同步發(fā)電機(jī)疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)特性分析研究

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(1.四川大學(xué)錦城學(xué)院新能源工程系，四川 成都 611731； 2.四川大學(xué)電氣工程系, 四川 成都 610065；3.中國長(zhǎng)江電力股份有限公司, 湖北 宜昌 443002)

同步發(fā)電機(jī)疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)特性分析研究

劉念1，謝馳1，趙欣2，潘榮超2，黃大可3

(1.四川大學(xué)錦城學(xué)院新能源工程系，四川 成都 611731； 2.四川大學(xué)電氣工程系, 四川 成都 610065；3.中國長(zhǎng)江電力股份有限公司, 湖北 宜昌 443002)

研究同步發(fā)電機(jī)疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力，建立疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，然后構(gòu)造具有疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)35 kV電纜輸電線路模型。仿真分析結(jié)果表明疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，且強(qiáng)勵(lì)過電壓不會(huì)對(duì)發(fā)電廠輸電電纜絕緣造成影響。

疊加強(qiáng)勵(lì)；自并勵(lì)系統(tǒng)；強(qiáng)勵(lì)特性；仿真模型

0 引 言

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定起著重要的作用，優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，提供合格的電能，而且還能改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定條件[1-3]。而傳統(tǒng)的采用功率整流橋的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，為滿足機(jī)端電壓下降的情況得到足夠的強(qiáng)勵(lì)，勵(lì)磁系統(tǒng)晶閘管整流器必須處于深度控制狀態(tài)，其承受較大的換相電壓，特別在強(qiáng)勵(lì)方式下，傳統(tǒng)的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行效率非常低[4]。隨著發(fā)電機(jī)組的容量不斷增大、輸電距離不斷增長(zhǎng)和電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，發(fā)電輸電系統(tǒng)更加重視勵(lì)磁系統(tǒng)的高頂值倍數(shù)[5-6]。

現(xiàn)代疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，即一種具有疊加強(qiáng)勵(lì)能力的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，更加符合發(fā)電和輸電的安全性、可靠性和節(jié)能環(huán)保要求[7-8]。 針對(duì)疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)特性，重點(diǎn)研究同步發(fā)電機(jī)疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力，建立疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，最后構(gòu)造具有疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)及35 kV電纜輸電線路模型，完成35 kV電纜輸電線路在發(fā)電機(jī)疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生誤強(qiáng)勵(lì)下的過電壓仿真分析計(jì)算。

1 疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)相較而言，在其基礎(chǔ)上將勵(lì)磁變壓器ZLB由雙繞組改為3繞組，并引入強(qiáng)勵(lì)變壓器QLB。通過電子開關(guān)K和勵(lì)磁變壓器ZLB第3繞組連接，將事故強(qiáng)勵(lì)部分采用疊加方式進(jìn)行投入，并將不太常用的強(qiáng)勵(lì)功能轉(zhuǎn)為離線備用。

圖1 疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)額定工況時(shí)，勵(lì)磁變壓器ZLB的二次繞組提供勵(lì)磁電，三次繞組側(cè)空載，主勵(lì)磁回路整流橋G1工作，強(qiáng)勵(lì)回路主流橋G2不工作，即強(qiáng)勵(lì)未投入運(yùn)行，整個(gè)勵(lì)磁回路的工作回路與傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁回路一致，可通過調(diào)節(jié)主橋的觸發(fā)角來適當(dāng)調(diào)整機(jī)端電壓。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動(dòng)如三相接地短路時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓將會(huì)產(chǎn)生大幅度的降落。為了維持電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定必須對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁。此時(shí)需投入強(qiáng)勵(lì)變壓器QLB，并聯(lián)的二極管D截止，主橋G1和強(qiáng)勵(lì)橋G2串聯(lián)運(yùn)行，二者的電壓疊加輸出勵(lì)磁電壓，提供比原傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁方式更高的頂值電壓(強(qiáng)勵(lì)電壓)倍數(shù)；并避免了原傳統(tǒng)方式的主橋觸發(fā)角深控問題，且降低了勵(lì)磁變壓器的容量，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

