新聞主題	發(fā)電機的自動(dòng)勵磁調節器功能介紹

 

 勵磁調節器是維持發(fā)電機的機端電壓恒定、通過(guò)合理的調差設置保證并列運行的機組間無(wú)功功率的合理分配，通過(guò)快速的勵磁響應提高電力系統的暫態(tài)穩定和靜態(tài)穩定。此外，調節器還具有故障錄波、事件記錄、系統自檢、智能調試等功能。

 

一、數字移相及觸發(fā)脈沖形成

 

數字移相就是將PID計算輸出的數字量Y轉換為控制角α，并在規定的角度區間內形成脈沖，經(jīng)功率放大后形成觸發(fā)脈沖，給相應晶閘管觸發(fā)。對三相全控橋觸發(fā)脈沖，控制角α有上、下限，即α_min≤α≤α_max，如取α_min＝5°、α_max＝150°，并需采用雙脈沖觸發(fā)。

 

1．數字移相工作原理

 

數字移相就是將前述電壓控制信號Y對應的數字量D在規定的角度區間內轉換成時(shí)間t_α，再由t_α轉換為工頻電角度α，從而使數字移相。利用減法計數器在一定計數脈沖f_c下對D作減計數運算，從計數開(kāi)始到減計數器出現0為止的時(shí)間就是t_α。顯然，t_α等于D個(gè)計數脈沖周期，即

 

將式（6-33）中的延時(shí)轉換成對應的電角度，即控制角α，則有

 

 

式中 T₁-交流電源的周期，對應角頻率ω1，工頻50Hz。

 

2．數字移相實(shí)現

 

根據式（6-1）直流勵磁電壓U_d與延遲觸發(fā)角α之間關(guān)系，首先需確定延遲觸發(fā)角α的計算起始點(diǎn)，全控整流橋六個(gè)晶閘管依次相隔60°被觸發(fā)換相，對應有六個(gè)電源電壓為同步電壓，各同步電壓由負變正過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻即為a＝0°的計算起始點(diǎn)。

在圖1中示出了VSO1～VSO6六個(gè)晶閘管同步電壓形成的區間，方框中標示有^＃1（^＃6）晶閘管觸發(fā)脈沖形成區間，對應同步電壓分別是u_ac、U_be、U_ba、U_ca、U_cb、U_ab，各自正半周的起點(diǎn)即是α＝0°起始點(diǎn)。方框中帶括弧的編號表示雙脈沖觸發(fā)時(shí)另一晶閘管的編號。當圖1中的方框開(kāi)始出現時(shí)（即同步電壓正半周開(kāi)始時(shí)），減計數器就對置入的數字量D開(kāi)始進(jìn)行減計數。

 

圖1 發(fā)電機同步去電壓形成的區間

 

數字移相觸發(fā)電路如圖2所示。u_ac、u_be、u_ba經(jīng)方波形成電路后，得到正半周高電位的方波電壓［u＋ ac］、［u＋ be］、［u+ ba］，經(jīng)反相器后分別得到u_ca、u_ca、u_cb正半周高電位的方波電壓［u+ ca］、［u+ ca］、［u+ cb］，這些高電位方波電壓就是晶閘管VSO1～VSO6的同步電壓。同步電壓作用于減計數器的“Gate”端，在時(shí)鐘脈沖f_c作用下，減計數器對“D”端置入到計數器的數字量D作減法運算，當計數器為0時(shí)，輸出端“out”由高電位突變?yōu)榈碗娢?V。“out”突變低電位時(shí)刻與控制角α對應，從而獲得了與控制角α相對應的低電位脈沖。

 

圖2 發(fā)電機數字移相觸發(fā)電路

 

“out”的低電位脈沖經(jīng)光電隔離、電平轉換，再經(jīng)放大就可得到晶閘管的觸發(fā)脈沖。

在自并勵勵磁系統中，觸發(fā)脈沖要經(jīng)脈沖變壓器放大后輸出，所以脈沖變壓器一、二次繞組間應有足夠高的隔離耐壓水平。自并勵勵磁系統電流大，可控整流柜一般為多個(gè)并聯(lián)，故觸發(fā)脈沖輸出數量要滿(mǎn)足要求，輸出功率要足夠大以保證晶閘管觸發(fā)導通。

由上述控制過(guò)程可知，輸入數字量從D減至0，經(jīng)歷時(shí)間為t_α，把延時(shí)t_α換算成對應的適時(shí)觸發(fā)角α，計數脈沖個(gè)數D與α形成對應關(guān)系，見(jiàn)式（6-34），或寫(xiě)成

