浅谈水电站发电机励磁系统的应用

浅谈水电站发电机励磁系统的应用
摘要:水电站工程中,励磁系统是整个电站的重要组成部分,它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。

通过调节励磁系统使水电站全系统各点电压均满足要求,从而使全网无功功率分布合理, 有功功率损耗达到最小程度。

关键词:水电站;励磁系统;励磁功率单元;励磁调节器
发电机励磁系统是指供给发电机励磁电流的电源及其附属设备的全称。

它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。

励磁功率单元向发电机转子提供励磁电流;而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

在水电站工程中,励磁系统是整个电站的重要组成部分,它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。

发电机励磁系统的主要作用有:①根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流,以维持机端电压为给定值;②控制并列运行各发电机间无功功率分配;③提高发电机并列运行的静态稳定性;④提高发电机并列运行的暂态稳定性;⑤在发电机内部出现故障时,进行灭磁,以减小故障损失程度;⑥根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

目前水电站励磁调节器一般为双微机、双通道励磁调节器并带有手动控制单元及辅助功能单元。

两路通道,正常时一路工作,另一路热备用,发生故障时,能自动无扰动地切换至备用通道并发出报警信号和闭锁故障通道。

当两路通道均故障时,自动能无扰动地切换至手动调节通道,并发出报警信号。

励磁调节器具有自动电压调节器(A VR)和手动励磁控制(MEC)功能。

并且配置通道的脉冲监视信号和自动/手动数字式跟踪单元。

当自动通道故障时,手动通道自动投入。

手动和自动相互切换时,由跟踪装置保持切换时机端电压和无功功率的平稳无波动。

切换装置的自动跟踪部分具有防止跟踪异常或故障的措施。

微机励磁调节器功能可由软件模块实现。

在发电机空载运行状态下,自动电压调节器(A VR)和手动励磁控制器的整定电压变化速度一般在空载额定电压1%/s ~0.30%/s范围内。

自动电压调节器在发电机空载额定电压的70%～110%范围内进行平滑、稳定的调节。

手动励磁控制器(MEC)的调节范围为:10%～110%If。

手动励磁控制器下限一般在发电机空载励磁电压的10%以下,上限一般不得低于额定励磁电压的110%,并且能满足机组调试时零起升压的要求。

在发电机空载运行、转速在0.95～1.05倍额定转速范围内突然投入励磁系统,使发电机端电压从零上升到额定值时,超调量在额定值的10%以下,调节时间及振荡次数都很大程度的减少。

发电机励磁系统配备自动灭磁装置及开关,灭磁开关可现地或远方通过计算机操作。

在任何需要灭磁的工况下(包括发电机空载强励),自动灭磁装置及开关都
能保证快速可靠灭磁。

机组正常停机时,转速下降至85%～90%额定转速时,自动进行逆变灭磁。

事故停机时采用灭磁开关加非线性电阻灭磁。

当采用自动灭磁装置灭磁时,励磁绕组两端的反向电压瞬时值不得超过该绕组交接验收对地耐压试验电压幅值的50%,不得低于30%。

灭磁电阻采用非线性氧化锌电阻,其容量能快速吸收从强励顶值电流直到10%额定励磁电流范围内磁场能量,以限制机组异常工况下转子过电压不得超过磁场绕组出厂对地耐压试验电压幅值的70%。

在机组正常运行工况下,非线性电阻的漏电电流在10mA以下,并且无过热现象,其工作容量都有足够的裕度,并允许连续工作。

发电机励磁系统起励装置由220V直流供电。

设置控制、保护和起励不成功报警电路。

当发电机电压升到额定电压的30%时,自动投入励磁调节器和切断起励电源。

起励电流限制在20%空载励磁电流内。

机组启动后,在转速达到90%～95%额定值时投入起励装置。

在外加起励电压或满足自激条件的残压下可靠起励,待机端电压上升到微机调节装置能正常工作后起励回路自动复归,机端电压自动上升到额定值。

对发电机的电压、无功功率及励磁电流的调节可在现地及中控室进行。

目前水电站采用计算机监控系统控制。

通过监控系统的现地LCU,以串行口通信和开关量接口方式向励磁装置发送调节命令,给出无功或电压的设定值,并能够采集励磁系统的各种信号。

励磁系统应设有远方/现地切换开关。

当切至远方时,现地仅允许进行灭磁开关跳闸操作;切至现地时,应闭锁电站监控系统的控制、调节命令,仅允许接受灭磁开关跳闸命令。

自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。

无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因,当励磁电流不变时,发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。

但是为了满足用户对电能质量的要求,发电机的端电压应基本保持不变,实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。

在目前水电站工程中,当发电机与系统并联运行时,可以认为是与无限大容量电源的母线运行,要改变发电机励磁电流,感应电势和定子电流也跟着变化,此时发电机的无功电流也跟着变化。

当发电机与无限大容量系统并联运行时,为了改变发电机的无功功率,必须调节发电机的励磁电流。

此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”,而只是改变了送入系统的无功功率。

并联运行的发电机根据各自的额定容量,按比例进行无功电流的分配。

大容量发电机应负担较多无功负荷,而容量较小的则提供较少的无功负荷。

为了实现无功负荷能自动分配,可以通过自动高压调节的励磁装置,改变发电机励磁电流维持其端电压不变,还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整,以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。

在改变发电机的励磁电流中,一般不直接在其转子回路中进行,因为该回路中电流很大,不便于进行直接调节,通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流,以达到调节发电机转子电流的目的。

常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻,改变励磁机的附加励磁电流,改变可控硅的导通角等。

这里主要讲改变可控硅导通角
的方法,它是根据发电机电压、电流或功率因数的变化,相应地改变可控硅整流器的导通角,于是发电机的励磁电流便跟着改变。

这套装置一般由晶体管,可控硅电子元件构成,具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点。

在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁。

自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。

被测量信号(如电压、电流等),经测量单元变换后与给定值相比较,然后将比较结果(偏差)经前置放大单元和功率放大单元放大,并用于控制可控硅的导通角,以达到调节发电机励磁电流的目的。

同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步,以保证可控硅的正确触发。

调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。

稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元。

励磁系统稳定单元用于改善励磁系统的稳定性。

限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。

必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元,一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。

自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器;励磁装置需要提供以下电流,厂用AC380V、厂用DC220V控制电源、厂用DC220V 合闸电源;需要提供以下空接点,自动开机、自动停机,并网,增磁,减磁;需要提供以下模拟信号,发电机机端电压100V,发电机机端电流5A,母线电压100V,励磁装置输出以下继电器接点信号;励磁变过流,失磁,励磁装置异常等。

励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关,助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。

在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外,还必须灭磁,把转子磁场尽快地减弱到最小程度,保证转子不过热的情况下,使灭磁时间尽可能缩短,是灭磁装置的主要功能。

根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。

实际上,电力系统电压调整问题是一个复杂的综合性问题。

近几年来,由于技术的不断创新,新型的工艺和新器件的不断涌现,使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。

在自动调节励磁装置方面,也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置,使水电站全系统各点电压均满足要求,从而使全网无功功率分布合理, 有功功率损耗达到最小程度。

参考文献
[1]朱振清.励磁控制与电力系统稳定[M].北京:水利电力出版社,1994.
[2]卢强,孙元章.电力系统非线性控制[M].北京:科学出版社,1993。