水电站发电机励磁系统的运行分析

--水电站发电机励磁系统的运行分析摘要励磁系统对水电站电力系统的平安和稳定运行具有十分重要的作用，它的主要任务是根据发电机的运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需要。性能良好、可靠性高的励磁系统是保证发电机平安发电，提高电力系统稳定性所必须的。对励磁系统而言，除了要求励磁装置维持发电机电压水平外，还要求它对电力系统动态和暂态稳定起作用。本文中以尼尔基水电站为例，尼尔基水电站坐落于嫩江干流中段，以防洪城镇供水和农业供水为主，结合发电，兼有改善下游航运和水环境的大型水利控制工程。尼尔基发电厂励磁系统性能的优劣是机组能否运行的关键之一。本文举例分析了尼尔基发电厂的励磁系统的运行分析。机组发电运行以来，励磁系统运行稳定良好，满足了设计要求。关键字水电站励磁系统微机励磁控制器运行分析在国家大力开展水利电力的建立的同时，为提高水利电力系统的稳定性，水电站发电机励磁系统一直被视为重中之重。在诸多改善发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被公认为是最有效和最经济的措施之一。水电站电力系统的励磁控制系统是同步发电机的重要组成局部，它的特性好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性与稳定性。励磁的主要任务是根据发电机的运行状况，向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机的运行需要。同步发电机的励磁系统一般由两局部组成。一局部用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出局部(或称为功率单元)。另一局部用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流的大小，以满足运行需要，一般称为励磁控制局部(或称控制单元，或统称为励磁调节器)。..word.zl --一、同步发电机励磁系统的主要任务同步发电机励磁系统作为同步发电机组的一个重要组成局部，它通常由励磁功率单元和励磁调节单元两局部构成，通过励磁系统中的励磁调节器对励磁功率单元进展控制，到达调节发电机励磁电流的效果。励磁调节系统应能够满足系统在正常和事故情况下的调节需要，其主要任务为：合理分配并联运行发电机间的无功功率。并联运行的多台发电机，为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分布，要求能够合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。提高电力系统的静态和暂态稳定性。励磁系统对于提高电力系统的静态稳定性的作用是非常明显的。励磁系统对于提高电力系统的暂态稳定性主要表现在快速励磁和强行励磁的作用上。随着继电保护和开关动作速度的提高，具有快速响应特性的励磁系统能很快恢复强励能力，迅速提高机端电压，从而提高了系统的暂态稳定性。维持发电机的端电压恒定或给定值。发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁控制磁场的反响作用是不同的，对同步发电机的部阻抗压降也是不一样的。要维持同步发电机端电压为一稳定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁电流。..word.zl --提高继电保护装置动作的准确性。当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大。假设系统此时发生短路故障，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限继电保护不能正常动作。