誤強勵時同步發(fā)電機新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的分析

趙+欣1+++劉念++黃大可++潘榮超++李順

摘 要：文章針對同步發(fā)電機新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的可行性，重點研究了誤強勵下，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力。在MATLAB中，建立了誤強勵下新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)進行了對比分析，結(jié)果表明誤強勵下新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：新型疊加強勵勵磁；傳統(tǒng)自并勵；誤強勵；過電壓

Abstract： In order to study the feasibility of the new superposition strong excitation system for the synchronous generator， this paper focuses on the ability of the strong excitation under the faulty forced excitation. In MATLAB，we build up one model of the new superposition strong excitation system， and compare to the traditional self-shunt excitation system. The simulation result shows the new superposition strong excitation system is better than the traditional under the faulty forced excitation.

Keywords： new superposition strong excitation； traditional self-shunt excitation； faulty forced exciation； faulty forced excitation

引言

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機中最為主要的組成結(jié)構(gòu)，它不僅能直接影響勵磁電流的變化，對發(fā)電機的可靠運行以及電網(wǎng)的穩(wěn)定具有重要影響[1-4]。而傳統(tǒng)的采用功率整流橋的自并勵勵磁系統(tǒng)，機端電壓下降的情況得到足夠的強勵勵磁電壓，晶閘管整流器將會承受較大的換相電壓[5]，在額定運行工況下，這種強勵方式的運行效率非常低下，隨著機組的容量不斷增大，此方式將會帶來更大的損耗。

長江電力有關(guān)專家就此開始研究了大型水電機組新型勵磁系統(tǒng)，新型勵磁系統(tǒng)相比傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)在安全、經(jīng)濟、效率方面有了明顯提高[6-7]。由于此前已提出一種新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)，且正常故障即機端電壓降低情況的強勵能力已有分析[8-9]。而誤強勵引起的超高機端電壓會嚴重危害發(fā)電機的安全運行[10-12]，造成嚴重的影響，因此勵磁系統(tǒng)承受誤強勵的能力尤為重要，而文獻[13]中對誤強勵時的新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)已有簡單的分析，而本文通過疊加勵磁回路引入回調(diào)觸發(fā)信號，并在模擬不同誤強勵環(huán)境的情況下，對比分析傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)和新型疊加勵磁系統(tǒng)的勵磁電流、電壓尤其是對二者的諧波研究，來分析比較哪種勵磁方式在誤強勵下更為優(yōu)越。

1 新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)及原理

新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)相較而言，在其基礎(chǔ)上將勵磁變壓器ZLB由兩相改為三相，并引入強勵變壓器QLB，通過電子開關(guān)K和勵磁變壓器ZLB第三繞組連接，將事故強勵部分采用疊加方式進行投入，并將不太常用的強勵功能轉(zhuǎn)為離線備用避免了原方式的主勵磁回路整流器深控換相電壓高的問題，將觸發(fā)角由70°～80°提高了50°左右甚至更小[14]。

圖1 新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

Fig1 The structure of the new new superposition strong excitation system

發(fā)電機額定工況時，勵磁變壓器ZLB的二次繞組提供勵磁電，三次繞組側(cè)空載，主勵磁回路G1單獨運行，即強勵未投入運行，整個勵磁回路的工作回路與傳統(tǒng)自并勵勵磁回路一致。

發(fā)電機機組發(fā)生故障時，機端電壓降低，主勵磁回路G1運行使得電壓有一定幅度升高，同時疊加勵磁回路G2投入與原回路電壓進行疊加從而拉高機端電壓，此種方式在之前的研究中已得到證明不僅可以降低變壓器容量，提高勵磁變壓器的效率，還能解決整流器的深控問題。

當(dāng)發(fā)電機機組機端電壓在正常范圍內(nèi)運行，機組強行進行勵磁，致使機端電壓過高，這一強勵過程當(dāng)屬異常強勵過程即誤強勵。值得注意的是，此時強勵變壓器QLB因強行投入運行，使得主勵磁回路G1和強勵磁回路G2疊加輸出勵磁電壓，使得機端電壓升高，將嚴重影響電網(wǎng)穩(wěn)定。而本文將模擬誤強勵環(huán)境對此進行研究，進一步分析新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)越性。

2 誤強勵時勵磁系統(tǒng)仿真分析

2.1 誤強勵時勵磁繞組電壓和電流

由于本文只針對勵磁系統(tǒng)的疊加進行研究，為了簡化分析，因此將發(fā)電機簡化為一恒定電壓源，將勵磁繞組簡化為R與L串聯(lián)，即不考慮發(fā)電機內(nèi)部的電磁耦合，通過改變整流橋的觸發(fā)角來進行對勵磁系統(tǒng)的控制，仿真總時長為10s，前5s系統(tǒng)回路正常運行，5s時，主勵磁回路整流橋觸發(fā)角由60度降至較小于60的度數(shù)，疊加勵磁回路整流橋仍保持60度，即開始模擬系統(tǒng)出現(xiàn)誤強勵，此時主勵磁回路和疊加勵磁回路同時投入運行，使得勵磁電壓大幅度升高，同時7s時，疊加勵磁回路的整流橋開始進行調(diào)整至較大度數(shù)，進行回調(diào)作用。通過上述分析理論在MATLAB中構(gòu)建的新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)誤強勵回路與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)誤強勵回路的仿真圖如圖2、圖3所示。仿真過程中，將主勵磁回路整流橋觸發(fā)角由60度分別降至30度、20度、10度，模擬不同的誤強勵環(huán)境仿真可得到勵磁繞組的勵磁電壓和勵磁電流。

