自并激勵(lì)磁系統(tǒng)在300MW汽輪機(jī)組的應(yīng)用分析

新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 梁海芳

1.引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中300MW機(jī)組仍為電網(wǎng)的主力發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式的選擇與系統(tǒng)穩(wěn)定密切相關(guān)?，F(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，可分為勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)和自并勵(lì)磁系統(tǒng)，在河南裕東火電廠2×300MW機(jī)組采用自并勵(lì)磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機(jī)裝上自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的好處是取消了直流勵(lì)磁機(jī)，縮短了機(jī)組長度，減少了維護(hù)工作量；接線簡單，改善系統(tǒng)工作條件，反應(yīng)速度快，加快系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.自并激勵(lì)磁系統(tǒng)概述及功能

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁有直流發(fā)電機(jī)供電、交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)整流供電、靜止電源供電三種方式。由于靜態(tài)勵(lì)磁方式結(jié)構(gòu)最簡單、所需設(shè)備造價(jià)低廉、運(yùn)行維護(hù)方便，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐證明，已經(jīng)遠(yuǎn)比勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式操作起來簡單方便，故可廣泛使用。

勵(lì)磁功率取自發(fā)電機(jī)出口端，由接在發(fā)電機(jī)出口的勵(lì)磁變壓器供給，經(jīng)過晶閘管整流裝置向發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁。勵(lì)磁系統(tǒng)主要由三部分組成：勵(lì)磁變壓器，可控硅整流裝置，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(英文簡寫AVR)。其原理如圖1所示。

圖1 原理圖

AVR自動(dòng)控制模式的基本功能是自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無功功率。它將實(shí)際測(cè)量和設(shè)定值之間的差值經(jīng)PID運(yùn)算后去控制晶閘管觸發(fā)角。從而對(duì)發(fā)電機(jī)的端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并達(dá)到恒定的目的。自動(dòng)控制模式具有以下功能，如：

(1)設(shè)定值。

(2)設(shè)定發(fā)電機(jī)端電壓。

(3)可調(diào)無功電流補(bǔ)償。

(4)該產(chǎn)數(shù)用于保證電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行。

(5)可調(diào)有功電流補(bǔ)償。

(6)該參數(shù)用于補(bǔ)償主變到發(fā)電機(jī)之間電阻性電壓降。

(7)軟起勵(lì)。

(8)在發(fā)電機(jī)建壓時(shí)，平滑調(diào)節(jié)勵(lì)磁，防止發(fā)電機(jī)電壓超條。

(9)可調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)。

(10)可優(yōu)化發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能。

(11)過勵(lì)限制器，可避免在過勵(lì)時(shí)的不必要停機(jī)，包括如下限制器：①帶有穩(wěn)態(tài)和強(qiáng)勵(lì)限制的勵(lì)磁電流限制器；②避免過磁通的V/HZ限制；③過勵(lì)時(shí)的定子電流限制器。

(12)欠勵(lì)限制器，可避免在欠勵(lì)時(shí)的不必要停機(jī)，包括如下限制器：

①Q(mào)/P限制器；②最小勵(lì)磁電流限制器；③容性定子電流限制器；④功率回路監(jiān)視保護(hù)功能；⑤過電流保護(hù)直流過電壓保護(hù)；⑥PT斷線監(jiān)視；⑦AVR電源供應(yīng)；⑧發(fā)電機(jī)滅磁和起勵(lì)

手動(dòng)控制模式是在自動(dòng)通道故障或維護(hù)時(shí)使用，通過勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器控制磁場(chǎng)電流。程序比較設(shè)定點(diǎn)和實(shí)際值，偏差送PI控制器。為了保證在自動(dòng)和手動(dòng)之間平穩(wěn)切換，AVR提供了跟蹤控制功能。在雙通道中，備用通道總是跟蹤運(yùn)行通道。同時(shí)每條手動(dòng)均跟蹤自動(dòng)。

3.自并激勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與其它勵(lì)磁系統(tǒng)相比，自并激勵(lì)磁系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：

(1)自并激勵(lì)磁系統(tǒng)為靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，沒有同軸旋轉(zhuǎn)部件，運(yùn)行可靠性高。

(2)調(diào)節(jié)速度快，可獲得很快的勵(lì)磁響應(yīng)速度，在外部短路故障切除后，可加快系統(tǒng)電壓的恢復(fù)過程。因?yàn)闆]有交流主勵(lì)磁機(jī)這一時(shí)滯環(huán)節(jié)，所以自并激勵(lì)磁系統(tǒng)是一種高起始的快速響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)。

(3)自并勵(lì)從機(jī)端吸取勵(lì)磁能量，而機(jī)端電壓故自并輸出的勵(lì)磁電壓與機(jī)組轉(zhuǎn)速一次方成比例，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，與同軸系統(tǒng)相比，機(jī)組的過電壓要低些。自并勵(lì)系統(tǒng)抑制電壓超調(diào)能力比交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)越。

