 a b s t r a c t z 叼j 叼h e x c i t a t i o ns e t t i n gi so n eo f t h ei m p o r t a n tc o n t r 0 1d e v i c e sf o rh y d r a u l i c t u r b i n eg e n e r a t o ru n i t ，i t sp e r f o r m a n c ei sak e yf a c t o rw h i c hi m p a c td i r e c t l yo n t h es a f e t ya n ds t a b i l i t yr u n n i n go ft h eu n i ti t s e l fa n dp o w e rs y s t e mt h ea u g m e n t o fe x c i t a t i o ns e t t i n g sc o n t r 0 1d e r f o r m a n c eisf a i r l y i m p o r t a n tt oi m p r o v et h e s t a t i c ，t r a n s i e n ta n dd y n a m i cs t a b i l i t yo fp o w e rs ys t e m ，a n de n h a n c et h es e t t i n g s u t i l i z a t i o nr a t i n go ft h eh y d r a u l i ct u r b i n eg e n e r a t o ru n i t t h i sp a p e ra i sa tt h e b e h i n ds t a t u si nq u oo fe x c i t a t i o ns e t t i n gi na n k a n gh y d r o p o w e rd l a n t a n a l y z e s a n dt a l k sa b o u ti t sq u e s t i o nt h o r o u g h l y ，a n dp r e s e n t st h en e c e s s a r i t yo ft h e0 1 d e x c i t a t i o ns e t t i n g sa l t e r a t i o n t h eo l de x c i t a t i o ns e t t i n gi na n k a n gh y d r op o w e r p l a n tr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h ei c r o c o m p u t e rr e g u l a t o ro fs p e e d m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na n dt h ec o m p u t e rs u p e r v i s o ra n dc o n t r 0 1t h a th a sa l t e r e d h a sb e c o m eab o t t l e n e c ki ni m p r o v i n gt h el e v e l o fa u t o m a t i o ni np o w e rp l a n t b a s e d o nal a r g en u m b e ro fi n v e s t i g a t i o n sa n da n a l y s iso fe x c i t a t i o ns e t t i n g sa n dt h e i r p e r f o r m a n c ei nh o m e l a n d ，t h i sp a p e rp r e s e n t sab e t t e rp r o j e c t 。w h i c ha d a d t st ot h e a l t e r a t i o no fe x c i t a t i o ns y s t e mi na n _ k a n gh y d r o p o - e rp l a n t e x c i t a t i o ns y s t e mo n d o u b l em i c r o c o m p u t e r t h ei m p l e m e n t a t i o no fn e wp r o j e c tw i l l f a i r l y p l a y a i m p o r t a n tr 0 1 ei nr e g u l a t i n gp e a ka n df r e q u e n c yi nn o r t h w e s tp o w e rs