0 引言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁是整個(gè)電網(wǎng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于大型電網(wǎng)的相互連接，導(dǎo)致了輸電能力的提高，以及高速勵(lì)瓷器的大量使用，給電力市場(chǎng)帶來(lái)了新的問(wèn)題。如何提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能和運(yùn)行特性，是目前研究的一個(gè)主要途徑。本文主要介紹了某電廠二期工程（以下簡(jiǎn)稱“GII”）電力系統(tǒng)的功能、性能指標(biāo)和極限保護(hù)，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論。

1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)

1.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)概況

G II型500MW機(jī)組采用AC勵(lì)磁同步晶閘管整流勵(lì)磁。該電源為750V的直流勵(lì)磁系統(tǒng)。捷克Zat公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁微型計(jì)算機(jī)。勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時(shí)干擾時(shí)，電網(wǎng)的電壓會(huì)隨之降低，同時(shí)也會(huì)使并聯(lián)機(jī)組的電壓和速度降低，從而使其有功功率減小，從而增大了發(fā)電機(jī)的功角，當(dāng)功角的速度超過(guò)了減速器的范圍時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。在這種情況下，勵(lì)磁裝置必須強(qiáng)制勵(lì)磁，增大勵(lì)磁電流，增大發(fā)電機(jī)的輸出電壓，增大有功的輸出，減小功角的增大，避免出現(xiàn)一次搖動(dòng)失控。因此，在電網(wǎng)中采用強(qiáng)勵(lì)法來(lái)改善電網(wǎng)的瞬時(shí)穩(wěn)定性是十分必要的。同時(shí)，強(qiáng)激勵(lì)比越大，強(qiáng)激勵(lì)越強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行越有利。通常，勵(lì)磁體系的強(qiáng)勵(lì)比是2倍，而強(qiáng)激勵(lì)的容許持續(xù)期不得少于10秒。大容量機(jī)組均采用高啟動(dòng)激勵(lì)方式，其勵(lì)磁電壓的變化幅度在0.1秒以內(nèi)，而降低幅度在0.15秒以內(nèi)。強(qiáng)激勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)通常是指在低于設(shè)置的情況下運(yùn)行的發(fā)生器末端的電壓。

該勵(lì)磁裝置具有2倍的勵(lì)磁能力，20秒的強(qiáng)激勵(lì)，0.1秒的勵(lì)磁脈沖，是一種高啟動(dòng)激勵(lì)的勵(lì)磁方式。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用增大，對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣性能提出了更高的要求。勵(lì)磁裝置短期過(guò)載容量要比發(fā)電機(jī)的短周期過(guò)載容量要大，而強(qiáng)勵(lì)時(shí)刻則要受限于發(fā)電機(jī)的短周期超負(fù)載容量。勵(lì)磁裝置強(qiáng)勵(lì)時(shí)，當(dāng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)間超過(guò)20s時(shí)，強(qiáng)勵(lì)強(qiáng)度自動(dòng)降低，以終止強(qiáng)勵(lì)，避免長(zhǎng)期強(qiáng)勵(lì)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈造成損壞。

1.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

我國(guó)新投產(chǎn)的大中型機(jī)組需要配備PSS系統(tǒng)。PSS系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量時(shí)間常數(shù)在40ms以內(nèi)；系統(tǒng)輸出噪聲低于0.5%，可在線調(diào)整和存檔；PSS的功率限制和調(diào)節(jié)；可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)給。PSS的整定效率試驗(yàn)通常通過(guò)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷階躍響應(yīng)試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)。試驗(yàn)方法是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸入端施加（1%至4%）電壓，觀察輸出功率（或電壓），判斷PSS各項(xiàng)指標(biāo)是否合適。PSS的PSS輸入是三個(gè)參數(shù)，分別是：發(fā)生器頻率fE，有功功率P，以及發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If。

進(jìn)行了一次負(fù)荷的階躍式干擾實(shí)驗(yàn)，PSS不加料時(shí)的阻尼率為0.15左右。利用PSS的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，在PSS中進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，得到了系統(tǒng)振動(dòng)的減振系數(shù)在0.4以上。PSS能有效地降低機(jī)器的振動(dòng)。PSS鍵在規(guī)定下應(yīng)該是可以進(jìn)入的，但是當(dāng)負(fù)載超過(guò)150兆瓦（30% Pn）時(shí)，PSS的作用是有效的。PSS在低壓狀態(tài)下會(huì)主動(dòng)關(guān)閉，以避免在系統(tǒng)拋載過(guò)程中因PSS的影響而造成的過(guò)載。