2 誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)仿真分析

同步發(fā)電機(jī)機(jī)組機(jī)端電壓在正常范圍內(nèi)運(yùn)行，機(jī)組強(qiáng)行進(jìn)行勵(lì)磁，致使機(jī)端電壓過高，這一強(qiáng)勵(lì)過程當(dāng)屬異常強(qiáng)勵(lì)過程即誤強(qiáng)勵(lì)。 在圖1電路的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)回路與傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)回路如圖2和圖3所示。

在Matlab中進(jìn)行仿真，仿真過程中，將仿真時(shí)間設(shè)置為40 s，前20 s保持正常狀態(tài)運(yùn)行，機(jī)端電壓保持不變，即6.3 kV，主橋陽極電壓300 V，當(dāng)20 s時(shí)，將整流橋觸發(fā)角由60°降至10°，機(jī)組開始強(qiáng)行勵(lì)磁即出現(xiàn)模擬的誤強(qiáng)勵(lì)環(huán)境，至40 s結(jié)束，仿真后可得到勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流。

圖2 疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁方式誤強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁主回路

仿真得到的兩組勵(lì)磁繞組電壓和勵(lì)磁電流放在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4、圖5所示。其中線段A是疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，線段B是傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，可以看出疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)磁時(shí)，在主橋無故障的情況下能夠?qū)?lì)磁電壓進(jìn)行回調(diào)，仍然能保持機(jī)端電壓穩(wěn)定；且誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流均比傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁方式小的多。這說明疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)比傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)更小，這也是疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。

圖3 傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁方式誤強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁主回路

圖4 勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電壓(部分時(shí)間段)

圖5 勵(lì)磁繞組電流

3 誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致輸電線路過電壓的分析

為了研究勵(lì)磁方式對(duì)輸電線路的影響，對(duì)實(shí)際線路進(jìn)行了仿真，建立了發(fā)電機(jī)輸變電線路模型，如圖6所示。根據(jù)圖6所給出的模型，在Matlab軟件下進(jìn)行仿真，在空載和負(fù)載情況下測(cè)量發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、機(jī)端和電纜上的電壓，并檢驗(yàn)35 kV電纜能否能承受由于疊加強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致的過電壓。

圖6 發(fā)電機(jī)35 kV電纜輸電線路模型

當(dāng)35 kV電纜輸電線路空載運(yùn)行時(shí)，對(duì)于疊加強(qiáng)勵(lì)，采用等效代替法。假設(shè)模型起初的運(yùn)行情況為自并勵(lì)運(yùn)行，初始頂值電壓倍數(shù)為1，故障發(fā)生后，頂值電壓倍數(shù)可達(dá)到2倍，并以此電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)作為新的頂值電壓倍數(shù)加在勵(lì)磁繞組上。對(duì)于空載情況是最簡(jiǎn)單的情況，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓標(biāo)幺值為1時(shí)，其轉(zhuǎn)子電壓標(biāo)幺值也為1。仿真時(shí)間為50 s，假設(shè)10 s后發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)，30 s后誤強(qiáng)勵(lì)截止，50 s后仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如圖7至圖9所示。

圖7 發(fā)電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁電壓

圖8 發(fā)電機(jī)空載時(shí)機(jī)端電壓

圖7中，起初勵(lì)磁電壓為1 p.u.，誤強(qiáng)勵(lì)后勵(lì)磁電壓上升至2 p.u.，直至30 s后誤強(qiáng)勵(lì)去除，勵(lì)磁電壓逐漸放回到1 p.u.。圖8中，機(jī)端額定電壓為6.3 kV，當(dāng)發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)后，機(jī)端電壓達(dá)到11.6 kV，過電壓倍數(shù)為11.6/6.3=1.84。圖9中，電纜額定電壓為35 kV，當(dāng)發(fā)生誤強(qiáng)勵(lì)后，電纜線電壓達(dá)到68.1 kV，過電壓倍數(shù)為68.1/35=1.84。

圖9 發(fā)電機(jī)空載時(shí)35 kV電纜電壓

當(dāng)35 kV電纜輸電線路負(fù)載運(yùn)行時(shí)，增添的負(fù)載為P= 2×106W，Q= 1×106var，Vf=1.067 01 p.u.，在誤強(qiáng)勵(lì)的情況下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10至圖12所示。