 

 

【例6-2】某發(fā)電機勵磁電壓U_d＝1000V，α＝18°，計數脈沖頻率500kHz，交流電源50Hz。

求：

（1）數字控制量D；

（2）要求勵磁電壓U_d調至985V，數字控制量D′是多少？延遲觸發(fā)角α′是多少？解 由式（6-35）可求得數字控制量

 

 

因為U_d＝1.35Ecosα，所以得 

 

 

所以α′＝20.48°

 

 

可取D′為569。      

二、勵磁系統中的輔助控制

 

1．勵磁限制

 

大型同步發(fā)電機運行的安全性極為重要，繼電保護裝置是保證發(fā)電機安全的不可缺少的措施，AER的限制功能與繼電保護兩者的配合保證了發(fā)電機運行的安全。大型同步發(fā)電機上AER的限制功能有強勵反時(shí)限限制、過(guò)勵延時(shí)限制、欠勵瞬時(shí)限制、U／f限制、最大勵磁電流瞬時(shí)限制等。

（1）強勵反時(shí)限限制

發(fā)電機勵磁繞組允許的勵磁電流與持續時(shí)間呈反時(shí)限制性，即勵磁電流愈大，允許作用的時(shí)間愈短；勵磁電流減小時(shí)，允許作用的時(shí)間增加。為使AER起到強勵反時(shí)限限制功能，應根據發(fā)電機勵磁繞組特性，將允許強勵倍數（如取2.0）、允許強勵時(shí)間（如10s）、稍低于強勵允許的反時(shí)限特性曲線(xiàn)輸入到AER中。允許強勵倍數和允許強勵時(shí)間的設置，實(shí)際上就限制了強勵允許反時(shí)限特性的峰值（最大強勵電壓、最短的允許時(shí)間）不超過(guò)發(fā)電機的允許限值。

電力系統發(fā)生短路故障時(shí)，發(fā)電機機端電壓可能大幅度降低，AER將發(fā)電機處強勵狀態(tài)。此時(shí)AER根據測到的勵磁電流，計算該勵磁電流的持續時(shí)間，當持續時(shí)間達到設置強勵反時(shí)限特性曲線(xiàn)相應允許時(shí)間時(shí)，AER停止強勵并將勵磁電流限定在限額值，見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，AER的強勵反時(shí)限限制可使發(fā)電機勵磁繞組過(guò)熱不超過(guò)允許值，保證了發(fā)電機的安全。發(fā)電機勵磁繞組過(guò)負荷時(shí)，強勵反時(shí)限限制同樣可起到保護作用。

 

圖3 發(fā)電機反時(shí)限過(guò)勵磁限制特性曲線(xiàn)圖

 

（2）過(guò)勵延時(shí)限制

發(fā)電機在運行中，轉子電流（勵磁電流）和定子電流都不能長(cháng)期超過(guò)額定值運行，圖4示出了發(fā)電機勵磁電流限制區域及定子電流限制區域。因發(fā)電機的空載電動(dòng)勢E_q與轉子勵磁電流成正比，所以以M點(diǎn)為圓心、轉子電流允許值（如1.1IaN）相應的E_q為半徑的圓弧CD即為過(guò)勵延時(shí)限制線(xiàn)。發(fā)電機在運行中，AER不斷實(shí)時(shí)測量發(fā)電機的P、Q值，當Q值大于該點(diǎn)的允許值且持續時(shí)間達設定時(shí)間（如2min）時(shí)，過(guò)勵延時(shí)限制動(dòng)作，減小發(fā)電機勵磁，將無(wú)功功率限制在設定曲線(xiàn)的無(wú)功功率值。

 

圖4 發(fā)電機靜態(tài)穩定性限制曲線(xiàn)圖

 

（3）欠勵瞬時(shí)限制。由于電力系統運行需要，同步發(fā)電機在運行中可能發(fā)生進(jìn)相運行，即吸收感性無(wú)功功率和發(fā)出有功功率。由圖6-15所示的功角特性可見(jiàn)，在某一有功功率下，勵磁電流的減小意味著(zhù)功率角增大，當δ角大于90°時(shí)發(fā)電機可能失去靜態(tài)穩定。為此，

AER中設有欠勵瞬時(shí)限制，當發(fā)電機進(jìn)入設定的欠勵限制線(xiàn)時(shí)，AER瞬時(shí)欠勵限制動(dòng)作，增大發(fā)電機勵磁，以保持發(fā)電機與系統的靜態(tài)穩定性，使發(fā)電機定子端部發(fā)熱在允許的范圍內。