1.4 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)

勵(lì)磁系統(tǒng)最基本的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓并保持發(fā)電機(jī)電壓不變。一個(gè)好的勵(lì)磁系統(tǒng)需要高調(diào)節(jié)精度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定調(diào)節(jié)，這對(duì)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不但要保證發(fā)電機(jī)的一端電壓穩(wěn)定，而且要有一個(gè)電壓調(diào)整裝置，這樣可以保證系統(tǒng)中的并聯(lián)機(jī)組的無(wú)功功率得到合理的分配。該方法涉及電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。因此，調(diào)節(jié)率整定值應(yīng)由中調(diào)給出，最終由發(fā)變組調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)確定。發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)相關(guān)的勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)變壓器組的差動(dòng)調(diào)節(jié)率約為8%，同一高壓系統(tǒng)中相同容量發(fā)電機(jī)組的差動(dòng)調(diào)節(jié)速率也應(yīng)相同。G II勵(lì)磁調(diào)節(jié)設(shè)備還使用電壓調(diào)節(jié)單元，通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)率。根據(jù)電流調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)率為-6.6%。試驗(yàn)期間，機(jī)組主變壓器壓力下降11.5%。因此，從高壓側(cè)來(lái)看，發(fā)變組電壓調(diào)節(jié)率為11.5%-6.6%=4.9%。

表1 發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)相關(guān)的勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)采用“端電壓調(diào)節(jié)”。當(dāng)調(diào)節(jié)器傳感器（收集發(fā)電機(jī)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和功角等模擬量）發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)在工作區(qū)域內(nèi)工作?！皠?lì)磁調(diào)整”模式僅在備用方案和發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)測(cè)試中才能采用，由于這種方法會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的限制和保護(hù)

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流限制

大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子材料利用率高，熱容量與銅損耗之比小，因此熱時(shí)間常數(shù)也低，定子和轉(zhuǎn)子的過(guò)載能力有限，以避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（定子）線圈因過(guò)電流而過(guò)熱，確保發(fā)電機(jī)的安全。G II級(jí)勵(lì)磁調(diào)整回路轉(zhuǎn)子的限流結(jié)構(gòu)如式（1）所示：

式（1）中：t是允許的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過(guò)流；If是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流；Ifn為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定電流，其最大持續(xù)工作電流為1.032 Ifn，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的最大無(wú)延時(shí)電流為1.77 Ifn。當(dāng)轉(zhuǎn)子限流工作后，轉(zhuǎn)子電流會(huì)自動(dòng)下降到1.032 Ifn，而不能提高勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)子限流動(dòng)作特性曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子電流限制動(dòng)作特性曲線

2.2 發(fā)電機(jī)定子電流限制

發(fā)電機(jī)的定子限流模式與轉(zhuǎn)子限流模式基本上類似的情況，因此此處不再重復(fù)。在G II相勵(lì)磁系統(tǒng)中，定子限流特性的計(jì)算公式如式（2）所示：

式（2）中，T是發(fā)電機(jī)定子的允許過(guò)電流；It是發(fā)電機(jī)的定子電流；In是定子的額定電流，其最大連續(xù)工作電流為1.053英國(guó)安培，而定子的最大無(wú)延遲電流為3In。

定子電流限制后，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率將自動(dòng)沿q=0方向運(yùn)行，從而將定子電流限制在給定范圍內(nèi)。此時(shí)，定子電流不能有效增加。

定子電流的極限值應(yīng)該符合發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷和過(guò)流保護(hù)。發(fā)電機(jī)的過(guò)載是由信號(hào)引起的，具有反向時(shí)間的特點(diǎn)，其定值較小，其與定子的限流曲線的對(duì)比如圖3所示。發(fā)電機(jī)過(guò)流保護(hù)的設(shè)定值是3.5英特，1秒延遲，在關(guān)機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行。

圖3 定子電流限制動(dòng)作特性曲線及過(guò)負(fù)荷保護(hù)曲線

2.3 低勵(lì)限制

在發(fā)電機(jī)的前級(jí)，必須避免由于低勵(lì)磁電流導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性，或由于發(fā)電機(jī)端部的高磁密度導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端部過(guò)熱。勵(lì)磁系統(tǒng)具有低勵(lì)磁約束功能。根據(jù)發(fā)電機(jī)的靜態(tài)極限和發(fā)電機(jī)末端的加熱極限計(jì)算運(yùn)行曲線。但是，不得超過(guò)發(fā)電機(jī)制造商的PQ工作曲線。

