大型发电机励磁调节系统研究

2022-10-10吴妮娜

价值工程 2022年27期

0 引言

发电机励磁是整个电网中的一个关键环节，由于大型电网的相互连接，导致了输电能力的提高，以及高速励瓷器的大量使用，给电力市场带来了新的问题。如何提高励磁调节器的功能和运行特性，是目前研究的一个主要途径。本文主要介绍了某电厂二期工程（以下简称“GII”）电力系统的功能、性能指标和极限保护，并进行了详细的分析和讨论。

1 发电机励磁系统功能及性能指标

1.1 发电机励磁系统概况

G II型500MW机组采用AC励磁同步晶闸管整流励磁。该电源为750V的直流励磁系统。捷克Zat公司生产的发电机和励磁微型计算机。励磁系统结构如图1所示。

图1 励磁系统结构示意图

1.2 发电机励磁系统的强励

当电网出现瞬时干扰时，电网的电压会随之降低，同时也会使并联机组的电压和速度降低，从而使其有功功率减小，从而增大了发电机的功角，当功角的速度超过了减速器的范围时，就会出现失步现象。在这种情况下，励磁装置必须强制励磁，增大励磁电流，增大发电机的输出电压，增大有功的输出，减小功角的增大，避免出现一次摇动失控。因此，在电网中采用强励法来改善电网的瞬时稳定性是十分必要的。同时，强激励比越大，强激励越强，对电网的安全运行越有利。通常，励磁体系的强励比是2倍，而强激励的容许持续期不得少于10秒。大容量机组均采用高启动激励方式，其励磁电压的变化幅度在0.1秒以内，而降低幅度在0.15秒以内。强激励运行状态通常是指在低于设置的情况下运行的发生器末端的电压。

该励磁装置具有2倍的励磁能力，20秒的强激励，0.1秒的励磁脉冲，是一种高启动激励的励磁方式。由于磁场强度增大，会导致励磁系统的运行费用增大，对发电机的绝缘性能提出了更高的要求。励磁装置短期过载容量要比发电机的短周期过载容量要大，而强励时刻则要受限于发电机的短周期超负载容量。励磁装置强励时，当强励时间超过20s时，强励强度自动降低，以终止强励，避免长期强励对发电机转子线圈造成损坏。

1.3 电力系统稳定器

我国新投产的大中型机组需要配备PSS系统。PSS系统的主要技术指标为：测量时间常数在40ms以内；系统输出噪声低于0.5%，可在线调整和存档；PSS的功率限制和调节；可以实现手动或自动进给。PSS的整定效率试验通常通过发电机的负荷阶跃响应试验来检测。试验方法是在励磁调节器输入端施加（1%至4%）电压，观察输出功率（或电压），判断PSS各项指标是否合适。PSS的PSS输入是三个参数，分别是：发生器频率fE，有功功率P，以及发电机的励磁电流If。

进行了一次负荷的阶跃式干扰实验，PSS不加料时的阻尼率为0.15左右。利用PSS的最佳设计参数，在PSS中进行相同的实验，得到了系统振动的减振系数在0.4以上。PSS能有效地降低机器的振动。PSS键在规定下应该是可以进入的，但是当负载超过150兆瓦（30% Pn）时，PSS的作用是有效的。PSS在低压状态下会主动关闭，以避免在系统抛载过程中因PSS的影响而造成的过载。

1.4 发电机励磁系统的电压调节

励磁系统最基本的功能是调节发电机的输出电压并保持发电机电压不变。一个好的励磁系统需要高调节精度、快速响应和稳定调节，这对提高电网的稳定性具有重要意义。励磁调节器不但要保证发电机的一端电压稳定，而且要有一个电压调整装置，这样可以保证系统中的并联机组的无功功率得到合理的分配。该方法涉及电网的电压稳定性。因此，调节率整定值应由中调给出，最终由发变组调节特性试验确定。发电机电压调节相关的励磁系统参数如表1所示。一般来说，发电机变压器组的差动调节率约为8%，同一高压系统中相同容量发电机组的差动调节速率也应相同。G II励磁调节设备还使用电压调节单元，通过调节相应的参数设置来调节发电机的调节率。根据电流调节参数设置，通过实验确定发电机的电压调节率为-6.6%。试验期间，机组主变压器压力下降11.5%。因此，从高压侧来看，发变组电压调节率为11.5%-6.6%=4.9%。