圖3 誤強勵時傳統(tǒng)自并勵勵磁方式勵磁回路

Fig3 The circui of traditional self-shunt excitation excitation

under the faulty forced excitation

仿真得到的兩組勵磁繞組電壓和勵磁電流放在同一坐標(biāo)系下進行對比分析，如圖4、圖5所示，可以看出發(fā)生無論發(fā)生大小不同的誤強勵磁時，在主勵磁回路無故障的情況下，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)和傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)因為強行勵磁使得勵磁電壓、勵磁電流均升高，均且能在另一個電壓、電流等級保持穩(wěn)定，但不同的是，從勵磁電壓來看，如圖4所示，新型疊加勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓在誤強勵后，由于疊加強勵勵磁回路有一個回調(diào)的信號作用，使得電壓升高后會出現(xiàn)一個回調(diào)，則其穩(wěn)定狀態(tài)時的勵磁電壓和勵磁電流均比傳統(tǒng)自并勵勵磁方式小，即升高的幅度降低。勵磁電流也同樣如此。這說明新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)在誤強勵時，由于具有疊加勵磁回路，且其有一定的回調(diào)作用，使得強勵發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)電壓，電流相比傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)更小，使電網(wǎng)的安全風(fēng)險在一定范圍內(nèi)降低，也進一步說明其承受誤強勵的能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，這也是新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點之一。

框圖區(qū)局部放大：

圖4 不同誤強勵下勵磁繞組電流

Fig4 The excitation wingding current

2.2 誤強勵時勵磁繞組諧波分析

由于諧波引起的正弦電壓和電流的波形畸變已成為危害電能質(zhì)量的主要原因之一[15-17]，因此可對傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)和新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)誤強勵下的繞組電壓、電流進行諧波分析，選取圖中強勵角度為10度時的誤強勵情況為例，并把二個系統(tǒng)的諧波分析結(jié)果放在同一坐標(biāo)下如圖6、圖7所示，來驗證誤強勵下哪個系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響更小，更為優(yōu)越。

同時將所得到的繞組諧波的數(shù)據(jù)進行處理，定義相對畸變率=傳統(tǒng)勵磁諧波占比/新型勵磁諧波占比（相同畸變次數(shù)下），若畸變率大于1，則說明傳統(tǒng)勵磁的某次諧波含量大于新型勵磁，反之亦然，如此則取11組數(shù)據(jù)進行如此處理后則得表1。

由上述圖6、7可直觀得出新型疊加系統(tǒng)的直流含量高于傳統(tǒng)勵磁，傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)的諧波含量曲線高于新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)，進一步處理后由表1可知，在誤強勵的情況下，11組不同諧波頻率下的繞組電壓和繞組電流的相對畸變比均大于1，則進一步證明了傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)的各次諧波高于新型疊加勵磁系統(tǒng)，同時，繞組電壓的各次諧波相對畸變率均高于繞組電流，說明在誤強勵情況下，繞組電壓受到的影響較深。綜上可知，在誤強勵的情況下，新型疊加強勵勵磁系系統(tǒng)對諧波的抑制情況強于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，對電網(wǎng)影響較小，也進一步說明了新型疊加強勵勵磁系系統(tǒng)其承受誤強勵的能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)和新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)在誤強勵情況下，對比分析了各自的勵磁能力，可知：

（1）不同誤強勵情況下，由于新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)具有回調(diào)功能的疊加勵磁回路，使得回調(diào)穩(wěn)定后的電壓、電流升高幅度均低于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，使得電網(wǎng)的安全風(fēng)險在一定范圍內(nèi)降低，說明其承受誤強勵的能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

（2）誤強勵時，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)繞組電壓、電流中的諧波含量低于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，抑制諧波的能力強于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

（3）誤強勵時，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)中，繞組電壓的諧波畸變比大于繞組電流。

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作者簡介：趙欣（1992-），女，碩士研究生，主要從事大電機安全分析與監(jiān)控。

劉念（1956-），男，博士，教授，主要從事大型發(fā)電機組的運行控制及電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等方面的教學(xué)與研究。

黃大可（1956-），男，教授級高工，一級勵磁專家，長期從事水電廠勵磁技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)工作。

潘榮超（1987-），男，碩士研究生，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及勵磁技術(shù)等方面的研究。

李順（（1988-），男，碩士研究生，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及發(fā)電機勵磁方面的研究。