發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的若干問題

1、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的若干問題浙江省電力試驗(yàn)研究院竺士章陳新琪摘要：提出了對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)限制和V/Hz限制特性的看法，提出了過無功限制與過勵(lì)限制沖突應(yīng)屏蔽該功能，分析了勵(lì)磁限制和PSS 介入自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的方式，提出了弱系統(tǒng)下的低勵(lì)限制小擾動(dòng)穩(wěn)定性下降以及可以采取的措施，對(duì)采用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行分析得到一般不應(yīng)在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中采用雙環(huán)調(diào)節(jié)器的結(jié)論。關(guān)鍵詞：勵(lì)磁系統(tǒng)、問題近年來大型發(fā)電機(jī)組正以前所未有的速度大量投產(chǎn)運(yùn)行，這批發(fā)電機(jī)組的性能決定了電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。發(fā)電機(jī)的性能受其控制保護(hù)系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響。在發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范的范圍內(nèi)，控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能

2、發(fā)揮發(fā)電機(jī)最大的能力，同時(shí)不使其越出安全范圍，當(dāng)越出時(shí)保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)解列滅磁停機(jī)。本文介紹了影響發(fā)電機(jī)發(fā)揮作用的勵(lì)磁系統(tǒng)若干問題。1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過電流能力和過勵(lì)限制提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，勵(lì)磁系統(tǒng)的過勵(lì)限制正確整定是一個(gè)方面。長期以來IEC 未對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流能力作出規(guī)定。我國水輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了2倍的強(qiáng)勵(lì)（GB/T7894-2001）。我國汽輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7064）曾經(jīng)按照ANSI C50.13-1989規(guī)定了用轉(zhuǎn)子電壓來描述的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷能力，即2.08倍10s ；也曾經(jīng)取消該規(guī)定，提出“見勵(lì)磁系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T7409”，GB/T7409規(guī)定強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)不小于1.8倍10s 。IE

3、EE C50.13-2005 4.2.2條提出強(qiáng)勵(lì)電流指標(biāo)為209%10s，計(jì)算公式為（I 2-1）t=33.75。據(jù)悉國標(biāo)GB/T7064今年將參照該規(guī)定作出修改。這樣，有了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流的規(guī)定，勵(lì)磁系統(tǒng)才有依據(jù)作出頂值能力的規(guī)定，繼而對(duì)過勵(lì)限制正確整定。交流勵(lì)磁機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)最好按照新的汽輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)作出修訂，以滿足發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)要求。在大型發(fā)電機(jī)組上大量使用的ABB UNF、ABB UN5000沒有按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流特性設(shè)計(jì)其過勵(lì)限制特性，而按照電流差的平方設(shè)計(jì)，結(jié)果見圖1。這種過勵(lì)限制在滿足頂值電流持續(xù)時(shí)間要求時(shí)低倍數(shù)的許可持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子繞組許可時(shí)間，在滿足低倍數(shù)電流持續(xù)時(shí)間要求時(shí)頂值電

4、流的許可持續(xù)時(shí)間僅24s 遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子繞組許可時(shí)間10s 。前者，不利于轉(zhuǎn)子繞組的安全，勵(lì)磁限制遲于繼電保護(hù)動(dòng)作失去限制作用；后者，限制發(fā)電機(jī)發(fā)揮作用，不利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定。 圖1轉(zhuǎn)子繞組過電流特性和過勵(lì)限制特性ABB 正在對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。臨時(shí)方案不改變電流差的平方，只是調(diào)整變量。結(jié)果見圖2。永久方案計(jì)算公式為電流平方的差，完全與要求一致。我們要求直接實(shí)施永久方案，不但對(duì)新訂貨設(shè)備，而且對(duì)已經(jīng)投產(chǎn)設(shè)備也實(shí)施永久方案。但是，這一切剛剛開始，還沒有到實(shí)施階段，還需要各方面積極推動(dòng)ABB 早日實(shí)施永久方案。在永久方案實(shí)施之前，運(yùn)行的過勵(lì)限制建議按照2倍4.7s100%電流啟動(dòng)進(jìn)行整定，見圖3 。圖2