励磁控制系统可以通过调节发电机励磁电流来增大短路电流，使继电保护正确动作。二．同步发电机对励磁系统的性能要求1.当同步发电机的磁场电流和电压不超过其颊定负载磁场电流和电压的1.1倍时,励磁系统保证连续运行。2.励磁系统标称顶值电压倍数一般规定为1.5~2。3.励磁系统允许强励时间应不小于10秒。4.当磁场电流小千1.1倍额定值时,磁场绕组两端的整流电压最大瞬时值不应大于规定的磁场绕组试验电压幅值的30%。5.励磁系统电压反响比:—宜流励磁机励磁系统—不低子1.5单位/秒,—交流励磁机—二管极整流器励磁系统—不低于1.0单位/秒。—其他励磁系统—不低于2.0单位/秒。6.当发电厂厂用直流和交流电电压偏差不超过+10%~一15%,频率偏差不超过+2~一3赫兹时,励磁系统应保证同步发电机在额定工况下连续运行。7.励磁系统保证在任何可能的运行情况下,磁场绕组两端过电压的瞬时值不得超过磁场绕组试验电压幅值的70%。三．自并励励磁系统简介及根本构成无论何种励磁方式的励磁系统，都包括两个局部：励磁系统主回路和自动励磁调节器，也就是功率单元和控制单元。此外，还有辅助单元，如：限制器、补偿器、稳定器以及起励单元等。主回路是由励磁电源，主整流器、灭磁电路以及过流过电压保护电路组成。自动励磁调节器包括：测量比拟、综合放大、移相触发等三个局部。..word.zl --按励磁电源的选取，励磁系统可分为他励系统和自励系统。他励系统的其同特点是用同轴交流励磁机作为励磁电源，经整流后供应发电机励磁。因励磁电源独立，发电机的励磁不受电力系统运行情况交化的影响：但由于交流励磁机的电枢反响压降相对于直流励磁机大些，在发电机近端发生短路故障时可能会造成强励能力缺乏。自励励磁系统又可被分为自并励和自复励方式。如果励磁系统只用一个电压源，即在发电机出口处并接了一个励磁变压器那么称之为自并励方式；如果还有电流源构成复合电源，那么该励磁系统称为自复励方式。励磁电源取自发电机定子母线，经由励磁变压器T，送至可控硅整流桥U，由整流元件将交流的励磁电源变成发电机运行需要的直流励磁电源。自动电压调节器AVR(autovoltageregulator)是采用PID算法的励磁调节器，它的输入量一般是两相电流互感器(TA)的二次电流和三相电压互感器(TV)的二次电压。当发电机运行工况的变化时，TA和TV的值必然会发生改变，AVR就是通过及时地采集这些变化的量，通过改变可控硅控制角，从而改变励磁电流的大小，进而到达调节的目的。四．尼尔基水电站励磁系统的运行分析〔一〕尼尔基水电站概况尼尔基发电厂装有4台62.5MW水轮发电机组，每台水轮发电机组配有一样一套励磁系统，,每台发电机配有一套励磁系统,包括励磁变压器、整流功率柜、励磁调节器、灭磁及过电压保护装置、起励装置、电气制动装置以及保护、测量和信号设备等。水轮发电机组均采用静止可控硅自并励励磁方式，功率柜采用三相全控桥式整流装置，整流桥并联支路数为..word.zl --2，单桥可以满足运行所有工况，当功率处于运行状态时自动启动风机；当功率柜处于停机状态时，风机自动停转，励磁变压器采用三相环氧树脂浇注的干式变压器。〔二〕励磁系统各局部特点及功能励磁调节器主要由ABC三个调节通道模拟量总线板开关、量总线板、人机界面、接口电路等组成、调节器采用完全独立的微机/微机/模拟三通道双模冗余构造，通道间互为备用，备用通道自动跟踪运行通道，故障后自动实现无扰动切换，从根本上保证了调节器的可靠性，并采用PID+PSS调节规律，可以有效的抑制电力系统低频振荡，提高系统输送能力，调节器硬件采用多CPU模式，电路外表贴装工艺和无风扇构造，这种硬件模式可保证程序运行可靠，电气量采集计算速度快，抗干扰能力强；调节器具有完善的故障检测功能，检测围覆盖电源系统，硬件系统，软件系统，采取自检与互检相结合的措施，确保事故检测和通道切换万无一失；采用了部现场总线互联技术，柔性的智能接口电路，优良的人机界面，快速脉冲列技术提高励磁系统快进性，可靠性和准确性。