500KW以下小型水电站可控硅励磁系统之我见.doc

500KW以下小型水电站可控硅励磁系统之我见李晓辉 （邯郸市跃峰管理处） 摘要 随着可控硅励磁在小型机组上的应用，其优点越来越被人们所接受，但小型机组有着自身的且与大中型机组不同的特点，对励磁系统的要求及作用也不相同，运行中暴露出了一些不足之处。就我们在实际运行中所遇到的问题，做了一些简要的理论分析，并提出一些改进措施，以供同行参考。关键词 可控硅励磁系统 安全稳定运行近几年来，小型水电站发展迅速，由于可控硅励磁系统以其所具备的功率大、调节灵敏迅速、体积小、安装方便等优点，使其在小型水电站中得到了广泛的应用和迅速的发展。但是小型水电站在电力系统中所占的地位和作用有着自身的特点，所以对它的要求与大中型机组的励磁系统也是不同的。一、小型水电站的运行特点在电力系统中，大中型机组的励磁系统对维持电力系统的电压水平以及提高电力系统运行的稳定性都起着极其重要的作用。而小型机组励磁系统在这方面的作用则不太明显，它的作用主要表现在：（1）提高发电机的稳定度，输送一定比例的无功功率；（2）提高继电保护装置的可靠性；（3）限制发电机突然卸载时的电压上升；（4）单机运行时，稳定发电机出口电压。一般来说，并网运行的小型机组的出口电压不会受本机组影响。小型机组的出口电压只能由电网来决定，它的投入对电网电压几乎没有影响，然而它的励磁系统的自动调节部分往往会由于电网的变化而发出对机组运行不利的信号。这种电压波动，在10KW电网中，尤为突出和频繁，并且电压波动幅度较大，而500KW以下的小型机组，几乎都在10KW等级的电网上运行，所以就使这类问题带有相当大的普遍性。另外，对于一些小型机组，尤其是在同一母线上并列运行的几台机组，由于发电机本身的运行很不稳定，再者对一些输送线路较长的电站，在负荷增减过程中，也同样会造成机组出口电压的变化，而使励磁电流发生毫无意义的变动。在以上几种情况中，有的是小型机组运行中所不可避免的。基于这些情况，对小型机组励磁系统应抛开大中型发电机励磁系统的特点及某些原理、要求而另作别论。针对小型机组的特点和运行情况来解决它所存在的共同问题，从而使小型机组的运行更加稳定。二、问题的分析这里我们就针对上面所提到的问题做一些简单的理论分析，以期找出解决问题的办法。1、电网电压变化对励磁系统的影响在一般的励磁系统中，都设有电压测量单元。测量单元一般由测量变压器、整流桥、滤波回路、整定电位器及测量桥等几部分组成，其作用主要是按比例地反应发电机端电压对给定值的偏差。当出口电压降低时，它就会给移相触发单元输出一个信号，增加励磁电流，使出口电压回升；反之则减小励磁电流，降低出口电压。但是，前面我们已经谈到，在并网运行时，小型发电机的出口电压不受本机组的影响,只与所并入的电网有关。也就是说他本身的励磁装置在发电机并网后不会改变出口电压，那么励磁电流的减小只能降低发电机无功，甚至使机组进入进相运行状态,严重的可使发电机失步。反之，电网电压降低，会使励磁电流增大，严重的会造成发电机过流跳闸，这些现象已在某些电站运行中经常出现。虽然励磁系统一般都有无功调差环节，但此环节只能反应变化的无功电流，从而弥补一部分无功电流，但它不能完全消除无功电流的变化。EOEO 从发电机运行特性的向量图我们可以看出（实线为变化前的向量， UF为出口电压，I为定子电流，Eo为发电机电势，虚线为变化后的向量）JIx5EOPmJIx5EOUFIPOI图1 发电机向量图 图2 功角特性曲线当UF增加时，励磁系统将减小励磁电流，则无功电流减小，功率因数角减小，由图1可知，发电机激磁电势Eo减小，由图2功角特性曲线可知,当有功P不变时, Eo减小则功率角将增大，而越大，机组的稳定度就越小，当值超过静态稳定极限后，转子就失去同步，从而使机组解列。2几台机组的并列运行UFU11#U22#IQIQ1IQ2IQ3图 3 发电机外特性有些发电机组，由于其励磁装置的问题，造成发电机的外特性过硬，使发电机的无功电流变化太大，或者使它们之间无功分配不合理，如图3，1号发电机的外特性相对2号发电相较硬，它们在并列运行时，当系统电压稍有变化，即从U1变到U2时，或者系统的无功负荷变化时，1号发电机的无功电流则由IQ1剧增到IQ3，几乎承担了所有无功变化量，而2号发电机的无功电流则由IQ1变化至IQ2，变化量很小，这样两台机组并列运行时无功分配极不合理，1号机的稳定性极差。