新聞主題	發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器功能介紹

 

 勵磁調(diào)節(jié)器是維持發(fā)電機的機端電壓恒定、通過合理的調(diào)差設(shè)置保證并列運行的機組間無功功率的合理分配，通過快速的勵磁響應(yīng)提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定。此外，調(diào)節(jié)器還具有故障錄波、事件記錄、系統(tǒng)自檢、智能調(diào)試等功能。

 

一、數(shù)字移相及觸發(fā)脈沖形成

 

數(shù)字移相就是將PID計算輸出的數(shù)字量Y轉(zhuǎn)換為控制角α，并在規(guī)定的角度區(qū)間內(nèi)形成脈沖，經(jīng)功率放大后形成觸發(fā)脈沖，給相應(yīng)晶閘管觸發(fā)。對三相全控橋觸發(fā)脈沖，控制角α有上、下限，即α_min≤α≤α_max，如取α_min＝5°、α_max＝150°，并需采用雙脈沖觸發(fā)。

 

1．數(shù)字移相工作原理

 

數(shù)字移相就是將前述電壓控制信號Y對應(yīng)的數(shù)字量D在規(guī)定的角度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)換成時間t_α，再由t_α轉(zhuǎn)換為工頻電角度α，從而使數(shù)字移相。利用減法計數(shù)器在一定計數(shù)脈沖f_c下對D作減計數(shù)運算，從計數(shù)開始到減計數(shù)器出現(xiàn)0為止的時間就是t_α。顯然，t_α等于D個計數(shù)脈沖周期，即

 

將式（6-33）中的延時轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電角度，即控制角α，則有

 

 

式中 T₁-交流電源的周期，對應(yīng)角頻率ω1，工頻50Hz。

 

2．數(shù)字移相實現(xiàn)

 

根據(jù)式（6-1）直流勵磁電壓U_d與延遲觸發(fā)角α之間關(guān)系，首先需確定延遲觸發(fā)角α的計算起始點，全控整流橋六個晶閘管依次相隔60°被觸發(fā)換相，對應(yīng)有六個電源電壓為同步電壓，各同步電壓由負變正過零點的時刻即為a＝0°的計算起始點。

在圖1中示出了VSO1～VSO6六個晶閘管同步電壓形成的區(qū)間，方框中標示有^＃1（^＃6）晶閘管觸發(fā)脈沖形成區(qū)間，對應(yīng)同步電壓分別是u_ac、U_be、U_ba、U_ca、U_cb、U_ab，各自正半周的起點即是α＝0°起始點。方框中帶括弧的編號表示雙脈沖觸發(fā)時另一晶閘管的編號。當圖1中的方框開始出現(xiàn)時（即同步電壓正半周開始時），減計數(shù)器就對置入的數(shù)字量D開始進行減計數(shù)。

 

圖1 發(fā)電機同步去電壓形成的區(qū)間

 

數(shù)字移相觸發(fā)電路如圖2所示。u_ac、u_be、u_ba經(jīng)方波形成電路后，得到正半周高電位的方波電壓［u＋ ac］、［u＋ be］、［u+ ba］，經(jīng)反相器后分別得到u_ca、u_ca、u_cb正半周高電位的方波電壓［u+ ca］、［u+ ca］、［u+ cb］，這些高電位方波電壓就是晶閘管VSO1～VSO6的同步電壓。同步電壓作用于減計數(shù)器的“Gate”端，在時鐘脈沖f_c作用下，減計數(shù)器對“D”端置入到計數(shù)器的數(shù)字量D作減法運算，當計數(shù)器為0時，輸出端“out”由高電位突變?yōu)榈碗娢?V。“out”突變低電位時刻與控制角α對應(yīng)，從而獲得了與控制角α相對應(yīng)的低電位脈沖。

 

圖2 發(fā)電機數(shù)字移相觸發(fā)電路

 

“out”的低電位脈沖經(jīng)光電隔離、電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大就可得到晶閘管的觸發(fā)脈沖。

在自并勵勵磁系統(tǒng)中，觸發(fā)脈沖要經(jīng)脈沖變壓器放大后輸出，所以脈沖變壓器一、二次繞組間應(yīng)有足夠高的隔離耐壓水平。自并勵勵磁系統(tǒng)電流大，可控整流柜一般為多個并聯(lián)，故觸發(fā)脈沖輸出數(shù)量要滿足要求，輸出功率要足夠大以保證晶閘管觸發(fā)導通。