自动励磁调节器采用PID+PSS控制规律，其中电压调节局部采用两级超前滞后环节PSS局部包括一级滤波，两级超前滞后环节，一级隔直环节和放大单元，PSS是励磁调节器的一个标准软件功能，其输入信号为电功率PSS的目的是通过引入一个附加的反响信号，以抑制同步发电机的低频振荡，它有助于提高电网的稳定性，当发电机正常运行时，PSS不起作用，但当机组或电力系统出现有功功率低频振荡时，PSS开场动作，并在较短时间抑制低频振荡。1.自动电压调节(AVR)模式正常情况下,励磁系统自动运行在AVR模式下,励磁系统的2套励磁调节器是全冗余的,因此其AVR模块也是完全冗余的,当主用通道的调节模块故障时,系统将自动切换至另一套调节器运行;给定值包括发电机电压给定值和其他可能的附加给定值。2.无功功率调节模式..word.zl --当励磁调节器选择在自动状态,并且发电机已并网,无功功率调节器可以从监控系统启动。在无功功率控制方式下,对于无功功率给定值和实际值之间的偏差,在到达无功功率上、下限值之前,发电机电压可以在90%～110%的最大围变化。控制操作是通过向发电机电压给定值发送增、减磁命令来实现的。3.ECR模式正常情况下,励磁系统工作在AVR模式下,而不是ECR模式。ECR模式只是为在励磁系统调试及紧急情况下设计的,这也是远方计算机监控系统不能选择ECR模式的原因。〔三〕机组励磁系统限制器功能励磁系统限制器的主要作用是:当机组运行在一些不稳定的区域(深度进相等),或者机端母线发生短路等故障,或者由于系统的波动(系统电压、频率的变化)造成机组运行工况很恶劣时,保护机组及主变压器的平安。发电机平安运行区见以下图。励磁系统设计有以下限制器:过励限制器、强励限制器、低(欠)励限制器、定子电流限制器、V/f限制器。1.过励限制器当有倒闸操作或者系统发生短路故障..word.zl --,以及系统电压降低要求机组增加无功功率时,励磁调节器将增加励磁电流以维持机端电压的恒定;假设线电压大幅度降低,如果电压设定值没有及时减小,或者主变的变比(分接头)没有调整到适宜的位置时,将导致转子过载。过励限制器的作用就是在上述情况下,自动限制发电机励磁电流,降低发电机机端电压。过励限制器必须允许机组在限制设定值(正常允许电流值与强励电流值之间)设定围能正常运行,以保证机组在电力系统出现电压短时下降时维持系统稳定。当励磁电流If>110%IfN时,过励调节器启动;经过设定的延时之后,励磁电流限制在正常围以,过励限制器即退出。过励限制器的动作曲线是一个反时限的动作过程,其中,最大限制电流(强励电流)的设定值为2.085IfN,ALSTOM机组的允许运行时间为10s(VGS机组为20s);最小限制电流的设定值可以根据需要进展设定,一般为110%IfN,限制线也可以设定得更小些,过励限制曲线见以下图。2.强励限制器励磁电流由分流器R110进展测量,通过变送器U105/U106变换后将实际值送入通道12A100/通道22A200的输入模块中。强励电流的限值在正常工作及1个整流功率柜退出运行时为2.085IfN,当2个整流功率柜退出运行时为1.15IfN,空载时为1.1If0。3.低励限制器低励限制器的任务是限制无功功率,使机组在进相运行时不超过如图4所示的限制曲线ABC,因为当机组超出了允许的运行围时..word.zl --,失磁保护将动作停机。为了保证机组的稳定运行,低励限制器必须在机组超过限制区之前将定子电压升高,以使机组运行点回到允许围。低励限制特性曲线是可以调整的,励磁调节器允许以此曲线为模板进展平移调整,这种调整必须与机组保护相配合才能最终起作用,即保护优先。机组的进相深度根本达不到设计的最大进相点。从调试及运行的情况看,在发电机机端电压为20kV的情况下,最大进相深度很难到-150Mvar;在发电机机端电压为94%UN的情况下,最大进相深度为-130Mvar～-140Mvar。限制特性的设置保存在软件特性模型中,该模型将无功电流作为有功电流的函数,并输出适当的无功电流值。