y s t e i no r d e rt om a k et h ef u l lu s eo ft h ef a c i l i t yt om a i n t a i nt h em a c h i n er o t a t i n g s y s t e m ， t h ea l t e r n a t i v ee x c i t a t i o n s e t t i n g w h i c hr e a i n sb ya l t e r i n gt h e e x c i t a t i o ns e t t i n g ，i sc h a n g e di n t os u b s i d i a r yg e n e r a t o rr u n n i n go nt h es a m es h a f t a n di tc a ne n h a n c et h ew o r kc a p a c i t yo ft h ew h o l eu n i t t h isp a p e rg i v et h ed e t a i l e d c a l c u l a t i o n si ns t r u c t u r ep a r a m e t e ro fs u b s i d i a r yg e n e r a t o r ，t h ev i b r a t i o na r i s e s b yd a t r o m a g n e t i s mh a r m o n i c 霄a v ea n di n t e n s i t yo ft h r u s tb e a r i n g t h i sp a p e ra l s o g i v e st h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h e st h ed o s s i b l eo p e r a t i n gs c h e m ei nm a l ng e n e r a t o r a n ds u b s i d i a r yg e n e r a t o r t h es u b s i d i a r yg e n e r a t o ro u t p u td e p e n d so nt h e1 0 a do f p o w e rs y s t e mw h e nt h em a i ng e n e r a t o ra n ds u b s i d i a r yg e n e r a t o ro p e r a t i n gi ns e p a r a t e p o w e rs y s t e m i tn o to n l yh a se l e c t r o m a g n e t i s mb u ta l s oh a sm e c h a n is mc o n d u c t i o n a st h em a i ng e n e r a t o ra n da c c e s s o r yg e n e r a t o ro p e r a t i n gi nt h es a m ep o w e rs y s t e m w h e nt h e g e n e r a t o re x c i t a t i o nh a sb e e nc h a n g e d ， t h er e a c t i v ep o w e rc o u l db e v a r i a t i o na n dt h ea c t i v ep o w e rc o u l db er e b u i l di nt h e a i ng e n e r a t o ra n ds u b s i d i a r y g e n e r a t o r t h ev i b r a t i o no fm a g n e t i s mp 0 1 ec e n t e ri nm a i na n ds u b s i d i a r yg e n e r a t o r c o u l db ed e d u c e dt ot h ed i f f e r e n to r d e rw h e nt h eg e n e r a t o rp u ti n t op o w e rs y s t e k e y - o r d s ：a n k a n gh y d r o p o w e rs t a t i o n ，h y d r a u l i ct u r b i n eg e n e r a t o ru n i t e x c i t a t i o ns e t t i n g ，s t a t i c a n dt r a n s i e n t s t a b i l i t y ，s u b s i d i a r yg e n e r a t o r t e c h n i q u ea l t e r a t i o n 2 前f 1 安康水电站，位于汉江千流，安康市以西18k m 处。