（水利工程專業(yè)論文）安康水電站勵(lì)磁系統(tǒng)及交流勵(lì)磁機(jī)改發(fā)電機(jī)的可行性研究.pdf

安康水電站勵(lì)磁系統(tǒng)及交流勵(lì)磁機(jī)改發(fā)電機(jī)的可行性研究 水利工程 作者麓量麥 摘要 導(dǎo)眠張f 芻滾 勵(lì)磁裝置是水輪發(fā)電機(jī)組的重要控制設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系劍機(jī)組自身和 電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。提高勵(lì)磁裝置的控制性能，對于改善電力系統(tǒng)靜態(tài)、暫態(tài)及動(dòng) 態(tài)穩(wěn)定性相當(dāng)重要，并且可以提高水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備利用率。本文針對安康水電站勵(lì)磁 裝置陳舊落后的現(xiàn)狀，對所存在的問題進(jìn)行了較為深入的分析討論，提出了改造原舊勵(lì)磁 裝置的必要性。安康水電站原勵(lì)磁裝置嚴(yán)重制約已實(shí)施改造的微機(jī)調(diào)速、微機(jī)保護(hù)、計(jì)算 機(jī)監(jiān)控作用的發(fā)揮，已成為進(jìn)一步提高電廠整體自動(dòng)化水平的瓶頸。在廣泛調(diào)查分析國內(nèi) 目前先進(jìn)勵(lì)磁裝置及其工作性能的基礎(chǔ)上，提出了適合安康水電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造的最 佳方案一一雙微機(jī)全控橋式自并勵(lì)磁系統(tǒng)。新方案的實(shí)施，將充分發(fā)揮安康水電站在西北 電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻的重要作用。 為了充分利用設(shè)備，保持原機(jī)組的機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)狀態(tài)，現(xiàn)將勵(lì)磁系統(tǒng)改造后空余出的 交流勵(lì)磁機(jī)改為同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的副發(fā)電機(jī)，增加整體機(jī)組的_ _ 【二作容量。本文對副發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參 數(shù)、電磁諧波引起的振動(dòng)和推力軸承強(qiáng)度等進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。并對副發(fā)電機(jī)與主發(fā)電機(jī) 可能運(yùn)行方案做了深入的分析研究。當(dāng)副發(fā)電機(jī)與主發(fā)電機(jī)分別運(yùn)行丁兩個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)時(shí) 由于機(jī)組轉(zhuǎn)速取決于主發(fā)電機(jī)所在的大電網(wǎng)，副發(fā)電機(jī)將承擔(dān)其所在電網(wǎng)的全部變動(dòng)負(fù)荷。 因此，副發(fā)電機(jī)所在的電網(wǎng)負(fù)荷容量不要超過副發(fā)電機(jī)的容量。當(dāng)副發(fā)電機(jī)與主發(fā)電機(jī)運(yùn) 行于同一電網(wǎng)時(shí)，二者不僅有電磁聯(lián)系，而且有機(jī)械聯(lián)系。在副發(fā)電機(jī)或主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁發(fā) 生變化時(shí)，不但會(huì)使機(jī)組的無功發(fā)生變化，而且會(huì)在主、副發(fā)電機(jī)之間發(fā)生有功功率的重 新分配。主、副發(fā)電機(jī)磁極中心線與系統(tǒng)初相角前后不同，將使主、副發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的 順序不同。由于主、副發(fā)電機(jī)容量差別很大，并考慮到機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)保證主發(fā)電 機(jī)帶負(fù)荷優(yōu)先原則。本文還對副發(fā)電機(jī)改造方案的投資效益進(jìn)行了分析比較論證。 關(guān)鍵詞：安康水電站，水輪發(fā)電機(jī)組，勵(lì)磁裝置，靜態(tài)與暫態(tài)穩(wěn)定，副發(fā)電機(jī)，技術(shù)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 糾心 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 安康水電站，位于漢江千流，安康市以西18k m 處。裝機(jī)容量4 臺(tái)20 0m w ，是陜 西最大的水力發(fā)電廠，擔(dān)任著系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，發(fā)揮著重要作用。 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)是機(jī)組設(shè)備的重要組成部分，其性能優(yōu)劣對機(jī)組和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行極 為重要。但安康水電站機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型落后，設(shè)備可靠性差、與發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn) 的交流勵(lì)磁機(jī)供給陽極電壓的它勵(lì)式可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，響應(yīng)速度慢，很難滿足機(jī)組的安全 運(yùn)行和電網(wǎng)的穩(wěn)定。故此，決定對機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造 ( 1 ) 將由交流勵(lì)磁機(jī)供給陽極電壓的它勵(lì)式可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)改造成性能優(yōu)良的由機(jī)端 并聯(lián)勵(lì)磁變壓器供給陽極電壓的自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng) ( 2 ) 勵(lì)磁系統(tǒng)改造后。原與發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)空余了出來再將其改造出 同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的付發(fā)電機(jī)，增加調(diào)峰容量。 本文針對該項(xiàng)技術(shù)改造工作進(jìn)行可行性分析論證和研究，旨在指導(dǎo)技改工作。 