5、ABB的臨時(shí)改進(jìn)方案 圖3 ABB修改前的過勵(lì)限制建議整定特性勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)限制包含頂值電流瞬時(shí)限制和發(fā)熱反時(shí)限限制兩種。頂值電流瞬時(shí)限制成功與否按照電流是否越出設(shè)定的上限，并加上小延時(shí)加以判斷。反時(shí)限限制成功與否按照熱量積累是否越出設(shè)定的上限加以判斷。按照GB/T14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)定，大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分組成。DL/T694-1999大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則4.5.2條規(guī)定“反時(shí)限保護(hù)的動(dòng)作特性與轉(zhuǎn)子繞組允許的過熱特性相同”。勵(lì)磁的過勵(lì)限制與保護(hù)差一個(gè)級(jí)差，比如比保護(hù)提前1/10時(shí)間。2 V/Hz限制按照GB/T14285

6、-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程4.2.13條規(guī)定“300MW及以上發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)過勵(lì)磁保護(hù)。保護(hù)裝置可裝設(shè)由低定值和高定值兩部分組成的定時(shí)限過勵(lì)磁保護(hù)或反時(shí)限過勵(lì)磁保護(hù)，有條件時(shí)應(yīng)優(yōu)先裝設(shè)反時(shí)限過勵(lì)磁保護(hù)”?！胺磿r(shí)限特性曲線由上限定時(shí)限、反時(shí)限、下限定時(shí)限三部分組成”。勵(lì)磁限制應(yīng)與保護(hù)匹配，因此也應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)三段反時(shí)限特性。由于過勵(lì)磁特性非嚴(yán)格的發(fā)熱特性（電流平方的差），建議V/Hz限制設(shè)計(jì)成用多點(diǎn)整定值去逼近理想的曲線。3過無功限制過無功限制出發(fā)點(diǎn)是限制運(yùn)行操作范圍，從靜態(tài)的角度看是對(duì)的，但是從動(dòng)態(tài)的角度與發(fā)電機(jī)過電流能力相抵觸。過無功限制可能先于過勵(lì)限制和定子過流限制動(dòng)作，當(dāng)電力系統(tǒng)

7、需要發(fā)電機(jī)繼續(xù)強(qiáng)勵(lì)、發(fā)電機(jī)繞組發(fā)熱允許繼續(xù)強(qiáng)勵(lì)時(shí)卻退出強(qiáng)勵(lì)，從而降低了電力系統(tǒng)穩(wěn)定能力。因此，建議由過勵(lì)限制與定子過流限制控制發(fā)電機(jī)繞組的發(fā)熱，退出過無功限制功能。4勵(lì)磁限制和PSS 介入自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的方式對(duì)電力系統(tǒng)小擾動(dòng)的影響圖4為迭加方式。圖5和圖6為比較門方式。 圖4勵(lì)磁限制的迭加方式 圖5限制器作用于電壓調(diào)節(jié)器采用比較門方式之一，作用時(shí)PSS 退出圖6限制器作用于電壓調(diào)節(jié)器采用比較門方式之二，作用時(shí)PSS 在線通過分析勵(lì)磁限制和PSS 介入自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的方式，對(duì)低勵(lì)限制、定子過電流限制和轉(zhuǎn)子過電流限制等三種限制進(jìn)行兩機(jī)對(duì)無窮大系統(tǒng)下的計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：1）對(duì)一般系統(tǒng)和弱聯(lián)系系

8、統(tǒng)轉(zhuǎn)子過電流限制和定子過電流限制動(dòng)作后低頻振蕩的阻尼均有所提高，限制環(huán)節(jié)內(nèi)的PSS 改善了小擾動(dòng)穩(wěn)定性；2）在一般系統(tǒng)條件下，低勵(lì)限制對(duì)小擾動(dòng)穩(wěn)定性有所改善，限制環(huán)節(jié)內(nèi)的PSS 提高了小擾動(dòng)穩(wěn)定性；3）在弱聯(lián)系系統(tǒng)下有PSS 的低勵(lì)限制未能提高區(qū)域間振蕩模式的阻尼，采用比較門方式甚至惡化了小擾動(dòng)穩(wěn)定性，可以采取以下措施：在有足夠的地區(qū)振 蕩模式阻尼、重點(diǎn)需要解決區(qū)域間振蕩模式阻尼的情況下采取低勵(lì)限制時(shí)退出PSS ；調(diào)整PSS 參數(shù)；調(diào)整電壓調(diào)節(jié)器的PID 參數(shù)，但是作用有限。詳見浙江電力2007年第7期發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制對(duì)小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響5采用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器的分