装机容量4 台20 0m w ，是陕 西最大的水力发电厂，担任着系统调峰、调频任务，发挥着重要作用。 机组励磁系统是机组设备的重要组成部分，其性能优劣对机组和电网安全稳定运行极 为重要。但安康水电站机组的励磁系统设计选型落后，设备可靠性差、与发电机同轴运转 的交流励磁机供给阳极电压的它励式可控硅励磁系统，响应速度慢，很难满足机组的安全 运行和电网的稳定。故此，决定对机组的励磁系统进行技术改造 ( 1 ) 将由交流励磁机供给阳极电压的它励式可控硅励磁系统改造成性能优良的由机端 并联励磁变压器供给阳极电压的自并励可控硅励磁系统 ( 2 ) 励磁系统改造后。原与发电机同轴运转的交流励磁机空余了出来再将其改造出 同轴运转的付发电机，增加调峰容量。 本文针对该项技术改造工作进行可行性分析论证和研究，旨在指导技改工作。 第一章4 励磁系统技改方案的建议 1 励磁系统技术改造的必要性 1 1 机组及励磁系统的参数 现机组的励碰系统采用了与发电机同轴运转的交流励磁机( j l j ) 供给励磁功率的它励 式可控硅整流系统，并采用模拟电子电路装置和分散的继电控制模式电压调节器( 见图 2 图卜1 安康水电厂机组励磁系统接线示意图 主发电机参数： 发电机型号： sf2 00 56 12 800 额定功率： 额定电流： 额定电压： 额定功率因数 额定转速： 直轴同步电抗 交轴同步电抗 2 0 0 m w 9 5 6 0a 1 3 8kv 0 8 7 5 1 0 7 1r p m xd = l _ 0 8 9 7 x q = 0 7 1 8 7 西安理工大学工程硕士论文 短路比： 直轴瞬变同步电抗 1 0 5 4 直轴超瞬变同步电抗： x d ”= o 2 1 负序电抗： x2 = 0 2 1 4 交流励磁机参数 型号： 额定容量： 额定电压： 额定电流 功率因数 励磁系统参数 励磁电流： 励磁电压： 最高励磁电压 电压增长速度 t j l l 0 5 6 4 5 0 0 2 5 0 0 k v a l 0 0 0 k w 7 0 0v 2 0 6 0a 0 4 1 5 9 0a 3 7 4v 8 2 3v 5 6 1v s 1 2 现有励磁系统对稳定不利 在我国同步发电机的稳定问题，可分为静态稳定和动态( 暂态) 稳定问题。当同步发 电机在运行中经受微小的扰动后，若能保持同步运行。则称为该发电机具有静态稳定能力 当发电机受到大的扰动，如切除大容量负荷、断路器突然跳闸及发生短路等现象，此时能 否继续保持同步运行，属于动态稳定的问题。 对动态稳定而言，励磁系统表现在快速励磁和强行励磁的作用上。图l 一2 表示励磁 系统时间常数tl 与动态稳定临界电抗的关系。所谓临界电抗就是事故切除后i 临界功率特 性( 制动面积等于加速面积) 相应的e 、u 间的电抗。由图可见，tl 在o 3 秒以下效果 第一章4 厕磁系统技改方案的建议 显著。图l 一3 表示励磁系统顶值电压与动态临界电抗的关系。顶值电压是励磁系统所能 提供的最高励磁电压。由图可见顶值电压高、时间常数小可改善动态稳定。只有快速响应 的励磁系统，又有较高的顶值电压，对改善动态稳定才有较显著的作用。 但是现有交流励磁机带可控硅整流的励磁系统，时间常数均大于0 3 秒，响应速度 慢，对动态稳定不利。 等。 鉴o 薯。 篓。 0 0 0 20 6 i 0 1 4 1 8 励碰系统时间常数t l ( 秒) 0i 02 03 04 05 顶值电压( 衰么值) 图1 2 励磁系统时间常数图l 一3 励磁系统项值电压 与动态稳定临界电抗的关系 与动态稳定临界电抗的关系 1 3 现有励磁系统选型落后、设备可靠性差 以同轴运转的交流励磁机供给励磁功率的它励式可控硅整流系统，是六十年代的设计 水平。设计落后。同轴运转的交流励磁机带整流负载波形畸变，整流器换弧电抗的存在 使励磁机产生振动和噪音( 单台机高达90 分贝以上) 。振动易引起机件损坏设备可靠性 降低：噪音形成环境污染。同轴运转的交流励磁机受主机工况影响较大，在机组转速异常 情况下，曾多次发生励磁机低转速过激磁和高转速过电压故障，造成可控硅等电子元器件 严重损坏。 4 压一 ， 一 么 一 番 ： f 压 一 电 ， 1 - 僵 口 - _ 一 顺h ，兰 一 f 障一 加 踮 柏 晒 ，l 西安理工大学工程硕士论文 产品。 励磁调节器存在的问题： ( 1 ) 励磁调节器为模拟电子电路装置和分散的机电控制模式的pi 调节器，属于淘汰 ( 2 ) 两套调节器中，共有数以万计的分立元件组成的插件8 0 块，调试复杂、维护工 作量大。 ( 3 ) 采用国产早期的运算放大器fc5 4d 。易损坏，曾多次出现因运放故障，引起 误强励现象。 ( 4 ) 调节器运行时间长，4 号机己运行l0 年，元器件老化严重，故障率高，危及机 组安全运行。 ( 5 ) 功能不完善，许多单元不能投入运行。