第一章4 勵(lì)磁系統(tǒng)技改方案的建議 1 勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)改造的必要性 1 1 機(jī)組及勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù) 現(xiàn)機(jī)組的勵(lì)碰系統(tǒng)采用了與發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)( j l j ) 供給勵(lì)磁功率的它勵(lì) 式可控硅整流系統(tǒng)，并采用模擬電子電路裝置和分散的繼電控制模式電壓調(diào)節(jié)器( 見圖 2 圖卜1 安康水電廠機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)接線示意圖 主發(fā)電機(jī)參數(shù)： 發(fā)電機(jī)型號(hào)： sf2 00 56 12 800 額定功率： 額定電流： 額定電壓： 額定功率因數(shù) 額定轉(zhuǎn)速： 直軸同步電抗 交軸同步電抗 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 西安理工大學(xué)工程碩士論文 短路比： 直軸瞬變同步電抗 1 0 5 4 直軸超瞬變同步電抗： x d ”= o 2 1 負(fù)序電抗： x2 = 0 2 1 4 交流勵(lì)磁機(jī)參數(shù) 型號(hào)： 額定容量： 額定電壓： 額定電流 功率因數(shù) 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù) 勵(lì)磁電流： 勵(lì)磁電壓： 最高勵(lì)磁電壓 電壓增長速度 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 現(xiàn)有勵(lì)磁系統(tǒng)對穩(wěn)定不利 在我國同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定問題，可分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)( 暫態(tài)) 穩(wěn)定問題。當(dāng)同步發(fā) 電機(jī)在運(yùn)行中經(jīng)受微小的擾動(dòng)后，若能保持同步運(yùn)行。則稱為該發(fā)電機(jī)具有靜態(tài)穩(wěn)定能力 當(dāng)發(fā)電機(jī)受到大的擾動(dòng)，如切除大容量負(fù)荷、斷路器突然跳閘及發(fā)生短路等現(xiàn)象，此時(shí)能 否繼續(xù)保持同步運(yùn)行，屬于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的問題。 對動(dòng)態(tài)穩(wěn)定而言，勵(lì)磁系統(tǒng)表現(xiàn)在快速勵(lì)磁和強(qiáng)行勵(lì)磁的作用上。圖l 一2 表示勵(lì)磁 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)tl 與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定臨界電抗的關(guān)系。所謂臨界電抗就是事故切除后i 臨界功率特 性( 制動(dòng)面積等于加速面積) 相應(yīng)的e 、u 間的電抗。由圖可見，tl 在o 3 秒以下效果 第一章4 廁磁系統(tǒng)技改方案的建議 顯著。圖l 一3 表示勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓與動(dòng)態(tài)臨界電抗的關(guān)系。頂值電壓是勵(lì)磁系統(tǒng)所能 提供的最高勵(lì)磁電壓。由圖可見頂值電壓高、時(shí)間常數(shù)小可改善動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。只有快速響應(yīng) 的勵(lì)磁系統(tǒng)，又有較高的頂值電壓，對改善動(dòng)態(tài)穩(wěn)定才有較顯著的作用。 但是現(xiàn)有交流勵(lì)磁機(jī)帶可控硅整流的勵(lì)磁系統(tǒng)，時(shí)間常數(shù)均大于0 3 秒，響應(yīng)速度 慢，對動(dòng)態(tài)穩(wěn)定不利。 等。 鑒o 薯。 簍。 0 0 0 20 6 i 0 1 4 1 8 勵(lì)碰系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)t l ( 秒) 0i 02 03 04 05 頂值電壓( 衰么值) 圖1 2 勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)圖l 一3 勵(lì)磁系統(tǒng)項(xiàng)值電壓 與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定臨界電抗的關(guān)系 與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定臨界電抗的關(guān)系 1 3 現(xiàn)有勵(lì)磁系統(tǒng)選型落后、設(shè)備可靠性差 以同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)供給勵(lì)磁功率的它勵(lì)式可控硅整流系統(tǒng)，是六十年代的設(shè)計(jì) 水平。設(shè)計(jì)落后。同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)帶整流負(fù)載波形畸變，整流器換弧電抗的存在 使勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音( 單臺(tái)機(jī)高達(dá)90 分貝以上) 。振動(dòng)易引起機(jī)件損壞設(shè)備可靠性 降低：噪音形成環(huán)境污染。同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)受主機(jī)工況影響較大，在機(jī)組轉(zhuǎn)速異常 情況下，曾多次發(fā)生勵(lì)磁機(jī)低轉(zhuǎn)速過激磁和高轉(zhuǎn)速過電壓故障，造成可控硅等電子元器件 嚴(yán)重?fù)p壞。 4 壓一 ， 一 么 一 番 ： f 壓 一 電 ， 1 - 僵 口 - _ 一 順h ，蘭 一 f 障一 加 踮 柏 曬 ，l 西安理工大學(xué)工程碩士論文 產(chǎn)品。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器存在的問題： ( 1 ) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為模擬電子電路裝置和分散的機(jī)電控制模式的pi 調(diào)節(jié)器，屬于淘汰 ( 2 ) 兩套調(diào)節(jié)器中，共有數(shù)以萬計(jì)的分立元件組成的插件8 0 塊，調(diào)試復(fù)雜、維護(hù)工 作量大。 ( 3 ) 采用國產(chǎn)早期的運(yùn)算放大器fc5 4d 。易損壞，曾多次出現(xiàn)因運(yùn)放故障，引起 誤強(qiáng)勵(lì)現(xiàn)象。 ( 4 ) 調(diào)節(jié)器運(yùn)行時(shí)間長，4 號(hào)機(jī)己運(yùn)行l(wèi)0 年，元器件老化嚴(yán)重，故障率高，危及機(jī) 組安全運(yùn)行。 ( 5 ) 功能不完善，許多單元不能投入運(yùn)行。如積分單元、欠勵(lì)限制單元、pss 單元、 低電壓觸發(fā)單元。無v f 限制功能。對安全運(yùn)行和系統(tǒng)穩(wěn)定極為不利。 ( 6 ) 無法與已經(jīng)實(shí)施的機(jī)組微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊。 功率柜存在的問題 ( 1 ) 現(xiàn)在使用的可控硅為k p 一2 2 0 0 v 5 0 0 a ，其反向重復(fù)峰值電壓底，通態(tài)平均電流 小，可控硅數(shù)量多( 每臺(tái)機(jī)共有72 塊可控硅) ，檢修工作量大。 ( 2 ) 由于可控硅規(guī)格低，故功率柜數(shù)量多，主功率柜5 并2 串均流系數(shù)低。 ( 3 ) 每臺(tái)功率柜的冷卻風(fēng)機(jī)故障率高。 ( 4 ) d w l 5 6 3 0 a 兒4 0 v 的陽極開關(guān)，故障多，曾多次燒損。 