田家庵发电厂300MW机组励磁系统分析

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摘要：田家庵发电厂的#5、6机均为300mw机组，是上海电机厂引进美国西屋公司技术生产制造的无刷励磁方式。本文从设计、整定等各方面对#5、6机励磁系统进行分析，有重点地介绍了应用要点，以尽可能地发挥励磁调节器的优点，达到预期的提高系统稳定性的目的，同时为新机建设提供可参考的意见。

关键字：300MW机组励磁系统分析

中图分类号：TB857+.3 文献标识码：A 文章编号：

一、#5、6机组无刷励磁系统简介

我厂#5、6机均为无刷励磁系统，即三机励磁系统，主励磁系统分旋转和静止两个部分，整个励磁系统都无转动接触的元件，即无刷励磁系统，如图所示。

即：

无刷励磁系统原理接线图

副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。

主励磁机的励磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电压保持恒定。

无刷励磁系统的优点是：取消了滑环和碳刷等转动接触部分。缺点是：在监视与维修上有其不方便之处。由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管与可控硅的运行状况，接线是否开脱，熔丝是否熔断等等都不便监视，因而在运行维护上不太方便。

二、无刷励磁系统的特点

1、时间常数：

在无刷励磁系统中，自动励磁调节器作用于接在交流主励磁机的励磁回路的晶闸管整流器，为此，励磁控制信号必须经过具有较大转子绕组时间常数的交流励磁机惯性环节后，始能作用到发电机的励磁绕组侧。为提高励磁系统的电压响应比，减少交流励磁的时间常数Tdeo是有效的措施之一：

Tdeo=.............(1)

其中，Kd——阻尼系数，通常为1.0~1.1；

S——交流励磁机的额定视在功率，kVA；

——交流励磁机空载额定电压时的励磁功率，kW；

——交流励磁机的频率，Hz。

由式（1）可知，提高交流励磁机的频率f可减少励磁机的时间常数Tdeo，提高频率可借助于增加交流励磁机的极数得出。我厂主励磁机的额定频率为250Hz，定子电压：403V；定子电流：2698A；同步电抗；Xd=186%；次暂态电抗：Xd" = 16.8 %；空载励磁电压：5V；空载励磁电流：89.5A由此可以计算出时间常数Tdeo：

在二极管无刷励磁系统中，由于励磁控制作用于交流励磁机的励磁绕组侧，因此要通过具有较大时间常数的交流励磁机惯性环节才能实现对发电机励磁的调节。

我厂励磁系统对小偏差信号时的时间常数补偿，主要是通过硬负反馈环节，在大扰动信号时的时间常数补偿，主要是通过提高励磁机的励磁电压倍数来实现的。将励磁机励磁电流Ife反馈到AVR末级放大器的输入，可以将励磁机时间常数减小到1/(1+KBKF)。将励磁机的时间常数适当减小，可以加快励磁系统的响应速度，提高其动态性能。我厂的无刷励磁为达到高起始励磁响应，在采用高顶值励磁机励磁电压外，采用了很深的Ife负反馈，使Te下降较多，这使大干扰或小干扰励磁响应速度都能提高。

但是，提高励磁机的励磁电压倍数减少了系统的阻尼系统，易使系统发生振荡。在田家庵电厂、洛河电厂、平圩电厂这三家电厂间，就曾发生过因线路故障重合闸引起的电网低频振荡（2-5Hz），持续时间较长，洛厂的机组因此保护误动而跳机。

2、转子励磁绕组励磁电压和电流的确定

在无刷励磁系统中，由于发电机取消滑环，对转子电压的测定，是通过附加测量小滑环来解决的，励磁电流的测定是采用试验与计算组合法。计算依据是政党额定运行范围内，主励磁机的饱和程度极小，当发电机励磁绕组为一定值的条件下，主机的励磁电流与励磁机的励磁电流成线性比例关系。

3、无刷励磁机的保护、故障监测及报警

在无刷励磁系统中，可能发生的故障主要有励磁接地故障和整流元件故障两种。主机励磁过电流故障通常借助于过励限制予于间接保护。

由于取消了碳刷，励磁接地故障率较小，发生接地故障后发出报警信号，由运行人员采取相应对策。

整流元件常见故障形式是整流器元件断路或开路，在这种故障下，交流励磁机电枢绕组所产生的电枢反应磁场均不同于正常情况，并在交流励磁机励磁绕组中感应出交流电压，叠加在直流励磁电流分量上，基于这一情况，可在交流励磁机的励磁磁级上加装LEM块进行测量。故障信号经分流器SH和隔离放大器放大，并经滤波器、励磁电流补偿比较器、计时器等环节作用后，操作出口继电器将信号输出发出报警。