特性曲线上与有功电流相对应的无功电流与实测的无功电流之差被送进比例放大器。当实际值下降低于特性曲线时,放大后的差动信号导致励磁电流增加。为了调试方便,特性曲线按电感负载提供一个镜像,这样允许控制信号在2个方向动作,并闭锁发电机的设定值被改变。4.定子电流限制器励磁系统中的发电机定子电流限制器在工作时,为了电网稳定的需要,允许定子电流短时过流运行。对励磁系统而言,定子电流限制器只能减少发电机电流的无功分量,对有功分量那么无能为力。当发电机电流超过了限制区,如果此时机组在进相运行,那么限制器动作,增加励磁电流;如果此时机组在迟相运行,那么限制器动作,减少励磁电流。不管怎样,其结果都是调节发电机电流的无功分量,从而使发电机电流回到限制区以运行。在功率因数cosφ=1附近(±10%)为调节死区,当发电机电流在这个区域超过了限制区时,限制器将不参与调节。5.V/f限制器V/f限制器的目的是为了保护机组及与机组相连的变压器。当机组频率降低时,为了使机组的机端电压保持恒定,励磁系统将会增加励磁电流,此时,如果机组在低频率的情况下使机端电压保持在额定值,那么对机组及所有与机组相连的变压器(尤其是主变压器)而言,将有可能出现过磁通现象,从而对机组及变压器造成损坏。..word.zl --〔四〕尼尔基发电厂励磁系统可控硅简述尼尔基发电厂励磁系统的可控硅整流桥按冗余方式配置，每柜装有一个三相全控整流桥，每套励磁装置有两个功率柜，两柜并联输出，单柜额定输出电流2000A,强励电流4000A可持续30s，整流桥退出1个支路仍能保证机组在所有运行工况下正常运行，包括强励在电网电压波动较大，整流回路过载以及可控硅导通和可控硅击穿短路的情况下，容易造成可控硅过电流而损坏，串接在可控硅整流桥直臂的快速熔断器是它的过流保护元件，此外当晶闸管元件承受超过反向击穿电压或正向电压超过正向转折电压时，都会造成过压损坏，为了使晶闸管器件能长期可靠运行，除了充分留有裕度，合理选择晶闸管器件的参数外，还必须针对不同过电压的类型采取适当有效的保护措施。〔五〕尼尔基机组电子型磁场断路器电子型磁场断路器〔简称电子断路器或DDL〕是一种利用大功率电力电子器件构成的新型无弧固态直流快速断路装置它利用目前电力电子器件中应用最广泛参数水平最高、制造工艺成熟、性能稳定可靠的大功率半导体元件可控硅为核心器件，采用热管散热器高效换热技术，人工过零关断技术，PLC智能化监控检测技术等，形成了全新概念的直流磁场断路器，可直接取代目前常规的机械式磁场断路器，应用于大中小各型同步发电机的转子励磁回路，作为移能灭磁的换流断路器，电子断路器同样适用于各种需要直流断路器的其他场合。电子断路器在设计上还可与机械磁场断路器〔简称机械断路器或JDL〕串联，形成新型冗余的灭磁保护系统在冗余灭磁保护系统中，DDL和JDL属完全独立的两台磁场断路器，因而，在设计上可把JDL视为DDL的完全热备用在DDL完好情况下，JDL不需动作这样使得发电机保护的可靠性和免维护性能大大提高。EXC9000励磁调节器上电后处于等待状态，当接收到开机令和检测到95%转速的频率信号，那么起励装置开场起动先采用残压起励..word.zl --，采用快速脉冲连续地触发可控硅整流器，是整流桥的出入电压到达励磁装置的正常工作电压，如果在5秒残压起励失败，那么起动辅助起励回路，将外接的辅助起励电源投入，在机端电压到达发电机电压的10%时，辅助起动回路自动退出，立即开场软启动过程，并建压到预定的电压水平，采用辅助起励电源时的起励电流约为20A，所需要的辅助起励电源功率在5千瓦左右假设残压起励和辅助起励均失败，即承受起励命令后15秒建压不成功，那么发起励失败信号，由运行人员检查起励回路及可控硅整流器电源是否存在故障。再次起励前需按“逆变〞按钮去除起励失败标志，在按起励按钮进展起励操作，发电机空载运行时，用机端电压方式起励和跟踪母线电压起励方式起励后励磁调节器均保持在恒电压方式运行，只有恒电流起励后励磁调节器才在恒转子电流方式运行。