隱極機的靜態(tài)穩定極限的理論值是δ＝90°，因此，MH是理論上的靜態(tài)穩定運行邊界。在突然過(guò)負荷時(shí)，為了維持發(fā)電機的穩定運行，實(shí)際的靜態(tài)穩定運行邊界應留有一定的余量。圖6-39中BF曲線(xiàn)是考慮了能承受0.1P_N過(guò)負荷能力的實(shí)際靜穩定極限。曲線(xiàn)BF是這樣作出來(lái)的：先在理論邊界上取一些點(diǎn)（如點(diǎn)1），然后保持勵磁電流（E_q/X_d）不變，作圓弧12，再找出實(shí)際功率比理論功率低0.1P_N的點(diǎn)的集合直線(xiàn)23，曲線(xiàn)12和直線(xiàn)23的交點(diǎn)就在實(shí)際穩定極限上。用同樣的方法將能找到實(shí)際穩定極限的所有的點(diǎn)，連接這些點(diǎn)可得實(shí)際穩定極限的邊界。

（4）電壓／頻率（U/f）限制

 

發(fā)電機的端電壓的計算公式為

U=4.44fBN×10^-8                             (6-36)

式中 B——磁感應強度；

f ——系統頻率；

N——繞組匝數；

S ——每極有效截面積。

式（6-36）中，4.44NS為常數，設為系數K，則有

 

 

設額定運行時(shí)（對應UN、fx）的磁感應強度為BN，則有

 

 

式（6-38）中U_*、f_*為電壓、頻率的標幺值。測量n值大小就可判定發(fā)電機過(guò)勵磁的程度。

當發(fā)電機電壓升高或系統頻率降低時(shí)，發(fā)電機過(guò)勵磁，n增大，表現為鐵芯飽和，勵磁電流急劇增大，渦流損耗增大；諧波磁場(chǎng)增強，使附加損耗加大，引起局部發(fā)熱；同時(shí)定子鐵芯背部漏磁場(chǎng)增強，在定位筋附近引起局部過(guò)熱，過(guò)熱程度隨n值增大急劇增加。防止發(fā)電機及變壓器由于電壓過(guò)高或頻率過(guò)低而鐵芯過(guò)熱，采取對電壓與頻率比值進(jìn)行限制。

AER中的過(guò)勵磁限制可起到發(fā)電機過(guò)勵磁保護作用，當然過(guò)勵磁限制值應與發(fā)電機過(guò)勵磁保護動(dòng)作值相配合。應當指出，水輪發(fā)電機突然甩負荷時(shí)（如線(xiàn)路故障跳閘），因調速系統關(guān)閉導水葉有較大的慣性，所以轉速急劇上升，導致機端電壓升高，危及定子絕緣。在這種情況下過(guò)電壓限制可抑制機端電壓的迅速上升。

（5）最大勵磁電流瞬時(shí)限制

電力系統穩定要求發(fā)電機勵磁系統有高的電壓上升速度。交流勵磁機勵磁系統在通常情況下很難滿(mǎn)足要求。而采用提高勵磁頂值電壓的方法，可以使電壓響應比增大。如圖6-40所示，當勵磁頂值電壓提高時(shí)，即U_fdmax2＞U_fdmax1，對同一時(shí)間t₁有U_td2＞U_fd1，即勵磁頂值電壓愈高，勵磁電壓上升速度愈快。電壓響應速度得到了改善，但是高勵磁頂值電壓將會(huì )危及勵磁機及發(fā)電機安全。

為了防止過(guò)高強勵電壓損壞發(fā)電機轉子絕緣，設置最大勵磁電流瞬時(shí)限制，當勵磁電壓達到發(fā)電機允許的勵磁頂值電壓倍數時(shí)，應由勵磁調節器動(dòng)作立刻對勵磁進(jìn)行限制，使勵磁電流限制在I_fdmax。

 

2．電力系統穩定器（Power System Stabilizer，PSS）

 

當發(fā)電機通過(guò)遠距離輸電線(xiàn)與電網(wǎng)連接，而線(xiàn)路傳輸功率又較大時(shí)，會(huì )出現低頻振蕩，這對維護發(fā)電機穩定運行是不利的，因此，投入電力系統穩定器（PSS），增大系統對振蕩的阻尼，可以抑制低頻振蕩。

 

發(fā)電機高勵磁頂值電壓與電壓上升速度曲線(xiàn)圖

 