由上述控制過程可知，輸入數(shù)字量從D減至0，經(jīng)歷時間為t_α，把延時t_α換算成對應(yīng)的適時觸發(fā)角α，計數(shù)脈沖個數(shù)D與α形成對應(yīng)關(guān)系，見式（6-34），或?qū)懗?/span>

 

 

【例6-2】某發(fā)電機勵磁電壓U_d＝1000V，α＝18°，計數(shù)脈沖頻率500kHz，交流電源50Hz。

求：

（1）數(shù)字控制量D；

（2）要求勵磁電壓U_d調(diào)至985V，數(shù)字控制量D′是多少？延遲觸發(fā)角α′是多少？解 由式（6-35）可求得數(shù)字控制量

 

 

因為U_d＝1.35Ecosα，所以得 

 

 

所以α′＝20.48°

 

 

可取D′為569。      

二、勵磁系統(tǒng)中的輔助控制

 

1．勵磁限制

 

大型同步發(fā)電機運行的安全性極為重要，繼電保護裝置是保證發(fā)電機安全的不可缺少的措施，AER的限制功能與繼電保護兩者的配合保證了發(fā)電機運行的安全。大型同步發(fā)電機上AER的限制功能有強勵反時限限制、過勵延時限制、欠勵瞬時限制、U／f限制、最大勵磁電流瞬時限制等。

（1）強勵反時限限制

發(fā)電機勵磁繞組允許的勵磁電流與持續(xù)時間呈反時限制性，即勵磁電流愈大，允許作用的時間愈短；勵磁電流減小時，允許作用的時間增加。為使AER起到強勵反時限限制功能，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機勵磁繞組特性，將允許強勵倍數(shù)（如取2.0）、允許強勵時間（如10s）、稍低于強勵允許的反時限特性曲線輸入到AER中。允許強勵倍數(shù)和允許強勵時間的設(shè)置，實際上就限制了強勵允許反時限特性的峰值（最大強勵電壓、最短的允許時間）不超過發(fā)電機的允許限值。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，發(fā)電機機端電壓可能大幅度降低，AER將發(fā)電機處強勵狀態(tài)。此時AER根據(jù)測到的勵磁電流，計算該勵磁電流的持續(xù)時間，當持續(xù)時間達到設(shè)置強勵反時限特性曲線相應(yīng)允許時間時，AER停止強勵并將勵磁電流限定在限額值，見圖3?？梢?，AER的強勵反時限限制可使發(fā)電機勵磁繞組過熱不超過允許值，保證了發(fā)電機的安全。發(fā)電機勵磁繞組過負荷時，強勵反時限限制同樣可起到保護作用。

 

圖3 發(fā)電機反時限過勵磁限制特性曲線圖

 

（2）過勵延時限制

發(fā)電機在運行中，轉(zhuǎn)子電流（勵磁電流）和定子電流都不能長期超過額定值運行，圖4示出了發(fā)電機勵磁電流限制區(qū)域及定子電流限制區(qū)域。因發(fā)電機的空載電動勢E_q與轉(zhuǎn)子勵磁電流成正比，所以以M點為圓心、轉(zhuǎn)子電流允許值（如1.1IaN）相應(yīng)的E_q為半徑的圓弧CD即為過勵延時限制線。發(fā)電機在運行中，AER不斷實時測量發(fā)電機的P、Q值，當Q值大于該點的允許值且持續(xù)時間達設(shè)定時間（如2min）時，過勵延時限制動作，減小發(fā)電機勵磁，將無功功率限制在設(shè)定曲線的無功功率值。

 

圖4 發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性限制曲線圖

 

（3）欠勵瞬時限制。由于電力系統(tǒng)運行需要，同步發(fā)電機在運行中可能發(fā)生進相運行，即吸收感性無功功率和發(fā)出有功功率。由圖6-15所示的功角特性可見，在某一有功功率下，勵磁電流的減小意味著功率角增大，當δ角大于90°時發(fā)電機可能失去靜態(tài)穩(wěn)定。為此，