當(dāng)勵(lì)磁電流較少或無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，首先啟動(dòng)的是低激勵(lì)；當(dāng)勵(lì)磁電流因調(diào)整器的異?；蛘咿D(zhuǎn)子回路的故障而持續(xù)降低時(shí)，通過(guò)失磁保護(hù)判定后的工作停止。

為了確保保護(hù)動(dòng)作的精確性，必須在低勵(lì)磁和失磁保護(hù)之間留出充分的余量。

2.4 U/f限制

為了避免發(fā)電機(jī)變壓器鐵芯飽和導(dǎo)致鐵芯和繞組過(guò)熱，以及空載、甩負(fù)荷和啟動(dòng)期間電壓升高或頻率下降導(dǎo)致勵(lì)磁電流過(guò)大。II相勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路的G U/F限值設(shè)置如式（3）所示：

式（3）中：t是可容許的過(guò)磁力時(shí)間；U/f是單位/f在實(shí)際操作中的數(shù)值；（U/f）n是標(biāo)稱的U/f值。最大持續(xù)操作U/f的最大值是1.051（U/f）n，該值稍高于發(fā)生器電壓極限設(shè)置（1.05Un）。U/f極限工作特征曲線顯U/f限位，可自動(dòng)降低勵(lì)磁電流，并在規(guī)定范圍內(nèi)工作。U/F極限性能與發(fā)電機(jī)-變壓器組的過(guò)電壓保護(hù)相匹配，且早于發(fā)電機(jī)-變壓器單元的過(guò)電壓防護(hù)。發(fā)電機(jī)斷開期間，發(fā)電機(jī)變壓器組的過(guò)勵(lì)磁保護(hù)運(yùn)行。

在此基礎(chǔ)上，將U/F極限特性曲線與發(fā)變組過(guò)勵(lì)磁保護(hù)特性曲線進(jìn)行了比較。本文簡(jiǎn)要討論了勵(lì)磁設(shè)備的一些主要限制措施。為確保勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，勵(lì)磁設(shè)備還設(shè)有其他限制和保護(hù)措施，如過(guò)電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)端電壓限制和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出限制。

3 GⅡ期勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行及相關(guān)內(nèi)容介紹

3.1 勵(lì)磁裝置控制柜

勵(lì)磁設(shè)備的控制箱由GR001~GR006組成，共6臺(tái)。兩組PI穩(wěn)壓器安裝在GR001機(jī)箱中。GR002柜配置有勵(lì)磁機(jī)三相全控制整流裝置、勵(lì)磁機(jī)滅磁開關(guān)和勵(lì)磁機(jī)自勵(lì)恒電壓變壓器。GR003柜配有勵(lì)磁機(jī)交流端的過(guò)壓保護(hù)和副變壓器。GR004和GR005柜是兩臺(tái)三相全控制的發(fā)電機(jī)。GR006柜采用了發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)、滅磁電阻開關(guān)、直流過(guò)壓保護(hù)等功能。GR001機(jī)箱中的兩個(gè)控制器是8個(gè)插頭，A信道A01.000電源，A01.001微處理器，A01.002傳感器測(cè)量單元，A01.003-004為轉(zhuǎn)換單元，A01.005-007為邏輯輸入/輸出單元。B通道插入部件a01.100至a01.107具有類似的功能。

