發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵功能分析與核算

吳跨宇，陳新琪，孫維真，王 超，樓伯良

（1.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江電力調(diào)度控制中心，杭州 310007）

0 引言

勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)因遭受較大擾動（如線路短路故障）導(dǎo)致發(fā)電廠高壓母線和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓大幅降低時(shí)，勵磁調(diào)節(jié)器快速控制功率整流橋全開放以輸出最大勵磁電流的特殊運(yùn)行方式。發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵可以在系統(tǒng)電壓跌落后通過大量輸出無功功率來迅速抬升發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和主變高壓側(cè)母線電壓，對保證發(fā)電機(jī)有功功率送出以提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、維持系統(tǒng)電壓水平并在故障切除后加快母線電壓的恢復(fù)速度以提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有重要作用，同時(shí)也為繼電保護(hù)裝置正確判斷并切除故障提供條件[1]。

隨著全國聯(lián)網(wǎng)的逐步推進(jìn)，特大型交直流互聯(lián)電網(wǎng)需要考慮的系統(tǒng)問題越來越多。其中，由于快速微機(jī)勵磁系統(tǒng)的大量應(yīng)用而得到改善的機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定問題也再度引起重視。如果大型機(jī)組由于線路故障而暫態(tài)失穩(wěn)進(jìn)入失步運(yùn)行，則由于其有功功率和無功功率的大幅波動，將給系統(tǒng)帶來非常不利的影響，甚至可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩和其他不良聯(lián)鎖反應(yīng)。因此，通過核查工作來檢查確認(rèn)各發(fā)電機(jī)組實(shí)際具有的強(qiáng)勵能力，比對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對不符合要求的機(jī)組進(jìn)行整改來確保所有機(jī)組都具有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)勵能力，對保障大電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有積極意義。

1 強(qiáng)勵的要求與限制因素

1.1 標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)強(qiáng)勵的要求

強(qiáng)勵電壓和電流用于表征勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵能力，電壓響應(yīng)時(shí)間和標(biāo)稱響應(yīng)用于表征勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵的動態(tài)性能，即發(fā)生電壓跌落后，勵磁系統(tǒng)輸出強(qiáng)勵電壓的速度。

國家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定勵磁頂值電壓倍數(shù)（即強(qiáng)勵電壓倍數(shù)），應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)情況及發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的地位確定。強(qiáng)勵電壓的一般要求可以概括為：采用自并勵勵磁的汽輪發(fā)電機(jī)為2.25倍，采用勵磁機(jī)勵磁的汽輪發(fā)電機(jī)為2倍，采用自并勵勵磁的水輪發(fā)電機(jī)為2～2.5倍。而強(qiáng)勵電流的一般要求概括為汽輪發(fā)電機(jī)2倍10 s，水輪發(fā)電機(jī)2倍20 s。

1.2 強(qiáng)勵能力的限制因素

忽略運(yùn)行和故障工況影響，勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵電壓倍數(shù)主要由勵磁變二次側(cè)電壓或勵磁機(jī)定子電壓決定。強(qiáng)勵電流的大小主要取決于強(qiáng)勵電壓和勵磁主回路設(shè)備的過電流能力。在系統(tǒng)暫態(tài)過程中，較高的強(qiáng)勵電壓對暫態(tài)穩(wěn)定有利，但是過高的強(qiáng)勵電壓會帶來以下問題：

（1）強(qiáng)勵電壓高，意味著整流橋交流側(cè)電壓高，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組實(shí)際承受的勵磁電壓需要考慮的換相尖峰電壓一般應(yīng)按1.5～2倍的交流電壓峰值考慮，過高的整流橋交流側(cè)電壓將使轉(zhuǎn)子繞組承受的暫態(tài)尖峰電壓接近甚至超過其允許耐壓值。標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定，當(dāng)勵磁電流小于1.1倍額定值時(shí)，勵磁繞組兩端所加的整流電壓最大瞬時(shí)值應(yīng)不大于規(guī)定的勵磁繞組出廠試驗(yàn)電壓幅值的30%。