如积分单元、欠励限制单元、pss 单元、 低电压触发单元。无v f 限制功能。对安全运行和系统稳定极为不利。 ( 6 ) 无法与已经实施的机组微机监控系统进行通讯。 功率柜存在的问题 ( 1 ) 现在使用的可控硅为k p 一2 2 0 0 v 5 0 0 a ，其反向重复峰值电压底，通态平均电流 小，可控硅数量多( 每台机共有72 块可控硅) ，检修工作量大。 ( 2 ) 由于可控硅规格低，故功率柜数量多，主功率柜5 并2 串均流系数低。 ( 3 ) 每台功率柜的冷却风机故障率高。 ( 4 ) d w l 5 6 3 0 a 儿4 0 v 的阳极开关，故障多，曾多次烧损。 4 灭磁系统存在的主要问题 ( i ) 氧化锌( zn o ) 阀片使用能量为1 5 mj ，明显偏低。lf 、3f 、4f 曾出 现过空载灭磁击穿阀片的故障。 ( 2 ) 氧化锌残压太高，不利于换流。 ( 3 ) 原来采用的灭磁开关为d m 一25 0 0a 50 0v 型单断口开关，机构稳定性 差拒跳拒合现象较多，不能可靠灭磁。 第一章4 励磁系统技改方案的建议 ( 4 ) 保护装置功能不完善。只有灭磁过电压保护，缺少非全相和大滑差异步运行过电 压及尖峰过电压保护功能。 ( 5 ) 原回路以高灵敏继电器zkj 作过压继电器，由于该继电器属于低压电器其线圈 接入转子回路，而结点接入厂用直流2 2 0 v 回路。转子过压时，绝缘一旦击穿，致使过电压 传入直流系统，将造成直流系统瘫痪。 ( 6 ) 设备运行近十年之久，经大电流多次冲击氧化锌阀片老化，伏安特性变坏。 ( 7 ) 每次灭磁之后都要更换f m k 断口上并联的熔短器维护量大，延误机组的正 常备用或紧急开机。 从以上励磁系统存在的诸多问题来看，它励系统的励磁方式设计落后，响应速度慢 对系统及机组的稳定运行极为不利。模拟电子电路和分散的机电控制模式的调节系统以及 性能低劣的可控硅整流系统，设备的可靠性差，故障率高等问题对机组自身的安全运行 影响很大。 已经实施的机组微机监控系统、水机微机调速系统、微机保护等系统的技术改造，己 使我厂整体自动化水平和设备可靠性都得到极大的提高，但励磁系统目前的现状和存在的 问题相差甚远，极不协调。与微机监控系统也无法实现接口。 在提高系统静态稳定的许多措施中使发电机采用快速、灵敏的自并励静止可控硅整 流装置，是最经济、最有效的措施。对安康电厂的机组而言，若改用自并励静止可控硅励 磁系统，不仅能提高安南线的静稳极限，还有助于提高整个系统中陕、甘电网间的静稳极 限。 在我国许多原来采用同轴运转励磁机它励系统的水电站，如南垭河、缘水河、响洪甸 ( 装机4 台1 1 5 m w ) 、纪村( 2 台1 7 m w ) 等水电厂，均已将同轴运转励磁机的它励方式改 造为自并励静止可控硅励磁系统并收到了良好的效果。许多新建的大型水轮发电机组 如龙羊峡、李家峡、二滩、伊泰普、大古力等，都广泛采用自并励静止可控硅励磁系统。 作为陕西电网中的大型骨干电厂。在系统中的调峰、调频作用巨大。按照对水电厂的 西安理工大学工程硕士论文 发展要求，要逐步实现“少人值守，无人值班”向一流企业迈进。机组励磁系统的差距显 然太大。对励磁系统进行改造，用自并励静止可控硅励磁系统和微机控制调节器替代目前 的它励系统和模拟电子电路、机电控制式调节器，已显得十分必要和迫切。 自并励静止可控硅励磁系统的励磁功率直接取自机端励碰变压器，无旋转设备接线 简单造价低廉。由于直接通过可控硅控制发电机的转子电压，调节速度快，对于抑制发电 机的过电压及欠电压有很好的效果，从而有利于提高发电机运行的静态与动态稳定。由于 自并励静止可控硅励磁明显的优点，被推荐用于大型发电机组，特别是水轮发电机组上。 国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。虽然有人对自并励静止可控硅励 磁曾有过疑虑，主要有以f 两方面：自并励静止励磁系统的顶值电压受发电机端和系 统侧故障的影响在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能提供足够的励 磁电流，以致影响电力系统的暂态稳定：由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护 是否能正确动作。从大量国内外分析研究和试验表明，对于大、中型机组。由于其转子时 间常数较大，转子电流在0 5 秒后才开始明显的衰减，考虑到高压电网中重要设备的主保 护动作时间都在0 1 秒之内。且都设有双重保护，因此问题并非想象的那么严重。 长期以来，世界各国科学工作者为改善励磁性能作了大量的工作，励磁系统及其控制技 术取得了长足的进展，这些进步主要体现在励磁功率单元、控制规律以及励磁调节器的“硬 件”三方面。 从励磁功率单元的发展来看它经过了直流励磁机、交流励磁机、静止励磁系统等几个 阶段其趋势是向大容量、高可靠性、快速响应方向发展。快速励磁系统的出现为提高电力 系统的暂态稳定性作出了重要的贡献。 