圖10 發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)勵(lì)磁電壓

圖11 發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)機(jī)端電壓

圖10中，一開始，勵(lì)磁電壓為1.067 01 p.u.，誤強(qiáng)勵(lì)后勵(lì)磁電壓上升至2.134 02 p.u.，直至30 s后誤強(qiáng)勵(lì)去除，勵(lì)磁電壓逐漸放回到1.067 01 p.u.。從圖11可知，誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升高，機(jī)端電壓過電壓倍數(shù)為10.9/6.3=1.72。從圖12可知，誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致電纜電壓升高，過電壓倍數(shù)為62.7/36=1.72。

由上述分析可見，當(dāng)增添負(fù)載后，誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致的機(jī)端和電纜的過電壓倍數(shù)和空載時(shí)相比變小。

為了使研究問題一般化，采用不完全歸納法研究負(fù)載時(shí)誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致的過電壓倍數(shù)和空載時(shí)相比確實(shí)變小了。采用了3組不同的負(fù)載同空載進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 不同負(fù)載下誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致的過電壓

圖12 發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)35 kV電纜電壓

由表1可知，隨著負(fù)載的增大，誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致的機(jī)端和電纜過電壓倍數(shù)越低。空載情況時(shí)，誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)機(jī)端和電纜過電壓倍數(shù)最大。為了嚴(yán)格考慮誤強(qiáng)勵(lì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的過電壓倍數(shù)，應(yīng)選擇空載情況進(jìn)行分析。

同時(shí)，通過對(duì)空載情況下的誤強(qiáng)勵(lì)仿真可以發(fā)現(xiàn)，在2倍的頂值電壓倍數(shù)下，誤強(qiáng)勵(lì)可以導(dǎo)致1.8倍的過電壓。對(duì)于交流耐壓試驗(yàn)(頻率在20～300 Hz)， 35 kV交聯(lián)聚乙烯電纜可以在2倍的額定電壓下運(yùn)行60 min。由此可見，對(duì)于疊加勵(lì)磁系統(tǒng)來說，2倍的頂值電壓倍數(shù)所導(dǎo)致的1.84倍的電力系統(tǒng)過電壓在20 s內(nèi)不會(huì)對(duì)35 kV交聯(lián)聚乙烯電纜的運(yùn)行造成不利影響。因此，2倍的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)下產(chǎn)生的過電壓在20 s內(nèi)不會(huì)對(duì)電纜的運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。

4 結(jié) 語

對(duì)比分析了疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)和傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在誤強(qiáng)勵(lì)情況下各自的勵(lì)磁能力，同時(shí)在發(fā)電機(jī)35 kV電纜輸電線路模型中仿真分析了疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在空載和負(fù)載情況下誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)的機(jī)端電壓和電纜線路電壓過電壓。

疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁主橋在誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電壓和電流升高的倍數(shù)均比傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)的低，疊加強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)抵抗誤強(qiáng)勵(lì)帶來的過電壓能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。

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It focuses on the strong excitation ability of superposition strong excitation system for synchronous generator, and a simulation model of superposition strong excitation system is established, which is compared with the traditional self-shunt excitation system. Then the model of 35 kV cable transmission line with the superposition strong excitation system is constructed for the synchronous generator. The simulation result shows that the superposition strong excitation system is better than the traditional one under the forced excitation, and there is not any over-voltage influence on the cable insulation.

superposition strong excitation; self-shunt excitation system; strong excitation characteristic; simulation model

TM311

A

1003-6954(2017)06-0020-04

劉 念(1956)，博士、教授，主要從事高電壓技術(shù)及電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等方面的教學(xué)與研究；

謝 馳(1956)，博士、教授，主要從事測(cè)控技術(shù)及旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等方面的教學(xué)與研究；

趙 欣(1992)，碩士研究生，主要從事大電機(jī)安全分析與運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)研究；

潘榮超(1988)，碩士研究生，主要從事高電壓技術(shù)及應(yīng)用研究；

黃大可(1956)，教授級(jí)高工、一級(jí)勵(lì)磁專家，長(zhǎng)期從事水電廠勵(lì)磁技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)工作。

2017-06-19)