4 滅磁系統(tǒng)存在的主要問題 ( i ) 氧化鋅( zn o ) 閥片使用能量為1 5 mj ，明顯偏低。lf 、3f 、4f 曾出 現(xiàn)過空載滅磁擊穿閥片的故障。 ( 2 ) 氧化鋅殘壓太高，不利于換流。 ( 3 ) 原來采用的滅磁開關(guān)為d m 一25 0 0a 50 0v 型單斷口開關(guān)，機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性 差拒跳拒合現(xiàn)象較多，不能可靠滅磁。 第一章4 勵(lì)磁系統(tǒng)技改方案的建議 ( 4 ) 保護(hù)裝置功能不完善。只有滅磁過電壓保護(hù)，缺少非全相和大滑差異步運(yùn)行過電 壓及尖峰過電壓保護(hù)功能。 ( 5 ) 原回路以高靈敏繼電器zkj 作過壓繼電器，由于該繼電器屬于低壓電器其線圈 接入轉(zhuǎn)子回路，而結(jié)點(diǎn)接入廠用直流2 2 0 v 回路。轉(zhuǎn)子過壓時(shí)，絕緣一旦擊穿，致使過電壓 傳入直流系統(tǒng)，將造成直流系統(tǒng)癱瘓。 ( 6 ) 設(shè)備運(yùn)行近十年之久，經(jīng)大電流多次沖擊氧化鋅閥片老化，伏安特性變壞。 ( 7 ) 每次滅磁之后都要更換f m k 斷口上并聯(lián)的熔短器維護(hù)量大，延誤機(jī)組的正 常備用或緊急開機(jī)。 從以上勵(lì)磁系統(tǒng)存在的諸多問題來看，它勵(lì)系統(tǒng)的勵(lì)磁方式設(shè)計(jì)落后，響應(yīng)速度慢 對系統(tǒng)及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行極為不利。模擬電子電路和分散的機(jī)電控制模式的調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及 性能低劣的可控硅整流系統(tǒng)，設(shè)備的可靠性差，故障率高等問題對機(jī)組自身的安全運(yùn)行 影響很大。 已經(jīng)實(shí)施的機(jī)組微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水機(jī)微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)等系統(tǒng)的技術(shù)改造，己 使我廠整體自動(dòng)化水平和設(shè)備可靠性都得到極大的提高，但勵(lì)磁系統(tǒng)目前的現(xiàn)狀和存在的 問題相差甚遠(yuǎn)，極不協(xié)調(diào)。與微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也無法實(shí)現(xiàn)接口。 在提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的許多措施中使發(fā)電機(jī)采用快速、靈敏的自并勵(lì)靜止可控硅整 流裝置，是最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施。對安康電廠的機(jī)組而言，若改用自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì) 磁系統(tǒng)，不僅能提高安南線的靜穩(wěn)極限，還有助于提高整個(gè)系統(tǒng)中陜、甘電網(wǎng)間的靜穩(wěn)極 限。 在我國許多原來采用同軸運(yùn)轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)它勵(lì)系統(tǒng)的水電站，如南埡河、緣水河、響洪甸 ( 裝機(jī)4 臺(tái)1 1 5 m w ) 、紀(jì)村( 2 臺(tái)1 7 m w ) 等水電廠，均已將同軸運(yùn)轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)的它勵(lì)方式改 造為自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)并收到了良好的效果。許多新建的大型水輪發(fā)電機(jī)組 如龍羊峽、李家峽、二灘、伊泰普、大古力等，都廣泛采用自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。 作為陜西電網(wǎng)中的大型骨干電廠。在系統(tǒng)中的調(diào)峰、調(diào)頻作用巨大。按照對水電廠的 西安理工大學(xué)工程碩士論文 發(fā)展要求，要逐步實(shí)現(xiàn)“少人值守，無人值班”向一流企業(yè)邁進(jìn)。機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的差距顯 然太大。對勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行改造，用自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)和微機(jī)控制調(diào)節(jié)器替代目前 的它勵(lì)系統(tǒng)和模擬電子電路、機(jī)電控制式調(diào)節(jié)器，已顯得十分必要和迫切。 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁功率直接取自機(jī)端勵(lì)碰變壓器，無旋轉(zhuǎn)設(shè)備接線 簡單造價(jià)低廉。由于直接通過可控硅控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓，調(diào)節(jié)速度快，對于抑制發(fā)電 機(jī)的過電壓及欠電壓有很好的效果，從而有利于提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。由于 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁明顯的優(yōu)點(diǎn)，被推薦用于大型發(fā)電機(jī)組，特別是水輪發(fā)電機(jī)組上。 國外某些公司把這種方式列為大型機(jī)組的定型勵(lì)磁方式。雖然有人對自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì) 磁曾有過疑慮，主要有以f 兩方面：自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值電壓受發(fā)電機(jī)端和系 統(tǒng)側(cè)故障的影響在發(fā)電機(jī)近端三相短路而切除時(shí)間又較長的情況下，不能提供足夠的勵(lì) 磁電流，以致影響電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定：由于短路電流的迅速衰減，帶時(shí)限的繼電保護(hù) 是否能正確動(dòng)作。從大量國內(nèi)外分析研究和試驗(yàn)表明，對于大、中型機(jī)組。由于其轉(zhuǎn)子時(shí) 間常數(shù)較大，轉(zhuǎn)子電流在0 5 秒后才開始明顯的衰減，考慮到高壓電網(wǎng)中重要設(shè)備的主保 護(hù)動(dòng)作時(shí)間都在0 1 秒之內(nèi)。且都設(shè)有雙重保護(hù)，因此問題并非想象的那么嚴(yán)重。 長期以來，世界各國科學(xué)工作者為改善勵(lì)磁性能作了大量的工作，勵(lì)磁系統(tǒng)及其控制技 術(shù)取得了長足的進(jìn)展，這些進(jìn)步主要體現(xiàn)在勵(lì)磁功率單元、控制規(guī)律以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的“硬 件”三方面。 從勵(lì)磁功率單元的發(fā)展來看它經(jīng)過了直流勵(lì)磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、靜止勵(lì)磁系統(tǒng)等幾個(gè) 階段其趨勢是向大容量、高可靠性、快速響應(yīng)方向發(fā)展?？