励磁调节器的控制规律的研究一直是一个极为活跃的领域。为了通过励磁控制提高系 统的稳定性和改善其动态响应特性并兼顾暂态稳定，人们先后发展了采用比例、积分、微 分调节方式的p l d 励磁调节器，强力励磁调节器，电力系统稳定器( p s s ) ，全状态量反馈的 线性最优励磁调节器( l o e c ) 非线性控制励磁调节器( n e c ) 和模糊控制励磁调节器( 正在 第一章4 励磁系统技改方案的建议 研制和试验中) 等不同的励磁控制方式。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态稳定的作用。但近十年来，各大区电网和各个省电网、电力 输变电网架已得到根本性的加强，在单一故障下( 包括三相短路故障) 已不存在暂态失稳问 题。由于发电机结构所固有的励磁系统本身对改善电力系统的暂态稳定的作用是有限的 花更多的钱，甚至牺牲可靠性指标( 设备硬软件的复杂性必然影响可靠性) 去追求二次控制装 置对改善电力系统暂态稳定性的那一点效益，在多数情况下工程意义不大，甚至可能是得 不偿失的( 个别情况除外) 。实践表明，就目前的技术和设备水平来说，大型机组励磁调节器 采用p l d + p s s 控制规律和全状态量反馈的线性最优励磁调节器( l o e c ) 小型机组励磁调节 器采用p i d 控制规律，能够满足系统稳定的要求。对极少数非配备复杂的调节控制性能不 可( 如非线性控制、模糊控制等) 的工程应进行经济技术论证，同时要求设备要可靠。 励磁调节器经历了磁放大器组成的电磁型调节器、半导体励磁调节器、微机励磁调节器 等几个阶段来看，其总趋势是向提高可靠性、提高响应速度、适应复杂控制规律的方向发展。 在励磁系统中，传统的模拟励磁控制系统控制精度低、调节器参数整定复杂、功能单一、运 行故障率高且控制系统的通用性、兼容性和扩展性都比较差。同时电力系统的发展赋予同 步发电机励磁系统以更多而重要的职能，其控制规律越来越丰富以致模拟式调节器有时难以 胜任。近年来随着计算机和微电子技术的发展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、清晰。硬件设备通用性好，标准化程度高。软件 灵话，能够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，特别容易与其他自动化设备接口组成高一级和大范围的自动控制系统。目前，国 内外应用较广泛的是半导体励磁调节器，微机励磁调节器经过现场应用和不断的发展、改进、 完善，逐步成热并以其独特的特点而逐渐为人们接受，在许多电厂得到了广泛的应用。新建 电厂一般都选用微机励磁调节器。 西安理工大学工程硕士论文 2 自并励静止可控硅励磁系统的工作原理 自并励静止可控硅励磁系统如图卜4 所示，由主回路( 励磁变压器、整流电路等) 和 控制回路( 励磁调节器) 组成，机端励磁变压器作为电源，经三相半控或全控整流桥直接 供给发电机励磁。 s 图卜4 静止励磁系统框图 静止励磁系统的主要优点有： ( 1 ) 励磁系统接线和设各比较简单，无转动部分，维护费用少，可靠性高。 ( 2 ) 不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减少基建投资。 ( 3 ) 直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度可近似认为具有阶 跃函数那样的响应速度。 ( 4 ) 由发电机机端取得励磁能量。机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系 统输出的励磁电压与机组转速的一次方成正比。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与 转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就底。 由于上述明显的优点，自并励静止可控硅励磁系统被广泛推荐用于大型水轮发电机组 上。国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。在我国新建大型机组上，广 9 第二章2 自并励静止可控硅励磁系统的工作原理 泛采用这种励磁方式。 2 1 三相桥式全控桥整流电路 整流电路的主要任务是将交流电压整流成直流电压供给励磁绕组中小型机组一般采 用三相桥式半控桥接流电路，大中型机组一股采用三相桥式全控桥整流电路。 三相全控桥整流电路六个整流元件全部采用晶闸管。由于上、下两组晶闸管必须各有 一只晶闸管同时导通电路才能工作，为保证电路正常工作，六只晶闸管的导通顺序应为l 2 3 ，4 5 ，6 。它们的触发脉冲相位依次相差6 0 。：为了保证开始丁= 作时，能有两个晶闸 管同时导通触发脉冲宽度应大于6 06 或采用双脉冲工作方式。 三相全控桥整流电路与三相半控桥整流电路不同之处。在控制角a 9 0 。时，三相全 控桥工作在整流状态将交流转换为直流。