但无论何种运行方式，发电机一旦并网只要无“限制〞信号和相应故障信号，励磁调节器控制局部就会自动转换到恒电压方式运行，此时按“逆变〞按钮无效，机组并列后励磁调节器在线性最优控制方式下运行。当励磁系统发出无功过载和欠励限制动作信号时，系统将会自动转换到恒无功运行方式，当限制信号解除时会自动恢复到以前的运行方式，当系统由于某种原因，强励限制动作，励磁控制器也会自动转换到恒电流运行方式，同样强励限制消除后，系统会自动恢复到以前的运行方式，当出现PT断线故障，功率柜故障后自动转换到转子恒电流运行PT断线故障恢复后在自动转换为断线前运行方式，防止PT断线引起误强励。尼尔基发电厂四台机组所带无功按东北电网无功曲线运行，每台机组的励磁系统故障情况较少，目前看来尼尔基发电厂励磁系统的性能良好，尼尔基发电厂发电机组运行四年以来，励磁系统平安，可靠运行，高科技的智能化体系，减少了运行人员操作上的繁琐，同时大大提高了尼尔基水利枢纽工程科学化运行管理水平，提高了工作效率，降低了人员投入本钱，为电厂运行管理提供了强有力的工作平台。随着尼尔基水电站励磁系统运行,各项技术改造措施也将不断完善,这将进一步确保机组的平安稳定运行,也为今后各水电机组的投产发电积累珍贵的经历。..word.zl --参考文献[1]DL489-92大中型水轮发电机静止整流励磁系统及安装规程[S].[2]基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用〔精〕[Z].[3]黄耀群，兴源，编著．同步电机现代励磁系统及其控制[M]．：科技大学．1998[4]朱振青.励磁控制与电力系统稳定.:中国电力,1994.[5]基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用.:中国电力,2002.[6]邹科.SILCO5静止励磁系统灭磁回路的计算和分析.水电自动化与大坝监测,2002,26(2):17218.[7]湘匀,肖爱武.交流灭磁技术.水电自动化与大坝监测,2004,28(5):15217.[8]吴光军.同步发电机励磁控制研究.电厂电站设备,2002(4):31235.[9]胡国,朝晖,兴斌,等.洲坝电厂19F机组励磁系统状态监测与诊断.水电自动化与大坝监测,2005,29(2):23227.[10]南海鹏,慧,余向阳.水轮发电机组励磁系统的自抗扰控制.水电自动化与大坝监测,2006,30(4):10213.[11]王亮,东生,南海鹏,等.虚拟仪器在发电机励磁系统功率单元故障诊断中的应用.水电自动化与大坝监测,2006,30(3):18222.[12]黄耀群,兴源.同步电机现代励磁系统及其控制.成[13]UNITROL5000励磁系统运行维护手册%,广科院ABB公司出版。[14]瞿富强;耀铭;文曦;水电站大坝平安监测自动化系统开发与应用[A];全国大坝平安监测技术信息网2021年度技术信息交流会暨全国大坝平安监测技术应用和开展研讨会论文集[C];2021年[15]X建光;水电站引水压力钢管工作性态分析[A];中国水力发电工程学会大坝平安监测专业委员会年会暨学术交流会论文集[C];2000年[16]安;抓住建立西部强省机遇加速紫阳城镇化进程[A];中共紫阳县委党校毕业生优秀论文选论文集[C];2004年[17]章美文;群;镜剑;模拟基岩产状、地应力的光测构造模型试验研究..word.zl --[A];水电与矿业工程中的岩石力学问题——中国北方岩石力学与工程应用学术会议文集[C];1991年[18]超;周洪林;水电站机组快速门液压启闭机活塞杆更换技术[A];中国水力发电工程学会电力系统自动化专委会2021年年会暨学术交流会论文集[C];2021年[19]章美文;群;镜剑;模拟基岩产状、地应力的光测构造模型试验研究[A];水电与矿业工程中的岩石力学问题——中国北方岩石力学与工程应用学术会议文集[C];1991年..word.zl