焖賱?lì)磁系統(tǒng)的出現(xiàn)為提高電力 系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性作出了重要的貢獻(xiàn)。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的研究一直是一個(gè)極為活躍的領(lǐng)域。為了通過勵(lì)磁控制提高系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性并兼顧暫態(tài)穩(wěn)定，人們先后發(fā)展了采用比例、積分、微 分調(diào)節(jié)方式的p l d 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，強(qiáng)力勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器( p s s ) ，全狀態(tài)量反饋的 線性最優(yōu)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器( l o e c ) 非線性控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器( n e c ) 和模糊控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器( 正在 第一章4 勵(lì)磁系統(tǒng)技改方案的建議 研制和試驗(yàn)中) 等不同的勵(lì)磁控制方式。以前由于網(wǎng)架十分薄弱，層次不清，因此十分強(qiáng)調(diào) 勵(lì)磁裝置對改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的作用。但近十年來，各大區(qū)電網(wǎng)和各個(gè)省電網(wǎng)、電力 輸變電網(wǎng)架已得到根本性的加強(qiáng)，在單一故障下( 包括三相短路故障) 已不存在暫態(tài)失穩(wěn)問 題。由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)所固有的勵(lì)磁系統(tǒng)本身對改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定的作用是有限的 花更多的錢，甚至犧牲可靠性指標(biāo)( 設(shè)備硬軟件的復(fù)雜性必然影響可靠性) 去追求二次控制裝 置對改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的那一點(diǎn)效益，在多數(shù)情況下工程意義不大，甚至可能是得 不償失的( 個(gè)別情況除外) 。實(shí)踐表明，就目前的技術(shù)和設(shè)備水平來說，大型機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 采用p l d + p s s 控制規(guī)律和全狀態(tài)量反饋的線性最優(yōu)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器( l o e c ) 小型機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié) 器采用p i d 控制規(guī)律，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求。對極少數(shù)非配備復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制性能不 可( 如非線性控制、模糊控制等) 的工程應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證，同時(shí)要求設(shè)備要可靠。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了磁放大器組成的電磁型調(diào)節(jié)器、半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 等幾個(gè)階段來看，其總趨勢是向提高可靠性、提高響應(yīng)速度、適應(yīng)復(fù)雜控制規(guī)律的方向發(fā)展。 在勵(lì)磁系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬勵(lì)磁控制系統(tǒng)控制精度低、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定復(fù)雜、功能單一、運(yùn) 行故障率高且控制系統(tǒng)的通用性、兼容性和擴(kuò)展性都比較差。同時(shí)電力系統(tǒng)的發(fā)展賦予同 步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)以更多而重要的職能，其控制規(guī)律越來越豐富以致模擬式調(diào)節(jié)器有時(shí)難以 勝任。近年來隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展微機(jī)開始在電廠普及應(yīng)用。利用微機(jī)構(gòu)成的 勵(lì)磁控制系統(tǒng)，其控制裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單、清晰。硬件設(shè)備通用性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。軟件 靈話，能夠方便實(shí)現(xiàn)多種功能和滿足各種控制規(guī)律的要求。裝置的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)、 運(yùn)行方便，特別容易與其他自動(dòng)化設(shè)備接口組成高一級(jí)和大范圍的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前，國 內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的是半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用和不斷的發(fā)展、改進(jìn)、 完善，逐步成熱并以其獨(dú)特的特點(diǎn)而逐漸為人們接受，在許多電廠得到了廣泛的應(yīng)用。新建 電廠一般都選用微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。 西安理工大學(xué)工程碩士論文 2 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)如圖卜4 所示，由主回路( 勵(lì)磁變壓器、整流電路等) 和 控制回路( 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器) 組成，機(jī)端勵(lì)磁變壓器作為電源，經(jīng)三相半控或全控整流橋直接 供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。 s 圖卜4 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)框圖 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有： ( 1 ) 勵(lì)磁系統(tǒng)接線和設(shè)各比較簡單，無轉(zhuǎn)動(dòng)部分，維護(hù)費(fèi)用少，可靠性高。 ( 2 ) 不需要同軸勵(lì)磁機(jī)，可縮短主軸長度，這樣可減少基建投資。 ( 3 ) 直接用晶閘管控制轉(zhuǎn)子電壓，可獲得很快的勵(lì)磁電壓響應(yīng)速度可近似認(rèn)為具有階 躍函數(shù)那樣的響應(yīng)速度。 ( 4 ) 由發(fā)電機(jī)機(jī)端取得勵(lì)磁能量。