（2）三相可控整流橋交直流電壓關(guān)系式為[3]：

式中：UE為整流橋輸出直流電壓；Uppt2為額定勵磁變二次電壓；α為觸發(fā)角。

由式（1）可見，在控制觸發(fā)角精度確定時(shí)，提高整流橋交流側(cè)電壓將同比增加勵磁電壓控制步長，勵磁電壓控制步長增大，會使發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性下降。

（3）強(qiáng)勵電壓倍數(shù)高，對勵磁變、勵磁機(jī)的容量和絕緣水平要求更高，提高強(qiáng)勵電壓倍數(shù)相應(yīng)也提高了整流橋交流側(cè)阻容吸收回路和可控硅及其阻容保護(hù)等主回路相關(guān)元器件的耐壓水平、容量要求。

（4）自并勵勵磁系統(tǒng)一旦出現(xiàn)發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵，較高的強(qiáng)勵電壓使發(fā)電機(jī)具有更大的磁場儲能，要求滅磁電阻有更大的能容量。同時(shí)，過高的反向誤強(qiáng)勵電壓增加了滅磁過程中的換流難度，從而對滅磁開關(guān)的弧壓提出更高的要求。

因此，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合理的強(qiáng)勵電壓、電流倍數(shù)，而不宜單從提高勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵水平和電力系統(tǒng)穩(wěn)定的角度一味追求過高的強(qiáng)勵能力。

2 強(qiáng)勵功能分析核算

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流能力

發(fā)電機(jī)本體安全是勵磁系統(tǒng)和繼電保護(hù)的控制、限制和保護(hù)功能的主要出發(fā)點(diǎn)。因此，強(qiáng)勵核算首先應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的過電流和過負(fù)荷能力。

標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流能力按式（2）定義：

式中：C為發(fā)熱常數(shù)；If為勵磁電流；Ifn為額定勵磁電流，電流的取值按額定勵磁電流為基值標(biāo)幺化；T為過流熱積累時(shí)間。

由式（2）可見，轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷一般以熱積累常數(shù)形式表達(dá)，其參數(shù)一般可在發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范書中找到，如果廠家沒有提供，則在核算過程中推薦采用典型熱積累常數(shù)33.75或2.09倍10 s作為參考值。

同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定，勵磁系統(tǒng)頂值電流應(yīng)不超過2倍額定勵磁電流。

2.2 勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵能力

2.2.1 勵磁功率柜輸出能力

強(qiáng)勵電壓和強(qiáng)勵電流大小主要受到勵磁系統(tǒng)主回路的耐壓和通流能力的影響。這里的主回路主要是指自并勵和有刷勵磁機(jī)勵磁的大功率整流橋、無刷勵磁系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)整流二極管。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]要求，功率整流裝置退出運(yùn)行一個(gè)柜或一個(gè)并聯(lián)支路后，應(yīng)具有完全的強(qiáng)勵能力和1.1倍額定勵磁電流的連續(xù)運(yùn)行能力。

在設(shè)計(jì)選型階段，強(qiáng)勵能力核算還應(yīng)考慮整流元件與快熔的配合，滅磁開關(guān)的電流連續(xù)運(yùn)行和短時(shí)過流能力。

2.2.2 勵磁變輸出能力

在采用自并勵勵磁或主勵磁機(jī)的勵磁電源來自機(jī)端勵磁變壓器的勵磁方式中，勵磁系統(tǒng)可控整流橋由機(jī)端勵磁變供電，整流橋的允許運(yùn)行電壓和電流在滿足強(qiáng)勵電壓和強(qiáng)勵電流要求后，勵磁系統(tǒng)實(shí)際強(qiáng)勵能力由勵磁變決定。

勵磁變?nèi)萘繎?yīng)滿足1.1倍額定勵磁電流下長期運(yùn)行，在計(jì)算勵磁變?nèi)萘恳髸r(shí)還應(yīng)考慮整流柜元件和外接電纜等的壓降、諧波損耗、換相過程的損耗等，勵磁變在勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵時(shí)具有的短時(shí)容量應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)和勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵電流和持續(xù)時(shí)間要求。