另外，如果这两台发电机较之与系统中其它发电机的特性又是比较硬的，那么，它们在系统并列运行时，就会出现同样的情况。而系统的无功负荷随时都有在变化，而这种变化量靠大中型发电机来承担则是很容易的事，因为它们在系统中的作用是举足轻重的。系统的无功负荷主要由它们来调节，而小型发电机的作用主要是分担系统的有功变化量，也就是调峰作用。再一个造成小型机组无功电流波动的原因是发电机的制造工艺，如果它们的电压波形不是理想的正弦波，或者与系统的波形略有差异，则造成周期性的无功电流波动，这样如果在发电机的励磁调节速度满足一定的条件下，就会使发电机产生无功震荡，并且如果说震荡幅度越来越大，最终会导致与系统解列。3增减负荷时产生的问题当一个电站的出线很长时，在增减负荷时线路的阻抗对发电机的出口电压也会有很大的影响。如图4所示，为一台发电机与系统并列运行的示意图。UFIZ系统UUL图4 并网运行发电机系统图UF-发电机出口电压 U-系统电压 UL-线路损耗电压 I-负荷电流 Z-线路阻抗由图可知：UF=U+UL 而UL=ZI 则有UF=U+ZI 因为I是负荷P的函数I=f(P) 所以UF=U+Zf(P)由此可见发电机的出口电压UF是负荷P的函数，P的变化会引起UF的变化，由于励磁装置的自动调节作用，最终会导致励磁电流毫无意文的变化。三 对解决问题的几点看法针对上述问题，对500KW以下小型机组的可控硅励磁系统的要求应与大中型机组不同，其作用应为：1提高发电机输送功率的能力。2输送一定比例的无功负荷，控制角在功角特性曲线上的位置，使电机有一定的稳定度。3提高继电保护装置的可靠性。4限制水轮发电机突然甩负荷时的电压上升。5限制由于系统电压变化而引起的无功电流变化。6单机运行时稳定出口电压，能自动调节无功负荷的变化。从长期的运行经验表明，具备以上的励磁系统可以使发电机运行稳定。减少无意义的跳闸故障，减轻运行人员的工作负担和机组的损耗，对电力系统的稳定运行和多发多供都起到了积极的作用。基于以上励磁装置的作用，对其应有以下几点要求：1在各种情况下，都有应能提供稳定的励磁电流，保证有功功率和成比例的无功功率的稳定输送。2应具有灵敏的调节度和足够的调节范围。3甩负荷后应能可靠地限制电压上升，以免危及发电机绝缘。4直供近区负荷单机运行时，应自动稳定和限制出口电压变化，和提供足够的无功电流。四、解决问题的方法基于上述所作的理论分析和对小型机组可控硅励磁提出的要求，要使机组在并网后，不受系统电压波动的干扰，必须稳定移相触发单元所接受的控制信号，使之不受系统的干扰，从而达到稳定励磁电流的目的。就我们的看法，针对小型机组，最简单的方法就是给触发单元附加一个稳定且可调的控制信号，而这个信号的来源是稳压电源，并可通过调节装置进行调节，但原有的测量、调差单元并不能去掉，因为：（1）在起励时，还需要它来稳定出口电压，避免起励失败或起励过压。（2）单机运行时，要根据输送电压及无功的变化来自动调节励磁电流，以满足用户需求。为解决它们之间的相互影响，我们可采用数字电路中的“或”门选择器进行控制，如图5所示，原理如下：恒压信号稳压电源保护联动恒压调节“或”门选择放 大整定调节测量单元同 步移相触发起 励反 馈调 差YHLH图5 可控硅励磁系统框图（1）并网前，恒压信号调节为0，“或”门选择回路使其不起作用，只有测量单元控制触发单元，稳定发电机电压。（2）并网后，调节恒压信号，使之超过测量单元信号值，测量单元信号被截止，不对触发单元起作用。所有无功全部由恒压信号控制。这样，在并网后，无论系统电压如何变化，由于恒压信号不变，便可使励磁电流保持稳定，即使测量单元信号在随系统电压的变化而变化，但由于“或门”选择单元的控制，使这种变化对触动发单元没有影响，从而达到了稳定励磁电流和无功电流的目的。另外，在发电机事故跳闸及系统甩负荷后，如果励磁电流不能迅速减小，就会使发电机电压急剧上升，甚至于会危胁发电机定子绝缘。为了避免这种事况，我们可使恒压信号受继电保护控制，如图5，在发电机事故跳闸或系统甩负荷时，讯速切除恒压信号，减小励磁电流，使发电机只受测量单元信号控制（切除恒压信号后，测量单元信号靠“或”门回路自投入，控制触发单元），稳定发电机电压，并可使继电保护可靠动作或维持直供负荷继续运行。在单机直供近区负荷运行时，发电机励磁电流只受测量单元信号控制，它将随出口电压变化调节励磁电流，稳定出口电压，但由于500KW以下机组带负荷能力有限，受负荷变化