機(jī)端電壓與機(jī)組轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故靜止勵(lì)磁系 統(tǒng)輸出的勵(lì)磁電壓與機(jī)組轉(zhuǎn)速的一次方成正比。而同軸勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的勵(lì)磁電壓與 轉(zhuǎn)速的平方成正比。這樣，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)機(jī)組的過電壓就底。 由于上述明顯的優(yōu)點(diǎn)，自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)被廣泛推薦用于大型水輪發(fā)電機(jī)組 上。國外某些公司把這種方式列為大型機(jī)組的定型勵(lì)磁方式。在我國新建大型機(jī)組上，廣 9 第二章2 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理 泛采用這種勵(lì)磁方式。 2 1 三相橋式全控橋整流電路 整流電路的主要任務(wù)是將交流電壓整流成直流電壓供給勵(lì)磁繞組中小型機(jī)組一般采 用三相橋式半控橋接流電路，大中型機(jī)組一股采用三相橋式全控橋整流電路。 三相全控橋整流電路六個(gè)整流元件全部采用晶閘管。由于上、下兩組晶閘管必須各有 一只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通電路才能工作，為保證電路正常工作，六只晶閘管的導(dǎo)通順序應(yīng)為l 2 3 ，4 5 ，6 。它們的觸發(fā)脈沖相位依次相差6 0 。：為了保證開始丁= 作時(shí)，能有兩個(gè)晶閘 管同時(shí)導(dǎo)通觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)大于6 06 或采用雙脈沖工作方式。 三相全控橋整流電路與三相半控橋整流電路不同之處。在控制角a 9 0 。時(shí)，三相全 控橋工作在整流狀態(tài)將交流轉(zhuǎn)換為直流。在控制角9 0 。 a 王1 8 0 。時(shí)，三相全控橋工作 在逆變狀態(tài)，將直流轉(zhuǎn)換為交流。在逆變狀態(tài)下。直流側(cè)發(fā)出功率，將原來整流狀態(tài)下發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈中儲(chǔ)存的磁場能量，釋放出來送回到交流側(cè)，將能量反送回電網(wǎng)。利用這一 特性可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的快速滅磁，能有效的防止機(jī)組的過電壓現(xiàn)象。為了確保逆變的成 功根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要把控制角限制在a 1 5 06 1 5 5 。范圍。 2 2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器按元件結(jié)構(gòu)分，可分為機(jī)電型、電磁型、半導(dǎo)體型和數(shù)字式微機(jī)型等；按 控制原理來分，可分為補(bǔ)償型和反饋型兩大類。 0 西安理工大學(xué)工程碩士論文 2 2 1 基本特性與框圖 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器框圖由基本控制和輔助控制兩大部分組成，如圖卜5 所示?；究刂?由調(diào)差、測量比較、綜合放大和移相觸發(fā)單元組成，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和無功功率分配等最基 本的調(diào)節(jié)功能。而輔助控制是為滿足發(fā)電機(jī)不同工況，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善勵(lì)磁控 制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能而設(shè)置的單元一一勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和勵(lì)磁限制等。 刷精誓帆 兩蠢亂 發(fā)屯帆 圖卜5 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器框圖 2 2 2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性采用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓u g 與無功負(fù)荷電流i q 關(guān)系曲線表 示，如圖1 6 所示。表征該運(yùn)行特性的一個(gè)重要參數(shù)一一調(diào)差系數(shù)6 ，其定義為 6 = ( u g l 一u g 2 ) u g e 1 0 0 式中u g e 發(fā)電機(jī)額定電壓；u g l 、u g 2 分別為空載運(yùn)行和帶額定無功電流時(shí)的 發(fā)電機(jī)電壓。調(diào)差系數(shù)6 表示無功電流從零增加到額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓的相對變化。調(diào) 差系數(shù)越小，無功電流相同變化時(shí)發(fā)電機(jī)電壓變化越小。所以調(diào)差系數(shù)6 表征了勵(lì)磁控制 第二章2 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的丁作原理 系統(tǒng)維持電壓的能力。 u g u u c 2 6 0 o ，口， 圖卜6 無功調(diào)節(jié)特性 lq l i 口 圖卜7 調(diào)節(jié)特性的平移 l 口 ，口 發(fā)電機(jī)的無功功率的控制可通過平移發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性來實(shí)現(xiàn)。設(shè)某臺(tái)發(fā)電機(jī)與無限大 母線并聯(lián)運(yùn)行。如圖l 一7 所示，發(fā)電機(jī)無功電流從i q l 減到i q 2 ，只需要將調(diào)節(jié)特性由l 平移到2 的位置。如果調(diào)節(jié)特性繼續(xù)平移到3 的位置，則它的無功電流將減小到零。 2 西安理 大學(xué)工程碩士論文 2 2 3 輔助控制 ( 1 ) 最小勵(lì)磁限制 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)電機(jī)容量不斷增大，大容量發(fā)電機(jī)組對勵(lì)磁控制系統(tǒng)提出了 更高的要求。例如在超高壓電力系統(tǒng)中輸電線的電壓等級(jí)很高，此時(shí)輸電線路的電容電 流也相應(yīng)增加。因此當(dāng)線路輸送功率較小時(shí)，線路的容性電流引起的剩余無功功率使系 統(tǒng)電壓上升，以至超過允許的范圍。使發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行吸收剩余無功功率是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì) 的辦法，但發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，容許吸收的無功功率和發(fā)出的有功功率有關(guān)，此時(shí)發(fā)電機(jī) 最小勵(lì)磁電流值應(yīng)限制在發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定極限及發(fā)電機(jī)定子端部發(fā)熱允許的范圍。為此 在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中設(shè)置了最小勵(lì)磁限制。 