在控制角9 0 。 a 王1 8 0 。时，三相全控桥工作 在逆变状态，将直流转换为交流。在逆变状态下。直流侧发出功率，将原来整流状态下发 电机转子线圈中储存的磁场能量，释放出来送回到交流侧，将能量反送回电网。利用这一 特性可实现发电机转子的快速灭磁，能有效的防止机组的过电压现象。为了确保逆变的成 功根据经验要把控制角限制在a 1 5 06 1 5 5 。范围。 2 2 励磁调节器 励磁调节器按元件结构分，可分为机电型、电磁型、半导体型和数字式微机型等；按 控制原理来分，可分为补偿型和反馈型两大类。 0 西安理工大学工程硕士论文 2 2 1 基本特性与框图 自动励磁调节器框图由基本控制和辅助控制两大部分组成，如图卜5 所示。基本控制 由调差、测量比较、综合放大和移相触发单元组成，实现电压调节和无功功率分配等最基 本的调节功能。而辅助控制是为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一一励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制等。 刷精誓帆 两蠢乱 发屯帆 图卜5 自动励磁调节器框图 2 2 2 发电机励磁控制系统静态特性 发电机励磁控制系统静态特性采用发电机机端电压u g 与无功负荷电流i q 关系曲线表 示，如图1 6 所示。表征该运行特性的一个重要参数一一调差系数6 ，其定义为 6 = ( u g l 一u g 2 ) u g e 1 0 0 式中u g e 发电机额定电压；u g l 、u g 2 分别为空载运行和带额定无功电流时的 发电机电压。调差系数6 表示无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化。调 差系数越小，无功电流相同变化时发电机电压变化越小。所以调差系数6 表征了励磁控制 第二章2 自并励静止可控硅励磁系统的丁作原理 系统维持电压的能力。 u g u u c 2 6 0 o ，口， 图卜6 无功调节特性 lq l i 口 图卜7 调节特性的平移 l 口 ，口 发电机的无功功率的控制可通过平移发电机调节特性来实现。设某台发电机与无限大 母线并联运行。如图l 一7 所示，发电机无功电流从i q l 减到i q 2 ，只需要将调节特性由l 平移到2 的位置。如果调节特性继续平移到3 的位置，则它的无功电流将减小到零。 2 西安理 大学工程硕士论文 2 2 3 辅助控制 ( 1 ) 最小励磁限制 随着电力系统的发展，发电机容量不断增大，大容量发电机组对励磁控制系统提出了 更高的要求。例如在超高压电力系统中输电线的电压等级很高，此时输电线路的电容电 流也相应增加。因此当线路输送功率较小时，线路的容性电流引起的剩余无功功率使系 统电压上升，以至超过允许的范围。使发电机进相运行吸收剩余无功功率是一个比较经济 的办法，但发电机进相运行时，容许吸收的无功功率和发出的有功功率有关，此时发电机 最小励磁电流值应限制在发电机静态稳定极限及发电机定子端部发热允许的范围。为此 在自动励磁调节器中设置了最小励磁限制。 发电机在欠励磁运行时，发电机吸收系统的无功功率，此时受静态稳定极限的限制 这是第一个限制条件。由于发电机由滞相运行转进相运行时，转子电流减少，吸收无功增 加，使定子端部合成磁通越来越大，造成端部发热严重，这是第二个限制条件。图卜8 给 出的是功率极限p m 、o l n 圆图。假设发电机进相运行于a 点，当电网电压升高时，在励磁调 节器的作用下，发电机减少励磁，运行点沿a c 向下移动，当达到c 点即达到静态稳定极 限，在超过就失去稳定。在a 点运行，如增加有功输出，运行点往a b 方向移动，达到b 点后若继续沿a b 方向移动同样会失去稳定。为了确保发电机安全运行，在励磁调节器中设 置了最小励磁限制器，它可根据发电机不同运行状态，对发电机励磁电流实施与该运行状 态相适应的最小励磁限制。 ( 2 ) 最大励磁限制 对丈容量发电机组由于系统稳定的要求，励磁系统应有高起始响应特性，措施之一是 提高晶闸管整流装置的电压，使发电机励磁顶值电压大大超过其允许值。励磁电流过大 超过规定的强励电流会危及发电机的安全。为此在励磁调节器中必须设置瞬时电流限制 器以限制强励顶值电流。 3 第二章2 自并励静止可控硅励磁系统的工作原理 最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。按规程要 求当发电机端电压下降至8 0 8 5 额定电压时，发电机励磁应迅速强励到顶值电流 一股为1 6 2 0 倍额定励磁电流。由于受发电机转子绕组发热的限制，强励时间不允许超 过规定值。为了机组的安全运行励磁电流应具有反时限特性，如图卜9 所示。 