AER中設(shè)有欠勵瞬時限制，當發(fā)電機進入設(shè)定的欠勵限制線時，AER瞬時欠勵限制動作，增大發(fā)電機勵磁，以保持發(fā)電機與系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，使發(fā)電機定子端部發(fā)熱在允許的范圍內(nèi)。

隱極機的靜態(tài)穩(wěn)定極限的理論值是δ＝90°，因此，MH是理論上的靜態(tài)穩(wěn)定運行邊界。在突然過負荷時，為了維持發(fā)電機的穩(wěn)定運行，實際的靜態(tài)穩(wěn)定運行邊界應(yīng)留有一定的余量。圖6-39中BF曲線是考慮了能承受0.1P_N過負荷能力的實際靜穩(wěn)定極限。曲線BF是這樣作出來的：先在理論邊界上取一些點（如點1），然后保持勵磁電流（E_q/X_d）不變，作圓弧12，再找出實際功率比理論功率低0.1P_N的點的集合直線23，曲線12和直線23的交點就在實際穩(wěn)定極限上。用同樣的方法將能找到實際穩(wěn)定極限的所有的點，連接這些點可得實際穩(wěn)定極限的邊界。

（4）電壓／頻率（U/f）限制

 

發(fā)電機的端電壓的計算公式為

U=4.44fBN×10^-8                             (6-36)

式中 B——磁感應(yīng)強度；

f ——系統(tǒng)頻率；

N——繞組匝數(shù)；

S ——每極有效截面積。

式（6-36）中，4.44NS為常數(shù)，設(shè)為系數(shù)K，則有

 

 

設(shè)額定運行時（對應(yīng)UN、fx）的磁感應(yīng)強度為BN，則有

 

 

式（6-38）中U_*、f_*為電壓、頻率的標幺值。測量n值大小就可判定發(fā)電機過勵磁的程度。

當發(fā)電機電壓升高或系統(tǒng)頻率降低時，發(fā)電機過勵磁，n增大，表現(xiàn)為鐵芯飽和，勵磁電流急劇增大，渦流損耗增大；諧波磁場增強，使附加損耗加大，引起局部發(fā)熱；同時定子鐵芯背部漏磁場增強，在定位筋附近引起局部過熱，過熱程度隨n值增大急劇增加。防止發(fā)電機及變壓器由于電壓過高或頻率過低而鐵芯過熱，采取對電壓與頻率比值進行限制。

AER中的過勵磁限制可起到發(fā)電機過勵磁保護作用，當然過勵磁限制值應(yīng)與發(fā)電機過勵磁保護動作值相配合。應(yīng)當指出，水輪發(fā)電機突然甩負荷時（如線路故障跳閘），因調(diào)速系統(tǒng)關(guān)閉導水葉有較大的慣性，所以轉(zhuǎn)速急劇上升，導致機端電壓升高，危及定子絕緣。在這種情況下過電壓限制可抑制機端電壓的迅速上升。

（5）最大勵磁電流瞬時限制

電力系統(tǒng)穩(wěn)定要求發(fā)電機勵磁系統(tǒng)有高的電壓上升速度。交流勵磁機勵磁系統(tǒng)在通常情況下很難滿足要求。而采用提高勵磁頂值電壓的方法，可以使電壓響應(yīng)比增大。如圖6-40所示，當勵磁頂值電壓提高時，即U_fdmax2＞U_fdmax1，對同一時間t₁有U_td2＞U_fd1，即勵磁頂值電壓愈高，勵磁電壓上升速度愈快。電壓響應(yīng)速度得到了改善，但是高勵磁頂值電壓將會危及勵磁機及發(fā)電機安全。

為了防止過高強勵電壓損壞發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣，設(shè)置最大勵磁電流瞬時限制，當勵磁電壓達到發(fā)電機允許的勵磁頂值電壓倍數(shù)時，應(yīng)由勵磁調(diào)節(jié)器動作立刻對勵磁進行限制，使勵磁電流限制在I_fdmax。

 

2．電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer，PSS）

 

當發(fā)電機通過遠距離輸電線與電網(wǎng)連接，而線路傳輸功率又較大時，會出現(xiàn)低頻振蕩，這對維護發(fā)電機穩(wěn)定運行是不利的，因此，投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），增大系統(tǒng)對振蕩的阻尼，可以抑制低頻振蕩。

 

發(fā)電機高勵磁頂值電壓與電壓上升速度曲線圖

 