發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)吸收系統(tǒng)的無功功率，此時(shí)受靜態(tài)穩(wěn)定極限的限制 這是第一個(gè)限制條件。由于發(fā)電機(jī)由滯相運(yùn)行轉(zhuǎn)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流減少，吸收無功增 加，使定子端部合成磁通越來越大，造成端部發(fā)熱嚴(yán)重，這是第二個(gè)限制條件。圖卜8 給 出的是功率極限p m 、o l n 圓圖。假設(shè)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行于a 點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，在勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器的作用下，發(fā)電機(jī)減少勵(lì)磁，運(yùn)行點(diǎn)沿a c 向下移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到c 點(diǎn)即達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極 限，在超過就失去穩(wěn)定。在a 點(diǎn)運(yùn)行，如增加有功輸出，運(yùn)行點(diǎn)往a b 方向移動(dòng)，達(dá)到b 點(diǎn)后若繼續(xù)沿a b 方向移動(dòng)同樣會(huì)失去穩(wěn)定。為了確保發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中設(shè) 置了最小勵(lì)磁限制器，它可根據(jù)發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)，對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流實(shí)施與該運(yùn)行狀 態(tài)相適應(yīng)的最小勵(lì)磁限制。 ( 2 ) 最大勵(lì)磁限制 對丈容量發(fā)電機(jī)組由于系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)有高起始響應(yīng)特性，措施之一是 提高晶閘管整流裝置的電壓，使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁頂值電壓大大超過其允許值。勵(lì)磁電流過大 超過規(guī)定的強(qiáng)勵(lì)電流會(huì)危及發(fā)電機(jī)的安全。為此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中必須設(shè)置瞬時(shí)電流限制 器以限制強(qiáng)勵(lì)頂值電流。 3 第二章2 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理 最大勵(lì)磁限制是為了防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組長時(shí)間過勵(lì)磁而采取的安全措施。按規(guī)程要 求當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓下降至8 0 8 5 額定電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁應(yīng)迅速強(qiáng)勵(lì)到頂值電流 一股為1 6 2 0 倍額定勵(lì)磁電流。由于受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱的限制，強(qiáng)勵(lì)時(shí)間不允許超 過規(guī)定值。為了機(jī)組的安全運(yùn)行勵(lì)磁電流應(yīng)具有反時(shí)限特性，如圖卜9 所示。 4 ，( s ) 1 2 0 l o l 圖卜8 發(fā)電機(jī)圖功率極限p m 、q m 圓 西安理工大學(xué)工程碩士論文 圖卜9 最大勵(lì)磁限制器反時(shí)限特性 輔助控制與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正常情況下自動(dòng)控制的區(qū)別是，輔助控制不參與正常情況下的 自動(dòng)控制，僅在發(fā)生非正常運(yùn)行工況，需要?jiǎng)?lì)磁調(diào)節(jié)器具有某些特有的限制功能時(shí)，通過 綜合環(huán)節(jié)閉鎖正常的電壓控制使相應(yīng)的限制器起控制作用。 2 2 4 數(shù)字式微機(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 ( 1 ) 概述 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展及其可靠性的提高，許多工業(yè)控制領(lǐng)域原來常規(guī)的模擬式 電子設(shè)備正逐漸淘汰被以微處理器為核心的大規(guī)模集成電路數(shù)字式電子系統(tǒng)所替代。微 機(jī)控制系統(tǒng)具有硬件線路簡單、軟件功能靈活，能夠方便地實(shí)現(xiàn)多種控制功能。并且隨著 自動(dòng)控制理論不斷發(fā)展，高可靠性智能控制策略在微機(jī)中實(shí)現(xiàn)成為可能，全數(shù)字式勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器能夠滿足各種控制規(guī)律的要求。 ( 2 ) 框圖簡介( 硬件、軟件) 數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器框圖如圖卜1 0 所示。 主機(jī)：由微處理器( c p u ) 、r a i 、r 伽存儲(chǔ)器等器件組成，它是調(diào)節(jié)器的核心部件 它根據(jù)輸入通道采集來的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變量的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算和邏輯判斷，并按照預(yù) 定的程序進(jìn)行信息處理求得控制量通過數(shù)字移相脈沖接口電路發(fā)出與控制角。對應(yīng)的脈 沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁電流的控制。 模擬量輸入通道：為了維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓水平和機(jī)組間無功功率的分配，須測得發(fā) 電機(jī)的運(yùn)行電壓u g ，無功功率q 、有功功率p 和勵(lì)碰電流i e f 等，選用恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌⒆?送器或直接采用交流采樣與數(shù)模模數(shù)( a d ) 接口電路相匹配。 開關(guān)量輸入、輸出( d i d 0 ) 通道：電壓調(diào)節(jié)器也需采集發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息如斷 第二章2 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理 路器、滅磁開關(guān)等的狀態(tài)信息。 脈沖輸出放大通道：輸出的控制脈沖信號(hào)需經(jīng)中間放大、末級(jí)放大后，才能觸發(fā)大功 率晶閘管控制其輸出電流。 人機(jī)界面、運(yùn)行操作設(shè)備：數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器要有一套供運(yùn)行人員操作的按鈕、把手 用于增、減勵(lì)磁和監(jiān)視調(diào)節(jié)器運(yùn)行。