2.2.3 頂值限制與過勵限制及其參數(shù)設(shè)定

勵磁系統(tǒng)過勵限制（Over Excitation Limit，OEL）是為保護(hù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過電流后的熱積累導(dǎo)致繞組溫度過高而設(shè)立。即將勵磁電流限制到額定勵磁電流或長期允許運(yùn)行勵磁電流，正確的過勵限制反時(shí)限計(jì)算方法應(yīng)該與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流公式一致，從而正確反映熱積累的過程。

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓突然大幅下降后，勵磁系統(tǒng)將輸出最大勵磁電壓即強(qiáng)勵頂值電壓。假設(shè)轉(zhuǎn)子繞組直流電阻不受溫度影響，由于勵磁電壓為直流量，因此不受限制的勵磁電流最終將增長到勵磁電壓倍數(shù)同樣的值。以圖1中曲線為例，如果強(qiáng)勵頂值電壓不超過2倍，則強(qiáng)勵電流穩(wěn)定保持與強(qiáng)勵電壓同樣的倍數(shù)，頂值限制不動作，對應(yīng)圖1中情況一。如果強(qiáng)勵頂值電壓超過2倍，則勵磁電流亦將超過2倍，勵磁系統(tǒng)中的頂值限制應(yīng)在勵磁電流增長到2倍時(shí)瞬時(shí)動作，降低勵磁電壓，控制勵磁電流持續(xù)在2倍額定勵磁電流運(yùn)行，對應(yīng)圖1中情況二。而在強(qiáng)勵的整個(gè)過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過勵限制始終在正常工作，當(dāng)勵磁電流因頂值限制而達(dá)到2倍穩(wěn)定強(qiáng)勵后，經(jīng)過反時(shí)限的延時(shí)（例如10 s）或勵磁電流未達(dá)到頂值，但是熱積累同樣達(dá)到OEL設(shè)定值，則OEL動作并降低勵磁電壓將勵磁電流限制到額定勵磁電流或允許長期運(yùn)行勵磁電流值（例如1.05Ifn），勵磁系統(tǒng)正常完成強(qiáng)勵過程。

勵磁系統(tǒng)瞬時(shí)動作的頂值限制、反時(shí)限動作的過勵限制和反時(shí)限的轉(zhuǎn)子過負(fù)荷或勵磁變過電流保護(hù)的正確配合，既保證了發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)故障狀態(tài)下獲得最大的持續(xù)強(qiáng)勵電流，又保護(hù)了勵磁變、勵磁機(jī)、勵磁功率整流橋和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組不會過電流和過負(fù)荷。

2.2.4 強(qiáng)勵相關(guān)保護(hù)及其配合

與勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵有關(guān)的保護(hù)主要有勵磁變過流速斷保護(hù)、過流定時(shí)限保護(hù)、過流反時(shí)限保護(hù)、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)等。

圖1 強(qiáng)勵及其限制動作過程曲線

其中勵磁變速斷過流保護(hù)及其后備保護(hù)過電流定時(shí)限保護(hù)一般用于保護(hù)勵磁變相間或勵磁整流橋等主回路短路，其整定下限一般按照躲過系統(tǒng)故障過程中勵磁回路感應(yīng)的暫態(tài)電流和區(qū)外不對稱短路發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵時(shí)，勵磁變兩相工作最大電流計(jì)算。強(qiáng)勵核查過程應(yīng)對勵磁變過流定值與折算到交流的強(qiáng)勵電流值進(jìn)行比較，保證強(qiáng)勵過程中保護(hù)不會誤動。

過流反時(shí)限和轉(zhuǎn)子過負(fù)荷動作特性應(yīng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組允許過熱特性相同，采用式（2）形式，整定參數(shù)保證保護(hù)在過熱水平達(dá)到轉(zhuǎn)子繞組最大允許值前動作。但應(yīng)與勵磁系統(tǒng)過勵限制參數(shù)進(jìn)行配合，在勵磁系統(tǒng)完成強(qiáng)勵后保護(hù)動作前，應(yīng)讓勵磁系統(tǒng)有足夠的時(shí)間將強(qiáng)勵電流控制到長期允許運(yùn)行電流水平，保持發(fā)電機(jī)和勵磁系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，防止在大的系統(tǒng)振蕩過程中，過多地切除發(fā)電機(jī)導(dǎo)致系統(tǒng)徹底崩潰。