（1）正阻尼力矩與負阻尼力矩

發(fā)電機正常運行時，輸入功率等于輸出功率，發(fā)電機為額定轉(zhuǎn)速，δ角不發(fā)生變化。如在圖6-15中，發(fā)電機穩(wěn)定運行在α點，δ＝δ₀不變化。

當發(fā)電機受擾動時，如系統(tǒng)電壓降低或升高，則功角特性相應(yīng)降低或升高，在輸入功率不變情況下，發(fā)電機要加速或減速，δ角增大或減小。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化過程中，發(fā)電機系統(tǒng)對這種轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的力矩即阻尼力矩的性質(zhì)有著重要作用。阻尼力矩有正阻尼力矩和負阻尼力矩。正阻尼力矩作用的方向與轉(zhuǎn)速變化的方向相反，起阻止（阻尼）轉(zhuǎn)速變化的作用，即發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高超過額定轉(zhuǎn)速時，正阻尼力矩起制動作用；發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，正阻尼力矩起加速作用。所以正阻尼力矩可使發(fā)電機穩(wěn)定運行，就發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)而言，水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子本身在轉(zhuǎn)速變化時產(chǎn)生正的阻尼力矩。當然，轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化時，不產(chǎn)生阻尼力矩。

負阻尼力矩與正阻尼力矩完全不同，負阻尼力矩作用的方向與轉(zhuǎn)速變化的方向相同，起推動轉(zhuǎn)速變化的作用，使之轉(zhuǎn)速不斷增大，造成發(fā)電機失去動態(tài)穩(wěn)定，或引起發(fā)電機低頻振蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（2）AER的負阻尼作用

由于發(fā)電機勵磁回路是一個大電感回路，勵磁電壓中存在某一交變分量時，相應(yīng)于這一交變分量的勵磁電流，其相位應(yīng)滯后交變分量勵磁電壓90°。另外，機端電壓Uc與功率角δ間的關(guān)系為：發(fā)電機δ角增大時，機端電壓U_G會降低；δ角減小時，機端電壓U_G升高。

當發(fā)電機受到某種干擾，使轉(zhuǎn)速增加（減?。?，即Δωw＞0（Δω＜0）時，δ增加（減?。?；機端電壓U_G降低（升高）；AER測得這一機端電壓變化，基本無延時放大若干倍以增加（減?。﹦畲烹妷篣_fd；相應(yīng)的勵磁電流I_fd緩慢增加（減小），發(fā)電機空氣隙中的磁場相應(yīng)緩慢增加（減小），以升高（降低）機端電壓，實現(xiàn)機端電壓的調(diào)節(jié)。

要使發(fā)電機動態(tài)穩(wěn)定，必須要有正的阻尼力矩，即必須有與Δω同相位的阻尼力矩。當發(fā)電機裝設(shè)快速AER時，由于干擾使Δω＞0（Δω＜0），上述調(diào)節(jié)過程驅(qū)使U_G升高（降低），U_G升高（降低）引起發(fā)電機輸出功率增大（減?。瑢Πl(fā)電機起制動（增速）作用。

再進一步討論Δω與ΔU_G變化間的相位關(guān)系。由于Δω變化，必然引起δ角的變化。Δw的相位超前Δδ相位90°。快速AER當機端電壓變化時勵磁電壓瞬時響應(yīng)，ΔU_fd與Δδ同相位?？紤]到勵磁回路是一個大電感回路，ΔI_fd變化滯后ΔU_fd變化90°，即ΔU_G的變化滯后ΔU_fd變化90°，Δω與ΔU_G有反相關(guān)系。

ΔU_G變化與Δω變化有反相關(guān)系，即ΔU_G引起的功率變化具有負阻尼力矩性質(zhì)。也就是說，當Δω＞0時，AER調(diào)節(jié)結(jié)果使ΔU_G升高產(chǎn)生的制動力矩為負，使發(fā)電機進一步增速；當Δω＜0時，AER調(diào)節(jié)結(jié)果使ΔUc降低產(chǎn)生的增速力矩為負，使發(fā)電機進一步減速。

因此，當AER放大倍數(shù)過大，產(chǎn)生的負阻尼作用超過發(fā)電機轉(zhuǎn)子本身的正阻尼作用時，發(fā)電機容易失去動態(tài)穩(wěn)定，或引起系統(tǒng)低到0.3Hz的低頻振蕩。