（1）正阻尼力矩與負阻尼力矩

發(fā)電機正常運行時(shí)，輸入功率等于輸出功率，發(fā)電機為額定轉速，δ角不發(fā)生變化。如在圖6-15中，發(fā)電機穩定運行在α點(diǎn)，δ＝δ₀不變化。

當發(fā)電機受擾動(dòng)時(shí)，如系統電壓降低或升高，則功角特性相應降低或升高，在輸入功率不變情況下，發(fā)電機要加速或減速，δ角增大或減小。

發(fā)電機轉速變化過(guò)程中，發(fā)電機系統對這種轉速變化而產(chǎn)生的力矩即阻尼力矩的性質(zhì)有著(zhù)重要作用。阻尼力矩有正阻尼力矩和負阻尼力矩。正阻尼力矩作用的方向與轉速變化的方向相反，起阻止（阻尼）轉速變化的作用，即發(fā)電機轉速升高超過(guò)額定轉速時(shí)，正阻尼力矩起制動(dòng)作用；發(fā)電機轉速低于額定轉速時(shí)，正阻尼力矩起加速作用。所以正阻尼力矩可使發(fā)電機穩定運行，就發(fā)電機本身結構而言，水輪發(fā)電機轉子上的阻尼繞組、汽輪發(fā)電機轉子本身在轉速變化時(shí)產(chǎn)生正的阻尼力矩。當然，轉速不發(fā)生變化時(shí)，不產(chǎn)生阻尼力矩。

負阻尼力矩與正阻尼力矩完全不同，負阻尼力矩作用的方向與轉速變化的方向相同，起推動(dòng)轉速變化的作用，使之轉速不斷增大，造成發(fā)電機失去動(dòng)態(tài)穩定，或引起發(fā)電機低頻振蕩，影響系統穩定運行。

（2）AER的負阻尼作用

由于發(fā)電機勵磁回路是一個(gè)大電感回路，勵磁電壓中存在某一交變分量時(shí)，相應于這一交變分量的勵磁電流，其相位應滯后交變分量勵磁電壓90°。另外，機端電壓Uc與功率角δ間的關(guān)系為：發(fā)電機δ角增大時(shí)，機端電壓U_G會(huì )降低；δ角減小時(shí)，機端電壓U_G升高。

當發(fā)電機受到某種干擾，使轉速增加（減?。?，即Δωw＞0（Δω＜0）時(shí)，δ增加（減?。?；機端電壓U_G降低（升高）；AER測得這一機端電壓變化，基本無(wú)延時(shí)放大若干倍以增加（減?。﹦畲烹妷篣_fd；相應的勵磁電流I_fd緩慢增加（減?。?，發(fā)電機空氣隙中的磁場(chǎng)相應緩慢增加（減?。?，以升高（降低）機端電壓，實(shí)現機端電壓的調節。

要使發(fā)電機動(dòng)態(tài)穩定，必須要有正的阻尼力矩，即必須有與Δω同相位的阻尼力矩。當發(fā)電機裝設快速AER時(shí)，由于干擾使Δω＞0（Δω＜0），上述調節過(guò)程驅使U_G升高（降低），U_G升高（降低）引起發(fā)電機輸出功率增大（減?。?，對發(fā)電機起制動(dòng)（增速）作用。

再進(jìn)一步討論Δω與ΔU_G變化間的相位關(guān)系。由于Δω變化，必然引起δ角的變化。Δw的相位超前Δδ相位90°?？焖貯ER當機端電壓變化時(shí)勵磁電壓瞬時(shí)響應，ΔU_fd與Δδ同相位?？紤]到勵磁回路是一個(gè)大電感回路，ΔI_fd變化滯后ΔU_fd變化90°，即ΔU_G的變化滯后ΔU_fd變化90°，Δω與ΔU_G有反相關(guān)系。

ΔU_G變化與Δω變化有反相關(guān)系，即ΔU_G引起的功率變化具有負阻尼力矩性質(zhì)。也就是說(shuō)，當Δω＞0時(shí)，AER調節結果使ΔU_G升高產(chǎn)生的制動(dòng)力矩為負，使發(fā)電機進(jìn)一步增速；當Δω＜0時(shí)，AER調節結果使ΔUc降低產(chǎn)生的增速力矩為負，使發(fā)電機進(jìn)一步減速。

因此，當AER放大倍數過(guò)大，產(chǎn)生的負阻尼作用超過(guò)發(fā)電機轉子本身的正阻尼作用時(shí)，發(fā)電機容易失去動(dòng)態(tài)穩定，或引起系統低到0.3Hz的低頻振蕩。