4、励磁系统设计上应注意的问题

大中型汽轮发电机励磁系统需要注意以下问题，才能充分发挥其响应快、稳定性高等优点，真正提高机组、电网稳定运行水平。

①、通过晶闸管的正向电流上升率不得超过规范值，否则会由于晶闸管元件局部发热而损坏；

②、正向电压的上升率不得超过规定值，否则在元件控制极上未加脉冲前亦有可能也会引起误触发导通。

③、控制极电流必须同时迅速地加在全部应导通的并联晶闸管元件上；

④、必须保证输出电流在正向压降和导通特性不同的并联晶闸管元件之间均匀分配；

⑤、必须防止整流器的逆变颠覆。如果整流器以接近于180°的控制角工作，就有可能发生某桥臂一直保持导通的故障情况。

⑥、控制系统必须有抗干扰能力。

⑦、灭磁及过电压保护：同步发电机发生内部故障时，在继电保护动作切断主电源的同时，还要求迅速地灭磁。自动灭磁系统应满足下述要求：a)灭磁时间应最短；b)当灭磁开关断开励磁绕组时，绕组两端产生的过电压应在绕组绝缘允许的范围内，即滑环间容许过电压值；C）灭次装置的电路和结构型式应简单可靠。针对这一要求，目前灭磁及过电压保护是由氧化锌（ZnO）非线性电阻与双断口直流灭磁开关组合而成。系统主要元件为高能容的氧化锌（ZnO）压敏电阻，根据发电机的有关参数，确定其能容，以及压敏电阻串并联的优化组合，以保证灭磁时，当开关切断，建立一定的弧压时，迅速导通，吸收转子磁场能量，有效地完成灭磁功能。

三、励磁系统的AVR简介

随着计算机技术的发展，励磁控制已向数字化方向发展。数字式励磁调节器与老式的模拟调节器相比，在功能、可靠性等方面具有极大的优势。现时投运的新机组及旧机组改造都已选用微机励磁调节器，并已取得很好的效果和丰富的经验。而且随着励磁控制规律中单变量向多变量、线性向非线性发展，使得励磁调节器能够在改善机组、电网稳定性方面起到更大的作用。田厂两台300MW机均采用河北工业大学电工厂的数字式AVR：WLZ-2E型调节器。数字式电路消除了模拟式电位器调整带来的烦恼，消除了系统频率和幅值变化所带来的非线性失真，消除了模拟式通道间的不一致性，提高了系统的抗干扰能力。其主要特点有：

a)它有较强的通用性和灵活性。可适用与各种容量的可控硅励磁的发电机组，适用与多种系统条件下的运行方式。此外，其较少的硬件，是硬件的品种和数量大大减少；

b)软件的向上兼容。它的软件设计是采用软件工程的方法进行设计的。用户软件包采用全开放式。功能的增减以及调节软件规律的变更无需变动整个软件包的结构。提高了调节器的可靠性，是其具有延续性；

c)调节器具有软件数字整定和比较功能，能够防止电压峰值在2000V以下宽度小于40ms（可改变）的干扰信号，并具有数字滤波功能，能够防止增减磁操作继电器接点粘连，避免失磁和误强励，能够方便地改变整定方式；

d)采用微处理机的励磁调节器后，许都功能均由软件完成，因而印刷电路板数量少、焊点少、接插件少，特别是所用微处理机的工作可靠性高，使整个微机励磁调节器系统的可靠性大大提高。

四、AVR的参数设置

以#5机为例：#5机励磁调节装置采用河北电力大学集成电路型励磁调节器，型号为WLZ-2DW。励磁系统的一部分参数在励磁系统方式和自动励磁调节器的型号选定后就基本固有，另一部分参数可以根据励磁系统调节指标要求进行调整。

励磁系统调节指标的差异，直接影响它对电力系统稳定运行发挥的作用。在GB－7049－97／T3《大、中型同步发电机励磁系统基本技术条件》中，对励磁系统调节质量的技术指标有明确的要求：保证同步发电机端电压静差率δ0≤1％，要求励磁系统有足够的静态增益；发电机空载额定电压下励磁系统阶跃响应时，发电机电压超调量不得超过阶跃量的50％，即要求励磁系统有足够的幅频和相频裕度。