表1 发电机电压调节相关的励磁系统参数

发电机正常运行时，励磁调节器应采用“端电压调节”。当调节器传感器（收集发电机电压、电流、有功功率、无功功率和功角等模拟量）发生故障时，系统将自动调整励磁电流，使发电机在工作区域内工作。“励磁调整”模式仅在备用方案和发电机、励磁系统测试中才能采用，由于这种方法会降低系统的稳定性。

2 发电机励磁系统的限制和保护

2.1 发电机转子电流限制

大型发电机转子和定子材料利用率高，热容量与铜损耗之比小，因此热时间常数也低，定子和转子的过载能力有限，以避免发电机转子（定子）线圈因过电流而过热，确保发电机的安全。G II级励磁调整回路转子的限流结构如式（1）所示：

式（1）中：t是允许的发电机转子的过流；If是发电机的励磁电流；Ifn为发电机转子额定电流，其最大持续工作电流为1.032 Ifn，而发电机转子的最大无延时电流为1.77 Ifn。当转子限流工作后，转子电流会自动下降到1.032 Ifn，而不能提高励磁电流。转子限流动作特性曲线如图2所示。

图2 转子电流限制动作特性曲线

2.2 发电机定子电流限制

发电机的定子限流模式与转子限流模式基本上类似的情况，因此此处不再重复。在G II相励磁系统中，定子限流特性的计算公式如式（2）所示：

式（2）中，T是发电机定子的允许过电流；It是发电机的定子电流；In是定子的额定电流，其最大连续工作电流为1.053英国安培，而定子的最大无延迟电流为3In。

定子电流限制后，发电机的无功功率将自动沿q=0方向运行，从而将定子电流限制在给定范围内。此时，定子电流不能有效增加。

定子电流的极限值应该符合发电机过负荷和过流保护。发电机的过载是由信号引起的，具有反向时间的特点，其定值较小，其与定子的限流曲线的对比如图3所示。发电机过流保护的设定值是3.5英特，1秒延迟，在关机状态下运行。

图3 定子电流限制动作特性曲线及过负荷保护曲线

2.3 低励限制

在发电机的前级，必须避免由于低励磁电流导致发电机的静态稳定性，或由于发电机端部的高磁密度导致发电机端部过热。励磁系统具有低励磁约束功能。根据发电机的静态极限和发电机末端的加热极限计算运行曲线。但是，不得超过发电机制造商的PQ工作曲线。

当励磁电流较少或无磁场时，首先启动的是低激励；当励磁电流因调整器的异常或者转子回路的故障而持续降低时，通过失磁保护判定后的工作停止。

为了确保保护动作的精确性，必须在低励磁和失磁保护之间留出充分的余量。

2.4 U/f限制

为了避免发电机变压器铁芯饱和导致铁芯和绕组过热，以及空载、甩负荷和启动期间电压升高或频率下降导致励磁电流过大。II相励磁调节回路的G U/F限值设置如式（3）所示：

式（3）中：t是可容许的过磁力时间；U/f是单位/f在实际操作中的数值；（U/f）n是标称的U/f值。最大持续操作U/f的最大值是1.051（U/f）n，该值稍高于发生器电压极限设置（1.05Un）。U/f极限工作特征曲线显U/f限位，可自动降低励磁电流，并在规定范围内工作。U/F极限性能与发电机-变压器组的过电压保护相匹配，且早于发电机-变压器单元的过电压防护。发电机断开期间，发电机变压器组的过励磁保护运行。

在此基础上，将U/F极限特性曲线与发变组过励磁保护特性曲线进行了比较。本文简要讨论了励磁设备的一些主要限制措施。为确保励磁系统、发电机和电网的安全稳定运行，励磁设备还设有其他限制和保护措施，如过电压保护、发电机端电压限制和励磁调节器输出限制。