（3）動(dòng)態(tài)失穩的抑制（PSS）

抑制發(fā)電機動(dòng)態(tài)失穩最有效的方法是：在A(yíng)ER的輸入回路中引入能反應發(fā)電機轉速變化的附加環(huán)節，并使機端電壓變化能夠與轉速變化同相位，以達到由AER提供正阻尼力矩的目的。引入AER的這個(gè)附加量，可直接取自發(fā)電機的轉速，也可取自發(fā)電機輸出有功功率變化量ΔP，或者取自機端電壓的頻率。當然，引入AER的這一附加調節量必須經(jīng)過(guò)一定的相位領(lǐng)前回路，使在該系統低頻振蕩頻率下達到機端電壓變化與轉速變化同相位。這一措施稱(chēng)之為電力系統穩定器（PSS），也可稱(chēng)附加反饋。

減小AER的放大系數，也可在一定程度上抑制發(fā)電機的失穩。在A(yíng)ER中，為提高AER的調節品質(zhì)，使在外部干擾情況下迫使在平衡點(diǎn)的動(dòng)態(tài)誤差為零，可采用零動(dòng)態(tài)的最優(yōu)勵磁控制和非線(xiàn)性最優(yōu)勵磁控制，同時(shí)也可提高AER系統的動(dòng)態(tài)阻尼。

 

三、自動(dòng)勵磁調節器的其他功能

 

1．自動(dòng)勵磁調節器Watchdog 功能

 

為監視CPU運行，防止受電氣干擾而死鎖或停運，AER設有專(zhuān)門(mén)的硬件監視器(Watchdog)。

在控制調節程序返回中斷前，將一個(gè)自檢信號送到監視器，以確認CPU工作正常，從而可繼續下一循環(huán)工作。若因電氣干擾程序走錯路徑或停止執行，則監視器接收不到自檢信號，系統給出故障信號，AER自動(dòng)切換到備用通道。在CPU死鎖或停運時(shí)，觸發(fā)脈沖數據不會(huì )被更新，因而CPU死鎖或停運不會(huì )導致發(fā)電機失磁。

 

2．數字式電壓給定系統

 

數字式電壓給定系統，采用軟件給出機端電壓給定值。當以勵磁電流為被調量時(shí)給出勵磁電流值，可就地或遠方（主控室）給出給定值，實(shí)現升高或降低機端電壓；升、降電壓速度可選擇，以實(shí)現電壓平穩調節，不發(fā)生跳變。此外，給定電壓值具有上、下限限制，每次停機時(shí)給定值自動(dòng)置零電壓，為下次開(kāi)機作準備。

數字式電壓給定系統具有很強的抗干擾能力，可避免因受干擾而導致發(fā)電機失磁或發(fā)生誤強勵。

 

3．兩個(gè)自動(dòng)控制通道間的切換

 

大型發(fā)電機的AER，通常采用雙自動(dòng)控制通道以提高運行可靠性。一個(gè)自動(dòng)控制通道工作時(shí)，另一個(gè)自動(dòng)控制通道處備用方式。每個(gè)自動(dòng)控制通道有兩種工作方式：

① 以機端電壓為被調量的自動(dòng)控制通道；

② 以勵磁電流為被調量的手動(dòng)控制通道。

于是，AER兩個(gè)控制通道間的切換可以是自動(dòng)切換到自動(dòng)、自動(dòng)切換到手動(dòng)、手動(dòng)切換到自動(dòng)或手動(dòng)切換到手動(dòng)四種切換方式中的一種。AER中的備用工作通道不斷跟蹤工作通道，當工作通道發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換到備用通道工作。

勵磁調節器的雙重化配置原理見(jiàn)圖6-41，包括主控制單元的雙重化、勵磁功率單元的雙重化、勵磁電流測量的雙重化、雙重電源配置及TV的雙重化。

 

發(fā)電機勵磁調節器的雙重化配置原理圖

 

4．備用通道對工作通道的自動(dòng)跟蹤

 

所謂備用通道對工作通道的自動(dòng)跟蹤，就是采用高速同步串行通信實(shí)現兩個(gè)通道的計算機間交換信息，使上述切換不發(fā)生電壓波動(dòng)或無(wú)功功率的擺動(dòng)。考慮到工作通道發(fā)生故障時(shí)計算的可控整流橋的控制角有問(wèn)題，所以備用通道跟蹤工作通道3s前的工作狀態(tài)。除上述專(zhuān)用功能外，AER還具有與上位計算機通信、在線(xiàn)顯示和修改參數、自檢和自診斷、事件和故障記錄等功能。

 

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