3.2 發(fā)電機(jī)啟勵(lì)及滅磁過(guò)程

例如，在自動(dòng)模式中預(yù)先選擇一個(gè)頻道（類似于B頻道）。起動(dòng)指令在額定轉(zhuǎn)速的97%以上有效。勵(lì)磁穩(wěn)壓器在收到START命令后，關(guān)閉觸點(diǎn)（GR002-F29），解除GR002-G01的晶閘管整流控制脈沖，調(diào)整器GR001-A01.003 A的A燈點(diǎn)亮。GR002-G01在輸出電壓達(dá)到50%時(shí)，使觸點(diǎn)（GR002-F29）斷開，GR004-G01-G06晶閘管的整流控制脈沖被解除，穩(wěn)壓器GR001-A01.002單元A的燈點(diǎn)亮。這時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)正處于勵(lì)磁狀態(tài)。RUN燈在GR00-A01.000單位上閃爍。在發(fā)電機(jī)的輸出電壓達(dá)到100%時(shí)，可以進(jìn)行同步安裝。這時(shí)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用“電壓平衡”的模式，即通過(guò)調(diào)整穩(wěn)壓器的電壓參數(shù)，使其與電網(wǎng)的電壓差一致，從而達(dá)到并網(wǎng)的目的。當(dāng)發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)時(shí)，同步設(shè)備的功能馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)。該調(diào)整器采用“無(wú)功調(diào)整”模式，將無(wú)功設(shè)置成Q=0，電壓設(shè)置為0?！癛UN”的燈光變成了平光源。此模式持續(xù)大約7秒。然后切換到“電壓調(diào)節(jié)”模式，按“+”和“-”鍵切換設(shè)定電壓。

收到停止命令后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器切換到“無(wú)功功率調(diào)節(jié)”模式，并將其設(shè)置為q=0。GR001-a01.000機(jī)組“運(yùn)行”燈閃爍。發(fā)電機(jī)排成一行，以使逆變器和勵(lì)磁機(jī)退磁。

3.3 勵(lì)磁控制方式的選擇配合

GR001機(jī)柜測(cè)試鎖在正常工作狀態(tài)下退出。GR002機(jī)柜的F15（勵(lì)磁系統(tǒng)測(cè)試電源保險(xiǎn)絲）接收GR003機(jī)柜的F06保險(xiǎn)絲（勵(lì)磁系統(tǒng)電源保險(xiǎn)絲）。勵(lì)磁控制模式為“自動(dòng)”和“電壓調(diào)節(jié)”。

勵(lì)磁試驗(yàn)：GR001柜試驗(yàn)鎖到位，GR002柜F15投入安全運(yùn)行，GR003柜F06退出安全運(yùn)行。勵(lì)磁機(jī)通過(guò)“+”和“-”鍵調(diào)整晶閘管角度和勵(lì)磁電流。

發(fā)電機(jī)零啟動(dòng)壓力：GR001柜加載試驗(yàn)，GR002柜F15安全取出，GR003柜F06安全取出，采用“勵(lì)磁電流控制”模式，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流通過(guò)“+”和“-”鍵調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)手動(dòng)零電壓上升試驗(yàn)。

3.4 磁場(chǎng)源現(xiàn)場(chǎng)控制板

在現(xiàn)場(chǎng)控制箱GR001中，兩個(gè)插槽插入裝置均配有全手動(dòng)微動(dòng)開關(guān)。每個(gè)插頭上的指示燈詳細(xì)顯示勵(lì)磁系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。本手冊(cè)詳細(xì)描述了每個(gè)指標(biāo)的狀態(tài)含義。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與遠(yuǎn)程DCS之間的通信信號(hào)通過(guò)硬接線和通信實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橛矊?dǎo)線的快速傳送，所以DCS首先進(jìn)行硬連接，而通訊信號(hào)卻沒(méi)有。通訊信號(hào)在硬接線出現(xiàn)故障時(shí)工作。信號(hào)、報(bào)警和狀態(tài)等其他參數(shù)僅通過(guò)通信與DCS通信。

GR001的控制室內(nèi)還有一個(gè)液晶顯示器（320x240）。您還可以在該面板上完成一些重要操作，如“啟動(dòng)”和“停止”。主要用于顯示發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的重要工作參數(shù)、勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障報(bào)警。主要包括：存儲(chǔ)和顯示2048條操作和故障記錄；現(xiàn)場(chǎng)與集中控制DCS之間的實(shí)時(shí)通信，包括信號(hào)狀態(tài)和內(nèi)容；設(shè)置15臺(tái)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)（其他參數(shù)只能通過(guò)廠家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試軟件設(shè)置）；用于分析發(fā)電機(jī)緊急停機(jī)故障原因的視頻記錄和顯示。

4 結(jié)論

以某電廠二期捷克500MW機(jī)組勵(lì)磁控制為例，對(duì)大型機(jī)組勵(lì)磁控制進(jìn)行了初步分析和研究。隨著控制理論、新設(shè)備、新技術(shù)的不斷發(fā)展，勵(lì)磁系統(tǒng)的性能將進(jìn)一步提高，勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性將進(jìn)一步提高。