（3）動態(tài)失穩(wěn)的抑制（PSS）

抑制發(fā)電機動態(tài)失穩(wěn)最有效的方法是：在AER的輸入回路中引入能反應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化的附加環(huán)節(jié)，并使機端電壓變化能夠與轉(zhuǎn)速變化同相位，以達到由AER提供正阻尼力矩的目的。引入AER的這個附加量，可直接取自發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，也可取自發(fā)電機輸出有功功率變化量ΔP，或者取自機端電壓的頻率。當然，引入AER的這一附加調(diào)節(jié)量必須經(jīng)過一定的相位領(lǐng)前回路，使在該系統(tǒng)低頻振蕩頻率下達到機端電壓變化與轉(zhuǎn)速變化同相位。這一措施稱之為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），也可稱附加反饋。

減小AER的放大系數(shù)，也可在一定程度上抑制發(fā)電機的失穩(wěn)。在AER中，為提高AER的調(diào)節(jié)品質(zhì)，使在外部干擾情況下迫使在平衡點的動態(tài)誤差為零，可采用零動態(tài)的最優(yōu)勵磁控制和非線性最優(yōu)勵磁控制，同時也可提高AER系統(tǒng)的動態(tài)阻尼。

 

三、自動勵磁調(diào)節(jié)器的其他功能

 

1．自動勵磁調(diào)節(jié)器Watchdog 功能

 

為監(jiān)視CPU運行，防止受電氣干擾而死鎖或停運，AER設(shè)有專門的硬件監(jiān)視器(Watchdog)。

在控制調(diào)節(jié)程序返回中斷前，將一個自檢信號送到監(jiān)視器，以確認CPU工作正常，從而可繼續(xù)下一循環(huán)工作。若因電氣干擾程序走錯路徑或停止執(zhí)行，則監(jiān)視器接收不到自檢信號，系統(tǒng)給出故障信號，AER自動切換到備用通道。在CPU死鎖或停運時，觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)不會被更新，因而CPU死鎖或停運不會導致發(fā)電機失磁。

 

2．數(shù)字式電壓給定系統(tǒng)

 

數(shù)字式電壓給定系統(tǒng)，采用軟件給出機端電壓給定值。當以勵磁電流為被調(diào)量時給出勵磁電流值，可就地或遠方（主控室）給出給定值，實現(xiàn)升高或降低機端電壓；升、降電壓速度可選擇，以實現(xiàn)電壓平穩(wěn)調(diào)節(jié)，不發(fā)生跳變。此外，給定電壓值具有上、下限限制，每次停機時給定值自動置零電壓，為下次開機作準備。

數(shù)字式電壓給定系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，可避免因受干擾而導致發(fā)電機失磁或發(fā)生誤強勵。

 

3．兩個自動控制通道間的切換

 

大型發(fā)電機的AER，通常采用雙自動控制通道以提高運行可靠性。一個自動控制通道工作時，另一個自動控制通道處備用方式。每個自動控制通道有兩種工作方式：

① 以機端電壓為被調(diào)量的自動控制通道；

② 以勵磁電流為被調(diào)量的手動控制通道。

于是，AER兩個控制通道間的切換可以是自動切換到自動、自動切換到手動、手動切換到自動或手動切換到手動四種切換方式中的一種。AER中的備用工作通道不斷跟蹤工作通道，當工作通道發(fā)生故障時自動切換到備用通道工作。

勵磁調(diào)節(jié)器的雙重化配置原理見圖6-41，包括主控制單元的雙重化、勵磁功率單元的雙重化、勵磁電流測量的雙重化、雙重電源配置及TV的雙重化。

 

發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的雙重化配置原理圖

 

4．備用通道對工作通道的自動跟蹤

 

所謂備用通道對工作通道的自動跟蹤，就是采用高速同步串行通信實現(xiàn)兩個通道的計算機間交換信息，使上述切換不發(fā)生電壓波動或無功功率的擺動。考慮到工作通道發(fā)生故障時計算的可控整流橋的控制角有問題，所以備用通道跟蹤工作通道3s前的工作狀態(tài)。除上述專用功能外，AER還具有與上位計算機通信、在線顯示和修改參數(shù)、自檢和自診斷、事件和故障記錄等功能。

 

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