4 ，( s ) 1 2 0 l o l 图卜8 发电机图功率极限p m 、q m 圆 西安理工大学工程硕士论文 图卜9 最大励磁限制器反时限特性 辅助控制与励磁调节器正常情况下自动控制的区别是，辅助控制不参与正常情况下的 自动控制，仅在发生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时，通过 综合环节闭锁正常的电压控制使相应的限制器起控制作用。 2 2 4 数字式微机型励磁调节器 ( 1 ) 概述 随着计算机控制技术的发展及其可靠性的提高，许多工业控制领域原来常规的模拟式 电子设备正逐渐淘汰被以微处理器为核心的大规模集成电路数字式电子系统所替代。微 机控制系统具有硬件线路简单、软件功能灵活，能够方便地实现多种控制功能。并且随着 自动控制理论不断发展，高可靠性智能控制策略在微机中实现成为可能，全数字式励磁调 节器能够满足各种控制规律的要求。 ( 2 ) 框图简介( 硬件、软件) 数字式自动电压调节器框图如图卜1 0 所示。 主机：由微处理器( c p u ) 、r a i 、r 伽存储器等器件组成，它是调节器的核心部件 它根据输入通道采集来的发电机运行状态变量的数值进行调节计算和逻辑判断，并按照预 定的程序进行信息处理求得控制量通过数字移相脉冲接口电路发出与控制角。对应的脉 冲信号，以实现对励磁电流的控制。 模拟量输入通道：为了维持发电机机端电压水平和机组间无功功率的分配，须测得发 电机的运行电压u g ，无功功率q 、有功功率p 和励碰电流i e f 等，选用恰当的传感器、变 送器或直接采用交流采样与数模模数( a d ) 接口电路相匹配。 开关量输入、输出( d i d 0 ) 通道：电压调节器也需采集发电机运行状态信息如断 第二章2 自并励静止可控硅励磁系统的工作原理 路器、灭磁开关等的状态信息。 脉冲输出放大通道：输出的控制脉冲信号需经中间放大、末级放大后，才能触发大功 率晶闸管控制其输出电流。 人机界面、运行操作设备：数字电压调节器要有一套供运行人员操作的按钮、把手 用于增、减励磁和监视调节器运行。另外还有一套供程序员使用的操作键盘，用于调试程 序、设定参数等。 填节汁i ：抻科凡步乜睚 图卜1 0 数字式自动电压调节器框图 ( 3 ) 控制算法 数字式电压调节器在硬件配置基本相同的情况下，采用不同的控制算法可灵活地实现 不同的调节规律。近年来，随着自动控制理论发展，特别是计算机控制技术和计算机控制 理论的迅猛发展，在发电机励磁控制系统中采取了各种控制策略从p i 、p i d 控制，到线 6 西安理工大学工程硕士论文 性最优控制、变结构变参数的自适应控制，以及模糊控制、人工神经网络控制等人工智能 控制，极大地促进了励磁调节器的控制性能的改善。 但是，目前已投入运行绝大多励磁调节器仍采用p i d 控制方式，而其他控制方式正在理 论探讨、研制和小量试运行阶段。众所周知，p i d 控制器具有结构简单、鲁棒性好、易实 现等优点。并且，只要其结构和参数选择得当，在某种程度上可达到最优控制，具有良好 的控制性能。 p i d 控制算法的原理框图如图卜1 l 所示。殷有位置型算法和增量型算法两种类型。 图卜1 1p i d 调节算法原理框图 y ( r1 ( 4 ) 数字式移相同步 微机计算出的控制量是一个数字量，要把数字量转换为晶闸管的导通角a 的触发脉冲 这就需要数字脉冲电路。一般在微机系统中采用可编程定时计数器实现，如z 8 0 一c t c 、 i n t e l 8 2 5 3 、单片机内部的定时，计数器t l 、t 2 、t 3 等。在电压信号过零时作为计数的起点， 用控制量对应的数字量和信号的周期数计算出计数器的延时个数，并送给定时计数器进行 延时，从而得到导通角a 。 第二章2 自并励静止可控硅励磁系统的工作原理 3 励磁自动控制系统对电力系统稳定的影响 励磁控制系统对提高电力系统稳定的作用，一直是人们关心的课题和努力的目标，长 期以来以进行了大量的研究工作。早期的研究认为。无失灵区的励磁调节器可以提高电力 系统的静稳定功率极限。同时，在空载和负载两种情况下，对励磁调节器放大系数的要求 是不一样的。研究发现，互联系统本身固有的自然阻尼微弱性是发生系统振荡的主要原因 而励磁调节器的调节又使系统产生副阻尼效应，导致系统产生低频振荡。进一步研究得知 励磁系统引入适当的信号，可以增强系统阻尼对于克服增长性的振荡是一种较为有效的 措施。电力系统的稳定主要是指功角稳定和电压稳定。 3 1 功角稳定 功角稳定包括静态稳定和暂态稳定。静态稳定性又称小干扰稳定性，是指系统在遭受 很小的干扰或“无穷小”干扰时维持稳定运行，不发生爬行失步或振荡失步的能力。暂 态稳定是指系统在遭受大干扰一一一般指各种短路故障后是否能维持在原运行点或过渡到 新的运行点稳定运行的能力。其稳定的性质和稳定的极限既与事故前的正常运行点或系统 运行方式有关，又与故障严重程度和反事故措施有关，而故障是随机的。 3 2 频率稳定 频率稳定通常是指系统突然出现大的有功不平衡后，能否通过调节原动机的出力来维 持全系统或解列后的子系统的频率使不降到危险值以下，而在统一频率下稳定的问题。系 统互联，虽使系统承受有功冲击的能力加强了但系统可能遭受的有功不平衡也可能加大 西安理工大学工程硕士论文 了，因此，并列系统频率稳定的问题不是可以忽略了。 