3 GⅡ期励磁系统运行及相关内容介绍

3.1 励磁装置控制柜

励磁设备的控制箱由GR001~GR006组成，共6台。两组PI稳压器安装在GR001机箱中。GR002柜配置有励磁机三相全控制整流装置、励磁机灭磁开关和励磁机自励恒电压变压器。GR003柜配有励磁机交流端的过压保护和副变压器。GR004和GR005柜是两台三相全控制的发电机。GR006柜采用了发电机灭磁开关、灭磁电阻开关、直流过压保护等功能。GR001机箱中的两个控制器是8个插头，A信道A01.000电源，A01.001微处理器，A01.002传感器测量单元，A01.003-004为转换单元，A01.005-007为逻辑输入/输出单元。B通道插入部件a01.100至a01.107具有类似的功能。

3.2 发电机启励及灭磁过程

例如，在自动模式中预先选择一个频道（类似于B频道）。起动指令在额定转速的97%以上有效。励磁稳压器在收到START命令后，关闭触点（GR002-F29），解除GR002-G01的晶闸管整流控制脉冲，调整器GR001-A01.003 A的A灯点亮。GR002-G01在输出电压达到50%时，使触点（GR002-F29）断开，GR004-G01-G06晶闸管的整流控制脉冲被解除，稳压器GR001-A01.002单元A的灯点亮。这时，励磁系统正处于励磁状态。RUN灯在GR00-A01.000单位上闪烁。在发电机的输出电压达到100%时，可以进行同步安装。这时的励磁调节器采用“电压平衡”的模式，即通过调整稳压器的电压参数，使其与电网的电压差一致，从而达到并网的目的。当发电机投入电网时，同步设备的功能马上停止运转。该调整器采用“无功调整”模式，将无功设置成Q=0，电压设置为0。“RUN”的灯光变成了平光源。此模式持续大约7秒。然后切换到“电压调节”模式，按“+”和“-”键切换设定电压。

收到停止命令后，励磁调节器切换到“无功功率调节”模式，并将其设置为q=0。GR001-a01.000机组“运行”灯闪烁。发电机排成一行，以使逆变器和励磁机退磁。

3.3 励磁控制方式的选择配合

GR001机柜测试锁在正常工作状态下退出。GR002机柜的F15（励磁系统测试电源保险丝）接收GR003机柜的F06保险丝（励磁系统电源保险丝）。励磁控制模式为“自动”和“电压调节”。

励磁试验：GR001柜试验锁到位，GR002柜F15投入安全运行，GR003柜F06退出安全运行。励磁机通过“+”和“-”键调整晶闸管角度和励磁电流。

发电机零启动压力：GR001柜加载试验，GR002柜F15安全取出，GR003柜F06安全取出，采用“励磁电流控制”模式，发电机励磁电流通过“+”和“-”键调节，发电机手动零电压上升试验。

3.4 磁场源现场控制板

在现场控制箱GR001中，两个插槽插入装置均配有全手动微动开关。每个插头上的指示灯详细显示励磁系统的当前工作状态和故障状态。本手册详细描述了每个指标的状态含义。励磁调节器与远程DCS之间的通信信号通过硬接线和通信实现。因为硬导线的快速传送，所以DCS首先进行硬连接，而通讯信号却没有。通讯信号在硬接线出现故障时工作。信号、报警和状态等其他参数仅通过通信与DCS通信。

GR001的控制室内还有一个液晶显示器（320x240）。您还可以在该面板上完成一些重要操作，如“启动”和“停止”。主要用于显示发电机和励磁机的重要工作参数、励磁系统的工作状态和故障报警。主要包括：存储和显示2048条操作和故障记录；现场与集中控制DCS之间的实时通信，包括信号状态和内容；设置15台励磁调节器的参数（其他参数只能通过厂家现场调试软件设置）；用于分析发电机紧急停机故障原因的视频记录和显示。