另外還有一套供程序員使用的操作鍵盤，用于調(diào)試程 序、設(shè)定參數(shù)等。 填節(jié)汁i ：抻科凡步乜睚 圖卜1 0 數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器框圖 ( 3 ) 控制算法 數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器在硬件配置基本相同的情況下，采用不同的控制算法可靈活地實(shí)現(xiàn) 不同的調(diào)節(jié)規(guī)律。近年來，隨著自動(dòng)控制理論發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制 理論的迅猛發(fā)展，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中采取了各種控制策略從p i 、p i d 控制，到線 6 西安理工大學(xué)工程碩士論文 性最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)變參數(shù)的自適應(yīng)控制，以及模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等人工智能 控制，極大地促進(jìn)了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制性能的改善。 但是，目前已投入運(yùn)行絕大多勵(lì)磁調(diào)節(jié)器仍采用p i d 控制方式，而其他控制方式正在理 論探討、研制和小量試運(yùn)行階段。眾所周知，p i d 控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、易實(shí) 現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。并且，只要其結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇得當(dāng)，在某種程度上可達(dá)到最優(yōu)控制，具有良好 的控制性能。 p i d 控制算法的原理框圖如圖卜1 l 所示。殷有位置型算法和增量型算法兩種類型。 圖卜1 1p i d 調(diào)節(jié)算法原理框圖 y ( r1 ( 4 ) 數(shù)字式移相同步 微機(jī)計(jì)算出的控制量是一個(gè)數(shù)字量，要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為晶閘管的導(dǎo)通角a 的觸發(fā)脈沖 這就需要數(shù)字脈沖電路。一般在微機(jī)系統(tǒng)中采用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，如z 8 0 一c t c 、 i n t e l 8 2 5 3 、單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)，計(jì)數(shù)器t l 、t 2 、t 3 等。在電壓信號(hào)過零時(shí)作為計(jì)數(shù)的起點(diǎn)， 用控制量對應(yīng)的數(shù)字量和信號(hào)的周期數(shù)計(jì)算出計(jì)數(shù)器的延時(shí)個(gè)數(shù)，并送給定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行 延時(shí)，從而得到導(dǎo)通角a 。 第二章2 自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理 3 勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響 勵(lì)磁控制系統(tǒng)對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用，一直是人們關(guān)心的課題和努力的目標(biāo)，長 期以來以進(jìn)行了大量的研究工作。早期的研究認(rèn)為。無失靈區(qū)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可以提高電力 系統(tǒng)的靜穩(wěn)定功率極限。同時(shí)，在空載和負(fù)載兩種情況下，對勵(lì)磁調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的要求 是不一樣的。研究發(fā)現(xiàn)，互聯(lián)系統(tǒng)本身固有的自然阻尼微弱性是發(fā)生系統(tǒng)振蕩的主要原因 而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)又使系統(tǒng)產(chǎn)生副阻尼效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩。進(jìn)一步研究得知 勵(lì)磁系統(tǒng)引入適當(dāng)?shù)男盘?hào)，可以增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼對于克服增長性的振蕩是一種較為有效的 措施。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定主要是指功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定。 3 1 功角穩(wěn)定 功角穩(wěn)定包括靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定性又稱小干擾穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在遭受 很小的干擾或“無窮小”干擾時(shí)維持穩(wěn)定運(yùn)行，不發(fā)生爬行失步或振蕩失步的能力。暫 態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在遭受大干擾一一一般指各種短路故障后是否能維持在原運(yùn)行點(diǎn)或過渡到 新的運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。其穩(wěn)定的性質(zhì)和穩(wěn)定的極限既與事故前的正常運(yùn)行點(diǎn)或系統(tǒng) 運(yùn)行方式有關(guān)，又與故障嚴(yán)重程度和反事故措施有關(guān)，而故障是隨機(jī)的。 3 2 頻率穩(wěn)定 頻率穩(wěn)定通常是指系統(tǒng)突然出現(xiàn)大的有功不平衡后，能否通過調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的出力來維 持全系統(tǒng)或解列后的子系統(tǒng)的頻率使不降到危險(xiǎn)值以下，而在統(tǒng)一頻率下穩(wěn)定的問題。系 統(tǒng)互聯(lián)，雖使系統(tǒng)承受有功沖擊的能力加強(qiáng)了但系統(tǒng)可能遭受的有功不平衡也可能加大 西安理工大學(xué)工程碩士論文 了，因此，并列系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的問題不是可以忽略了。 3 3 電壓穩(wěn)定 電壓穩(wěn)定是指由于無功功率的供需不平衡所引起的部分地區(qū)或全系統(tǒng)的電壓不能維持 在正常允許的范圍穩(wěn)定運(yùn)行的問題。遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)及互聯(lián)系統(tǒng)如果受電端缺乏足夠的無 功電源對其電壓進(jìn)行有效的支撐則在某些正常運(yùn)行方式下，事故后的運(yùn)行方式或動(dòng)態(tài)過 程中。