2.3 影響三機(jī)勵磁強(qiáng)勵能力的重要因素

三機(jī)勵磁系統(tǒng)在近端短路時(shí)，不存在整流橋交流側(cè)電壓降低問題，強(qiáng)勵倍數(shù)容易得到保證。但是短路瞬間由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的暫態(tài)電流流過主勵磁機(jī)電樞繞組，暫態(tài)電抗的存在會使主勵定子電壓下降。感應(yīng)電流越大，強(qiáng)勵初期主勵定子電壓下降越大，影響強(qiáng)勵電壓倍數(shù)。

無刷勵磁系統(tǒng)由于無法測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流，一般使用勵磁機(jī)勵磁電流作為頂值限制和過勵限制的參考量，并根據(jù)主勵磁機(jī)的空載和負(fù)載特性折算到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)。

三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵電壓和強(qiáng)勵電流輸出能力主要由副勵磁機(jī)和主勵磁機(jī)的電壓、容量及其旋轉(zhuǎn)整流二極管等綜合決定。強(qiáng)勵電流核算應(yīng)綜合考慮旋轉(zhuǎn)整流二極管的額定電流及與之串聯(lián)的快熔參數(shù)匹配。其強(qiáng)勵電壓則主要由主勵磁機(jī)定子電壓輸出能力決定，而主勵電壓輸出能力又涉及到主勵轉(zhuǎn)子電壓即副勵磁機(jī)定子電壓和電流輸出能力的影響。

3 浙江電網(wǎng)發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵功能存在的主要問題

3.1 1 000 MW級機(jī)組強(qiáng)勵能力不足

根據(jù)浙江電網(wǎng)發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵核查結(jié)果，目前投運(yùn)的采用三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)的1 000 MW級汽輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際可用強(qiáng)勵倍數(shù)均只有1.5倍。限制其強(qiáng)勵能力的主要原因?yàn)榕涮椎闹鲃畲艡C(jī)和副勵磁機(jī)容量不足。反應(yīng)出在機(jī)組的設(shè)計(jì)選型和招投標(biāo)過程中，忽視對強(qiáng)勵參數(shù)的要求，制造廠對發(fā)電機(jī)及其配套的勵磁機(jī)和勵磁系統(tǒng)參數(shù)遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的意識不強(qiáng)。

3.2 某勵磁系統(tǒng)OEL計(jì)算公式存在的問題

在大型發(fā)電機(jī)組中有大量應(yīng)用的某型號勵磁系統(tǒng)，其反時(shí)限過勵限制（OEL）的時(shí)間t為：

式中：P1303為強(qiáng)勵電流倍數(shù)；P1301為過勵限制啟動值；P1305為強(qiáng)勵時(shí)間；If為勵磁電流。

由式（3）可見，用于熱積累積分的輸入值為電流差的平方，實(shí)際的熱積累過程是電流平方的差，兩者存在明顯差別。

采用標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的計(jì)算式（2）和計(jì)算式（3）在不同參數(shù)下的過電流限制特性曲線如圖2所示，可見，當(dāng)采用式（3）時(shí)，雖然強(qiáng)勵參數(shù)正確整定為2倍10 s，曲線2與曲線1卻在約1.8倍額定勵磁電流時(shí)出現(xiàn)交叉，即大于1.8倍額定勵磁電流時(shí)，過勵限制與發(fā)電機(jī)過電流允許時(shí)間配合正確；小于1.8倍額定勵磁電流時(shí)，過勵限制反時(shí)限動作時(shí)間要大于發(fā)電機(jī)過電流允許時(shí)間，不利于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的安全運(yùn)行。