(4)無勵(lì)磁機(jī)，運(yùn)行可靠且可縮短主機(jī)長度，同時(shí)可減輕運(yùn)行時(shí)的噪音。在電力系統(tǒng)中，機(jī)組軸系扭振的事故較多，造成大軸損壞。從事故統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，大軸損壞都發(fā)生在發(fā)電機(jī)與主勵(lì)磁機(jī)之間。而自并激勵(lì)磁方式?jīng)]有同軸旋轉(zhuǎn)的主勵(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)，因而軸系長度縮短，軸承數(shù)量減少。

(5)自并勵(lì)系統(tǒng)效率高，設(shè)備少，維護(hù)費(fèi)少。

4.注意事項(xiàng)

(1)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)對(duì)繼電保護(hù)的影響

圖2

為分析自并勵(lì)發(fā)電機(jī)對(duì)繼電保護(hù)的影響，首先就要觀察短路電流特別是三相短路電流的變化特點(diǎn).為了說明問題，圖2所示出自并勵(lì)發(fā)電機(jī)三相短路電流的變化曲線，其中曲線1為自并勵(lì)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路時(shí)短路電流的變化曲線；其中曲線2為常規(guī)勵(lì)磁方式下機(jī)端三相短路時(shí)短路電流的變化曲線.所謂常規(guī)勵(lì)磁方式主要是指直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式。由圖2可得到三相短路的變化特點(diǎn)如下。

自并勵(lì)發(fā)電機(jī)的三相短路電流沒有穩(wěn)態(tài)分量，最后趨于零值(近端三相短路)，而常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的三相短路電流有穩(wěn)態(tài)分量。

發(fā)電機(jī)近端三相短路時(shí)，在短路初始一段時(shí)間內(nèi)，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)的短路電流衰減比常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)慢，但在后一段時(shí)間內(nèi)，因無穩(wěn)態(tài)短路電流分量，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)的短路電流衰減比常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)快些。

就自并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，在升壓變壓器高壓側(cè)或離發(fā)電機(jī)再遠(yuǎn)處，三相短路故障時(shí)，自并勵(lì)發(fā)電機(jī)短路電流衰減變慢。

根據(jù)自并勵(lì)發(fā)電機(jī)近端三相短路電流變化特點(diǎn)，容易看出，對(duì)快速動(dòng)作的保護(hù)裝置來說(如差動(dòng)保護(hù))，是沒有影響的，但對(duì)發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)裝置來說，因短路電流中無穩(wěn)態(tài)分量，在后備保護(hù)動(dòng)作前短路電流已衰減到動(dòng)作值以下，使得后備保護(hù)不能可靠動(dòng)作。為使后備保護(hù)可靠動(dòng)作，比較通用的方法是采用過電流起動(dòng)“記憶‘帶時(shí)延的低電壓保護(hù)。

當(dāng)采用阻抗保護(hù)作發(fā)電機(jī)-變壓器組的后備保護(hù)時(shí)，因整定時(shí)限短(如0.5s)，將不受短路電流衰減的影響。因此，為了能對(duì)采用自并勵(lì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的發(fā)變組進(jìn)行更完整的保護(hù)，應(yīng)增設(shè)阻抗保護(hù)。

(2)使用地點(diǎn)

在電網(wǎng)振蕩中心的大型發(fā)電機(jī)不宜采用這種勵(lì)磁方式，一旦電網(wǎng)發(fā)生振蕩，機(jī)端電壓變動(dòng)太大，甚至有可能降到零，使自并勵(lì)激磁系統(tǒng)不能正常工作，使大型發(fā)電機(jī)不能起到穩(wěn)定電網(wǎng)的作用。

5.主要缺點(diǎn)

在發(fā)電機(jī)的近端發(fā)生三相短路故障且切除故障的時(shí)間較長時(shí)會(huì)失去強(qiáng)力功能，發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)因需采取措施而顯得復(fù)雜。對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的亞影響不如其他勵(lì)磁方式有利，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)(在發(fā)電機(jī)近處)，機(jī)端電壓要大幅降低。但也容易解決，只要在發(fā)電機(jī)出線上增加一套變流器，再為變流器配置一套整流器，就可以增加強(qiáng)力功能?；蛘咔袛喙收?，可立即恢復(fù)電壓。

6.結(jié)論

自并激勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于不足，適宜在大容量火電機(jī)組上應(yīng)用?？傊?，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)作為一種新的技術(shù)在發(fā)電廠的應(yīng)用，需要我們?cè)趯?shí)踐中不斷總結(jié)，使其能夠保證電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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