下面对参数设置作一说明：

1、低励限制

按发电机不同有功功率静稳定极限、发电机端部发热条件以及参照#5机进相运行的中调限值确定。按中调在2002年8月给#5机下的P、Q限值：

P-Q曲线配合如下图。其中①发电机静稳定曲线(查发电机资料得出)；②低励限制整定曲线；③中调曲线。

从图中可见：低励限制整定曲线远离发电机静稳定曲线，有足够的裕度，整定也能满足中调下达曲线的要求。

它与发电机失磁保护配合，低励限制应在失磁保护动作之前动作。

与失磁保护配合如下图(用标么值计算) :

发变组的失磁保护按异步边界整定，圆与纵坐标的第一交点为-1/2Xd'=-0.168×1/2=-0.0884，第二交点为-Xd=-1.86

低励限制曲线P-Q值与横坐标交点按标么计算:

根据P-Q值，低励限制曲线的P-Q曲线为分段直线函数，如曲线①

低励限制电抗曲线是P-Q曲线的倒数，也就是抛物线（曲线③），最高点在P-Q曲线的y=x=0.226，即在抛物线为：x=-y=(1/0.226)×1/2=2.21 最下方点为:1/0.226=4.42由抛物线的三个点:(1.47,0)(-2.21,-2.21)(0,-4.42)绘制出抛物线③绘出图中曲线,其中①低励限制整定P-Q曲线，②失磁保护异步边界圆，③低励限制整定电抗曲线，比较②③曲线，距离非常远。

2、过励限制

查得转子绕组过负荷能力，过励限制整定与转子绕组过负荷能力以及发变组继电保护配合。下图为转子绕组过负荷能力曲线以及励磁调节器的曲线配合关系，

从图中可以看到，励磁调节器整定在发电机允许的范围内。

则：

励磁调节器过励限制的启动值为1.1Ifn=1.1×147=161.67A

瞬时电流限制为1.7倍250A，10秒动作

从图中可以看出，励磁调节器整定在发电机允许的范围内。

3、V/HZ限制

#5机励磁调节器的V/HZ限制在开机前起作用。

4、调差系数：

发电机励磁系统调差有两方面的目的：一是限制机端电压下降时发电机无功过分增长，二是稳定电厂母线电压和负荷中心变电站的母线电压，电气距离远离负荷中心的电厂主要稳定电厂母线电压，电气距离接近负荷中心的电厂主要稳定负荷中心电压。

调差系数的计算以发电机额定电压Ue为准，

即…………（2）

式中：ΔI/Ie——负荷电流的变化值与额定值之比，即电流变化的相对值；

ΔU/Ue——被调电压的差值（U-Ue）与额定值之比，即电压变化的相对值。

我厂是电气距离靠近负荷中心的电厂，应考虑维持负荷中心变电站母线电压水平。国家标准变电站母线允许电压变化范围是—3%~7%，仿照上面推导可以得出发电机最大调差率整定公式：3%（Ie Uk）/ΔQMAX —（XtIe+XsIe）/Uk 100%。

其中XsIe/Uk 100%是输电线电抗使发电机增加的正调差系数，应从整定值中扣除。

原集成电路型调差系数为－3.3%，数字式由于计算方式不同，应折算为－6.264%。

五、励磁调节器应注意问题说明

1、MK分闸接线问题：

田厂#5机新的微机型AVR投运后不久，发生三次类似情况：机组故障时励磁回路的灭磁开关MK不能自动分闸，经分析后判断：

MK回路经CPU检测，其分闸脉宽60mS以上，而机组故障后，发变组的220kV电压等级的2705开关由发变组保护动作迅速分闸，分闸时间为21mS。在主开关分闸后，励磁调节器的CPU无法检测到故障，则不能自动将MK开关分闸。

解决方法：将励磁回路的MK开关直接接入到MK的分闸回路中，不需要经过CPU的处理。

2、通道切换问题

在调试中，发现通道1和通道2在切换时有2-3kVar的晃动，经过用示波器观察分析，得知两通道间触发角度上有1°误差，由于永磁机频率为350HZ，则1°对应2.8mS，则在通道切换时要加上频率修正的因素。

3、PSS试验

在做PSS试验时，应将试验通道参数重新设置，人为加入干扰进行试验由于试验通道参数和运行通道参数不同，因此，在试验中应注意不能进行通道切换试验，否则就会引起跳机事故。