3 3 电压稳定 电压稳定是指由于无功功率的供需不平衡所引起的部分地区或全系统的电压不能维持 在正常允许的范围稳定运行的问题。远距离输电系统及互联系统如果受电端缺乏足够的无 功电源对其电压进行有效的支撑则在某些正常运行方式下，事故后的运行方式或动态过 程中。由于无功电源的容量或调节能力的变化就会演变成地区系统甚至全系统的电压崩溃。 功角稳定过程较短约以秒计，称短时间稳定：频率稳定问题持续时间比较长约以数十 秒计。属中期稳定；考虑到重新并网等的影响称长期稳定。 随着电力系统的迅速增大。其特性呈现出强非线性、时变性和某些不确定因素，常使 建立精确的模型有困难，仅靠现有的线性或非线性控制理论是有局限的，必须进行智能控 制理论。目前智能控制理论主要有三种途径：专家系统、模糊控制和人工神经网络。智能 控制必将成为电力系统稳定性控制的发展方向。 第四章4 励磁系统技改方案的建议 4 励磁系统技改方案的建议 国内外有许多厂家生产可控硅励磁装置较著名的有南京南瑞集团电气控制公司、广 东电器科学研究院、河北工学院、哈尔滨电机厂、东方电机厂等，经过初步分析论证选择 东方电机厂生产的d w ls 一2 3 c 型双微机调节的可控硅励磁系统，它是目前普遍采用在大型水 轮发电机组励磁系统首选方案。 并对励磁系统提出以下要求和部分说明。 4 1 励磁变压器的选择 励磁变压器不同于一般的电力变压器，它的负载主要是可控硅整流后的感性负载，变 压器的二次侧有高次谐波其中5 次、7 次和11 次产生的损耗比例最大，附加损耗比 般电力变压器大。因此，对变压器应提出励磁系统的特殊要求：1 1 倍额定电流下长期运 行：在机端电压为1 3 倍的额定电压下保证励磁变安全运行：最高温升不超过8 0 ：高 低压线圈间有屏蔽层并接地：三相绕组的电压不对称度小于1 ：在磁路和电路的设计中 应充分考虑可控硅整流中产生的谐波影响等。建议选择环氧浇铸式、户内、自冷、干式变 压器，参数如下： 2 0 额定容量： 原边额定电压 付边额定电压 温升： 1 8 0 0 k v a 1 3 8k v 7 0 0v 8 0 西安理工大学工程硕士论文 4 2 可控硅整流装置 ( 1 ) 可控硅整流装置采用三相全控桥式整流电路。每个柜中设一组整流桥，可控硅元件 采用大板式安装，可控硅采用强迫风冷方式。 ( 2 ) 可控硅整流装置的交、直流侧均应设置相应的过流、过压保护。 ( 3 ) 可控硅整流装置应设置整流桥分支电流导通检测装置。当桥臂不导通时发出故障 报警信号，并有风机停运保护、脉冲丢失保护等保护功能。 ( 4 ) 冷却风机应采用双回路供电。一路取自励磁电源变压器低压侧的辅助变压器另一 路来自厂用电。两路电源要能够相互闭锁和切换。 4 3 双微机调节器 ( 1 ) dwls 一23c 型双微机调节器结构上采用有效的双微机并联冗余容错结构 两套微机构成的双通道从输入到输出均可完全独立工作。双机之间相互诊断、相互跟踪、 相互切换、互为备用。能最大限度地容忍系统部件故障，减少机组强迫停机率而提高可靠 性。 ( 2 ) 采用32 位8 0 4 8 6 处理器的pc 总线规范的工业控制计算机，开放式结构，功能 完善，计算迅速，外部接口电路已成系列，维护、更换、升级都十分方便，具有较强的抗 振、抗冲击性能。 ( 3 ) 发电机的状态反馈变量采用高速交流采样方式实时快速经富理叶变换直接获取。 软件上设有实时在线自诊断功能，每个控制周期cpu 均检测该部分的硬件状态并能根据 诊断结果迅速判断所获反馈变量正确与否，而决定是否采用。 ( 4 ) 冗余信息的快速交换，采用性能优良的a r c n e t 令牌总线式工业局域网完成线路 简单抗干扰能力强。 2 第四章4 励磁系统技改方案的建议 ( 5 ) 晶闸管整流桥的触发脉冲须采用全数字方式形成。脉冲输出部分设有脉冲丢失 极脉冲异常检测电路，当触发脉冲出现异常时能迅速切断故障脉冲。 ( 6 ) 全软件须能够实现发电机组各个工况下励磁调节及各种保护限制功能。 ( 7 ) 应提供与电厂上位计算机监控系统各种形式的接口，也可采用常规结点联接方式。 ( 8 ) 调节器人机接口设计为运行人员和维修人员接口两部分。运行人员接口采用图形 液晶显示励磁控制系统运行的各参量和状态极故障信息，直观明了。维护人员接口为外挂 微型计算机，用菜单修改调节器参数。试验过程中，调试软件可纪录数据和波形等。 ( 9 ) 系统应全面考虑采用微机抗干扰技术，各通道微机系统与外界的信号系统之间采 用全浮隔离技术，采用各自独立的电源供电，通道与通道之间在电器上相互隔离，就可大 大提高了整个系统抗共模干扰能力。 2 2 dwls 一23c 调节器须能实现以下五种运行方式方便运行中选择 空载跟踪网压运行方式 恒机端电压运行方式 恒励磁电流运行方式 恒无功负荷运行方式 恒功率因数运行方式 隐含运行方式为恒端电压运行方式 q d 软件可实现下列辅助及励磁限制功能 欠励磁瞬时限制功能 瞬时延时过励磁限制功能 + 定子电流