由于無功電源的容量或調(diào)節(jié)能力的變化就會(huì)演變成地區(qū)系統(tǒng)甚至全系統(tǒng)的電壓崩潰。 功角穩(wěn)定過程較短約以秒計(jì)，稱短時(shí)間穩(wěn)定：頻率穩(wěn)定問題持續(xù)時(shí)間比較長約以數(shù)十 秒計(jì)。屬中期穩(wěn)定；考慮到重新并網(wǎng)等的影響稱長期穩(wěn)定。 隨著電力系統(tǒng)的迅速增大。其特性呈現(xiàn)出強(qiáng)非線性、時(shí)變性和某些不確定因素，常使 建立精確的模型有困難，僅靠現(xiàn)有的線性或非線性控制理論是有局限的，必須進(jìn)行智能控 制理論。目前智能控制理論主要有三種途徑：專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。智能 控制必將成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的發(fā)展方向。 第四章4 勵(lì)磁系統(tǒng)技改方案的建議 4 勵(lì)磁系統(tǒng)技改方案的建議 國內(nèi)外有許多廠家生產(chǎn)可控硅勵(lì)磁裝置較著名的有南京南瑞集團(tuán)電氣控制公司、廣 東電器科學(xué)研究院、河北工學(xué)院、哈爾濱電機(jī)廠、東方電機(jī)廠等，經(jīng)過初步分析論證選擇 東方電機(jī)廠生產(chǎn)的d w ls 一2 3 c 型雙微機(jī)調(diào)節(jié)的可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，它是目前普遍采用在大型水 輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)首選方案。 并對勵(lì)磁系統(tǒng)提出以下要求和部分說明。 4 1 勵(lì)磁變壓器的選擇 勵(lì)磁變壓器不同于一般的電力變壓器，它的負(fù)載主要是可控硅整流后的感性負(fù)載，變 壓器的二次側(cè)有高次諧波其中5 次、7 次和11 次產(chǎn)生的損耗比例最大，附加損耗比 般電力變壓器大。因此，對變壓器應(yīng)提出勵(lì)磁系統(tǒng)的特殊要求：1 1 倍額定電流下長期運(yùn) 行：在機(jī)端電壓為1 3 倍的額定電壓下保證勵(lì)磁變安全運(yùn)行：最高溫升不超過8 0 ：高 低壓線圈間有屏蔽層并接地：三相繞組的電壓不對稱度小于1 ：在磁路和電路的設(shè)計(jì)中 應(yīng)充分考慮可控硅整流中產(chǎn)生的諧波影響等。建議選擇環(huán)氧澆鑄式、戶內(nèi)、自冷、干式變 壓器，參數(shù)如下： 2 0 額定容量： 原邊額定電壓 付邊額定電壓 溫升： 1 8 0 0 k v a 1 3 8k v 7 0 0v 8 0 西安理工大學(xué)工程碩士論文 4 2 可控硅整流裝置 ( 1 ) 可控硅整流裝置采用三相全控橋式整流電路。每個(gè)柜中設(shè)一組整流橋，可控硅元件 采用大板式安裝，可控硅采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。 ( 2 ) 可控硅整流裝置的交、直流側(cè)均應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的過流、過壓保護(hù)。 ( 3 ) 可控硅整流裝置應(yīng)設(shè)置整流橋分支電流導(dǎo)通檢測裝置。當(dāng)橋臂不導(dǎo)通時(shí)發(fā)出故障 報(bào)警信號(hào)，并有風(fēng)機(jī)停運(yùn)保護(hù)、脈沖丟失保護(hù)等保護(hù)功能。 ( 4 ) 冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)采用雙回路供電。一路取自勵(lì)磁電源變壓器低壓側(cè)的輔助變壓器另一 路來自廠用電。兩路電源要能夠相互閉鎖和切換。 4 3 雙微機(jī)調(diào)節(jié)器 ( 1 ) dwls 一23c 型雙微機(jī)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)上采用有效的雙微機(jī)并聯(lián)冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu) 兩套微機(jī)構(gòu)成的雙通道從輸入到輸出均可完全獨(dú)立工作。雙機(jī)之間相互診斷、相互跟蹤、 相互切換、互為備用。能最大限度地容忍系統(tǒng)部件故障，減少機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī)率而提高可靠 性。 ( 2 ) 采用32 位8 0 4 8 6 處理器的pc 總線規(guī)范的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，開放式結(jié)構(gòu)，功能 完善，計(jì)算迅速，外部接口電路已成系列，維護(hù)、更換、升級(jí)都十分方便，具有較強(qiáng)的抗 振、抗沖擊性能。 ( 3 ) 發(fā)電機(jī)的狀態(tài)反饋?zhàn)兞坎捎酶咚俳涣鞑蓸臃绞綄?shí)時(shí)快速經(jīng)富理葉變換直接獲取。 軟件上設(shè)有實(shí)時(shí)在線自診斷功能，每個(gè)控制周期cpu 均檢測該部分的硬件狀態(tài)并能根據(jù) 診斷結(jié)果迅速判斷所獲反饋?zhàn)兞空_與否，而決定是否采用。 ( 4 ) 冗余信息的快速交換，采用性能優(yōu)良的a r c n e t 令牌總線式工業(yè)局域網(wǎng)完成線路 簡單抗干擾能力強(qiáng)。 2 第四章4 勵(lì)磁系統(tǒng)技改方案的建議 ( 5 ) 晶閘管整流橋的觸發(fā)脈沖須采用全數(shù)字方式形成。脈沖輸出部分設(shè)有脈沖丟失 極脈沖異常檢測電路，當(dāng)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)異常時(shí)能迅速切斷故障脈沖。 ( 6 ) 全軟件須能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)組各個(gè)工況下勵(lì)磁調(diào)節(jié)及各種保護(hù)限制功能。 ( 7 ) 應(yīng)提供與電廠上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各種形式的接口，也可采用常規(guī)結(jié)點(diǎn)聯(lián)接方式。 ( 8 ) 調(diào)節(jié)器人機(jī)接口設(shè)計(jì)為運(yùn)行人員和維修人員接口兩部分。運(yùn)行人員接口采用圖形 液晶顯示勵(lì)磁控制系統(tǒng)運(yùn)行的各參量和狀態(tài)極故障信息，直觀明了。維護(hù)人員接口為外掛 微型計(jì)算機(jī)，用菜單修改調(diào)節(jié)器參數(shù)。試驗(yàn)過程中，調(diào)試軟件可紀(jì)錄數(shù)據(jù)和波形等。 ( 9 ) 系統(tǒng)應(yīng)全面考慮采用微機(jī)抗干擾技術(shù)，各通道微機(jī)系統(tǒng)與外界的信號(hào)系統(tǒng)之間采 用全浮隔離技術(shù)，采用各自獨(dú)立的電源供電，通道與通道之間在電器上相互隔離，就可大 大提高了整個(gè)系統(tǒng)抗共模干擾能力。 2 2 dwls 一23c 調(diào)節(jié)器須能實(shí)現(xiàn)以下五種運(yùn)行方式方便運(yùn)行中選擇 空載跟蹤網(wǎng)壓運(yùn)行方式 恒機(jī)端電壓運(yùn)行方式 恒勵(lì)磁電流運(yùn)行方式 恒無功負(fù)荷運(yùn)行方式 恒功率因數(shù)運(yùn)行方式 隱含運(yùn)行方式為恒端電壓運(yùn)行方式 q d 軟件可實(shí)現(xiàn)下列輔助及勵(lì)磁限制功能 欠勵(lì)磁瞬時(shí)限制功能 瞬時(shí)延時(shí)過勵(lì)磁限制功能 + 定子電流