淺析同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

【摘要】作為同步發(fā)電機的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)直接影響著發(fā)電機的運行特性，同時對電力系統(tǒng)的運行有重要的影響。隨著電力系統(tǒng)的并聯(lián)，電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定問題日益突出，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)愈來愈為人們所關(guān)注。文章從發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的組成及基本原理入手，探討了發(fā)電機獲得勵磁電流的幾種方式，并對勵磁系統(tǒng)的任務(wù)進行了詳細研究，文章具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】同步發(fā)電機；勵磁系統(tǒng)；靜態(tài)穩(wěn)定性

1.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的組成及基本原理

同步發(fā)電機的空載電動勢值對其運行特性有很大影響，而空載電動勢則是勵磁電流函數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流改變同步發(fā)電機在統(tǒng)中的運行特性。因此，控制同步發(fā)電機的勵磁，是實現(xiàn)發(fā)電機的運行控制的重要內(nèi)容之一。

2.發(fā)電機獲得勵磁電流的幾種方式

2.1 直流發(fā)電機供電的勵磁方式

該勵磁方式的發(fā)電機稱為直流勵磁機，勵磁機與發(fā)電機同軸，軸上裝有滑環(huán)及固定電刷，勵磁繞組通過電刷和滑環(huán)獲得直流電流。這種勵磁方式的優(yōu)點是勵磁電流獨立，自用電消耗量少，工作可靠，是以往幾十年間發(fā)電機主要勵磁方式，運行經(jīng)驗較成熟。但其又勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護麻煩的缺點，故很少用在10MW以上的機組中。

2.2 交流勵磁機供電的勵磁方式

一些大容量發(fā)電機采用交流勵磁機提供勵磁電流。勵磁機也與發(fā)電機同軸，輸出的交流電流經(jīng)過整流后供給轉(zhuǎn)子勵磁，該種勵磁方式屬他勵方式，又因為采用靜止的整流裝置，稱其為他勵靜止勵磁，采用交流副勵磁機供給勵磁電流。交流副勵磁機為永磁機或自勵恒壓的交流發(fā)電機。

2.3 無勵磁機的勵磁方式

該勵磁方式?jīng)]有專門的勵磁機，從發(fā)電機本身獲得勵磁電源，整流后供給發(fā)電機本身的勵磁，這種方式稱為自勵式靜止勵磁。

3.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)

在同步發(fā)電機的運行過程中，合理控制勵磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機可靠運行，還能保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，提供合格的電能，同時，有效地提高系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。同步電機勵磁系統(tǒng)應(yīng)完成以下的任務(wù)。

3.1 電壓控制

發(fā)電機正常運行時，其勵磁系統(tǒng)應(yīng)維持機端電壓在給定水平。當(dāng)發(fā)電機負荷變化引起端電壓改變時，應(yīng)在勵磁調(diào)節(jié)器作用下，勵磁系統(tǒng)將自動地減小或增大勵磁電流，使機端電壓保持在額定值，且保證有一定的調(diào)壓精度。當(dāng)機組發(fā)生甩負荷情況時，勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)限制機端電壓，使其不過分升高。

勵磁系統(tǒng)進行電壓控制時，采用調(diào)壓精度及發(fā)電機調(diào)壓靜差率兩個指標(biāo)衡量。其中，調(diào)壓精度是指，退出調(diào)差單元，投入自動勵磁調(diào)節(jié)器，發(fā)電機負荷從零變化到功率額定值時，引起的發(fā)電機機端電壓的最大變化，以發(fā)電機額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。調(diào)壓靜差率則定義為退出自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元，發(fā)電機負載從額定功率減小到零時機端電壓的變化率，由下式計算：

（1）

3.2 控制無功功率的分配

發(fā)電機并入系統(tǒng)運行時，其輸出的有功由原動機輸入的功率決定，而輸出的無功則與勵磁電流有關(guān)。發(fā)電機并入無窮大電網(wǎng)時，調(diào)節(jié)勵磁電流可以改變輸出的無功。實際運行中，發(fā)電機并聯(lián)的母線不是無窮大母線，此時如果改變勵磁，不僅會改變輸出的無功，也會使影響發(fā)電機的機端電壓，但一般而言，端電壓變化較小，而無功變化卻比較大。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的一個重要功能應(yīng)該是保證并聯(lián)運行的發(fā)電機機組間合理的無功分配。