9、析發(fā)電機(jī)采用電壓調(diào)節(jié)器來維持機(jī)端電壓的穩(wěn)定。電壓調(diào)節(jié)器常規(guī)是一個(gè)按照參考電壓和機(jī)端電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的單電壓環(huán)反饋控制系統(tǒng)，稱單環(huán)調(diào)節(jié)器，在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的框圖見圖7。圖中Ut 為發(fā)電機(jī)電壓，Uref 為參考電壓，Uf 為發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電壓。另有一種電壓調(diào)節(jié)器由機(jī)端電壓和參考電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)產(chǎn)生磁場(chǎng)電流參考值，再由磁場(chǎng)電流參考值和實(shí)測(cè)值的偏差進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，這種帶磁場(chǎng)電流內(nèi)環(huán)的反饋控制系統(tǒng)稱雙環(huán)調(diào)節(jié)器，在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的框圖見圖8。圖中If 為磁場(chǎng)電流。 Uf圖7單電壓環(huán)調(diào)節(jié)器自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)圖8帶勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)調(diào)節(jié)器自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)采用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器與常規(guī)

10、的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較分析和仿真計(jì)算，得到一般不應(yīng)在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中采用雙環(huán)調(diào)節(jié)器的結(jié)論。1）開環(huán)強(qiáng)勵(lì)仿真結(jié)果見圖9和圖10。 開環(huán)強(qiáng)勵(lì)電壓 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 t/s 單環(huán)調(diào)節(jié)器 單環(huán)調(diào)節(jié)器帶 強(qiáng)勵(lì)電流限制 Uf/pu 4 5 6 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 圖 9 開環(huán)強(qiáng)勵(lì)電壓 開環(huán)強(qiáng)勵(lì)電流 8 6 4 2 0 0 2 t/s 單環(huán)調(diào)節(jié)器帶 強(qiáng)勵(lì)電流限制 If/pu 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 4 6 圖 10 開環(huán)強(qiáng)勵(lì)電流 2）近端兩相短路 1s 切除故障線路仿真結(jié)果見圖 11、12 和圖 13。 兩相短路1s 100 80 60 40 20 0 0 2 4 t/s 6 單

11、環(huán)調(diào)節(jié)器 功角deg. 雙環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)置限幅 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 8 10 圖 11 近端兩相短路 1s 切除故障線路的功角響應(yīng) 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 1.2 1 Vt/pu 0.8 0.6 0.4 0 2 4 t/s 6 8 10 兩相短路1s 雙環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)置限幅 單環(huán)調(diào)節(jié)器 圖 12 近端兩相短路 1s 切除故障線路的發(fā)電機(jī)電壓響應(yīng) 12 雙環(huán)調(diào)節(jié)器在兩相短路切除時(shí)引起過電壓分析 10 8 6 4 2 0 0 1 2 t/s 3 4 5 電流參考值 勵(lì)磁電壓 電流反饋值 圖 13 雙環(huán)調(diào)節(jié)器在兩相短路切除時(shí)勵(lì)磁電壓增加引起發(fā)電機(jī)過電壓 3）電力系統(tǒng)突增、突減負(fù)荷仿真結(jié)果見圖 14 和圖 15。 系統(tǒng)突增負(fù)荷 1.02 1 0.98 0.96 0 2 t/s 4 6 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 單環(huán)調(diào)節(jié)器 Ut/pu 圖 14 電力系統(tǒng)突增負(fù)荷 系統(tǒng)突減負(fù)荷 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 1.04 1.02 1 0.98 0 2 t/s 4 Ut/pu 單環(huán)調(diào)節(jié)器 6 圖 15 電力系統(tǒng)突減負(fù)荷 4）甩負(fù)荷仿真結(jié)果見圖 16 和圖 17。 甩負(fù)荷 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0 2 t/s 雙環(huán)調(diào)節(jié)器 Ut/pu 4 6 單環(huán)調(diào)節(jié)器 圖 16 甩負(fù)荷 13 雙環(huán)調(diào)節(jié)器甩負(fù)荷中勵(lì)磁電壓增加 10 8 6 4 2 0 0