現(xiàn)代成熟的微機(jī)繼電保護(hù)裝置0.1 s即能完成動作過程，后備保護(hù)一般也能在4 s內(nèi)完成動作過程切除故障點(diǎn)。因此，4.7 s的強(qiáng)勵時(shí)間足以讓繼電保護(hù)包括后備保護(hù)正確動作，切除故障。而強(qiáng)勵倍數(shù)直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，其重要性要遠(yuǎn)大于強(qiáng)勵時(shí)間。在該型勵磁系統(tǒng)OEL計(jì)算公式得到正確修正前，推薦對應(yīng)曲線3的一組臨時(shí)設(shè)置參數(shù)，保持2倍的強(qiáng)勵倍數(shù)，適當(dāng)降低反時(shí)限延時(shí)時(shí)間至4.7 s，并設(shè)置啟動電流為1倍。在該組參數(shù)下，雖然強(qiáng)勵時(shí)間降低到4.7 s，但是保障了2倍的強(qiáng)勵電流輸出，且在過電流低段過勵限制可以和發(fā)電機(jī)允許過電流能力正確匹配。

圖2 不同公式下的反時(shí)限曲線

4 強(qiáng)勵功能核查工作的重點(diǎn)

提高發(fā)電機(jī)-勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵能力最簡單的方式是提高主設(shè)備和勵磁主回路相關(guān)元器件的容量和絕緣水平，但是這需要增加大量的投資。因此，首先應(yīng)保證發(fā)電機(jī)和勵磁系統(tǒng)設(shè)備各參數(shù)的合理匹配，各限制、保護(hù)參數(shù)的合理整定。在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前提下，提高強(qiáng)勵能力并保證發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）勵磁系統(tǒng)的整流橋、勵磁變、勵磁機(jī)和滅磁開關(guān)等設(shè)備輸出能力應(yīng)大于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過電流能力。

（2）強(qiáng)勵電壓倍數(shù)大于2倍的應(yīng)設(shè)置頂值電流瞬時(shí)限制功能，頂值限制值一般為2倍。

（3）勵磁系統(tǒng)過勵限制應(yīng)采用與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷一致的反時(shí)限熱積累計(jì)算公式。限制啟動值應(yīng)整定為等于或略小于發(fā)電機(jī)長期允許運(yùn)行電流。2倍強(qiáng)勵電流點(diǎn)的時(shí)間應(yīng)略小于發(fā)電機(jī)允許時(shí)間，且其時(shí)間差能滿足強(qiáng)勵返回和過負(fù)荷保護(hù)動作時(shí)間配合要求。

（4）勵磁系統(tǒng)過勵限制的返回值宜采用額定勵磁電流或某一小于發(fā)電機(jī)允許長期運(yùn)行電流的值，以保證機(jī)組在強(qiáng)勵返回后，轉(zhuǎn)子繞組反向熱積累釋放熱量，保證繞組安全。

（5）勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵返回后，勵磁控制系統(tǒng)中應(yīng)有相應(yīng)的轉(zhuǎn)子繞組反向熱積累積分計(jì)算過程。一旦在強(qiáng)勵返回后的一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)再次強(qiáng)勵，則其允許時(shí)間由上述反向熱積累計(jì)算后得到的當(dāng)前已有熱積累量與允許熱積累量的差值決定，確保特殊情況下發(fā)生連續(xù)多次強(qiáng)勵時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組熱積累量始終不會超過允許值。

（6）與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵磁變和勵磁機(jī)相關(guān)的保護(hù)整定參數(shù)應(yīng)保證在發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵時(shí)不會誤動作，且應(yīng)考慮勵磁變兩相運(yùn)行提供強(qiáng)勵電流的情況。過流反時(shí)限和轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)與過勵限制之間留有時(shí)間差，保證過勵限制正常返回前不會誤動切機(jī)。同樣，考慮到保護(hù)的固有動作時(shí)間，相關(guān)保護(hù)整定時(shí)間與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流允許時(shí)間也應(yīng)留有時(shí)間差，保證達(dá)到轉(zhuǎn)子過流允許時(shí)間前，保護(hù)已完成切機(jī)動作。在滿足上述配合要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)取最大的過勵限制允許時(shí)間。

（7）三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)還應(yīng)注重旋轉(zhuǎn)整流二極管及其串聯(lián)快熔的參數(shù)匹配。副勵磁機(jī)的容量應(yīng)保證能提供主勵磁機(jī)定子輸出強(qiáng)勵電壓、電流時(shí)的轉(zhuǎn)子電流。

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