研究并聯(lián)運行機組間的無功合理分配問題時，常用指標(biāo)為發(fā)電機端電壓調(diào)差率，即指投入自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元，給定電壓額定值，發(fā)電機功率因數(shù)為零，發(fā)電機的無功負載由零升高到額定值時，發(fā)電機端電壓的變化率，通常用端電壓百分?jǐn)?shù)表示，由下式計算：

（2）

3.3 提高同步發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性

暫態(tài)穩(wěn)定性指電力系統(tǒng)受到大擾動后（如高壓輸電網(wǎng)發(fā)生短路，主要供電機組故障等），系統(tǒng)不失步，恢復(fù)到新的或保持原來運行狀態(tài)的能力。

動態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到干擾后（小干擾及大干擾），在自動控制裝置的作用下，維持長時間的穩(wěn)定性的能力。

勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以有效地提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，而且在一定程度上改善暫態(tài)穩(wěn)定性（如提高強勵頂值倍數(shù)等），如圖2為調(diào)節(jié)勵磁對發(fā)電機輸出特性的影響。

3.4 提高繼電保護動作的靈敏度

系統(tǒng)低負荷運行時，發(fā)電機的勵磁電流較小，若此時發(fā)生短路故障，則短路電流較小，并隨時間衰減，可能導(dǎo)致帶時限的繼電保護無法正確工作。此時，勵磁控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)勵磁，對發(fā)電機進行強勵，以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，加大短路電流，提高繼電保護的動作的靈敏度。

3.5 快速滅磁

發(fā)電機或單元接線的變壓器內(nèi)部故障時，要求發(fā)電機能快速滅磁，以降低故障所造成的損害。此外，機組發(fā)生甩負荷情況時，機端電壓會迅速升高，特別對于水輪機，其機組慣性時間常數(shù)較大，甩負荷會導(dǎo)致可能會較嚴(yán)重的過速，進而造成嚴(yán)重過壓，危及定子絕緣，也需要勵磁系統(tǒng)有快速滅磁能力。

3.6 改善電力系統(tǒng)的運行條件

3.6.1 水輪發(fā)電機組實行強行減磁

上文已提到，水輪發(fā)機調(diào)速裝置的慣性大，發(fā)電機因故甩負荷的時將超速導(dǎo)致危險的過電壓，情況嚴(yán)重時電壓可以升高至危及定子絕緣的程度，此時，要求勵磁裝置進行強行減磁，避免這種危險過電壓的產(chǎn)生。

3.6.2 為發(fā)電機失磁異步運行創(chuàng)造了條件

發(fā)電機因為各種原因失磁時，可以不退出運行，但必須吸收大量無功功率轉(zhuǎn)入異步運行，此時會使系統(tǒng)電壓下降，如果系統(tǒng)內(nèi)其他正常運行機組的勵磁系統(tǒng)，可以及時增加勵磁提供足夠無功，保持系統(tǒng)電壓，則失磁的發(fā)電機在允許時間內(nèi)便能以異步方式維持運行，確保系統(tǒng)安全，利于機組熱力設(shè)備。

3.6.3 改善電機自啟動條件

電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，電網(wǎng)電壓會降低，此時未切除的電動機組會因此處于制動狀態(tài)。切除短路故障以后，電動機自啟動時，會吸收大量的無功功率，這樣一來會使系統(tǒng)電壓恢復(fù)過程變長，可能會引起系統(tǒng)甩負荷。這種情況下，如果發(fā)電機勵磁裝置可以進行強行勵磁，便能加速電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，有效地改善了發(fā)動機的啟動條件。

4.結(jié)語

近年來電力系統(tǒng)快速發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模的越來越大，日益擴大的電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運行提出了更高的要求。同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)的一個核心元件，保證其穩(wěn)定安全運行對電網(wǎng)起著非常關(guān)鍵的作用，因此，對同步發(fā)電機以及其勵磁系統(tǒng)更深入的研究和探索具有非常重要并且緊迫的現(xiàn)實意義。

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作者簡介：王燕（1986—），男，湖南郴州人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事水電廠勵磁系統(tǒng)及直流電源系統(tǒng)檢修工作。