【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在滅磁過程中能量消耗在電弧的燃燒上，但這時(shí)勵(lì)磁電源仍在供應(yīng)能量。另外開關(guān)電弧滅磁能量大小無法調(diào)整。會(huì)發(fā)生燒毀開關(guān)的情況。（c）利用DM4雙斷口空氣開關(guān)加非線性電阻FR，二極管D滅磁。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，由于D及非線性電阻飽和電壓較高而不通。當(dāng)故障發(fā)生后，雙斷口開關(guān)DM4跳開時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電感作用下，勵(lì)磁組2端感應(yīng)出反向高電壓，使勵(lì)磁電流通過非線性電阻及二極管D，把主要磁場(chǎng)能量消耗在非線性電阻FR上。非線性電阻可按其所吸收的能量，任意組合比較靈活。（d）三相交流開關(guān)滅磁，近來國外的一些汽輪發(fā)電機(jī)上，采用交流開關(guān)滅磁，省去龐大而昂貴的直流滅磁開關(guān)，如圖116 D所示，交流開關(guān)分閘前，切除可控硅脈沖，這時(shí)整流橋陽極組和陰極組各有一元件流過電流，分閘后，觸頭間產(chǎn)生交流電弧電壓Us，要能克服交流線壓UL后，仍大于非線性電阻FR的動(dòng)作電壓時(shí)，才能導(dǎo)致成功滅磁。 隨著大功率電力電子元件，如大功率晶閘管的出現(xiàn)，靜止固態(tài)開關(guān)必將最終代替機(jī)械開關(guān)。前者動(dòng)作時(shí)間快，維護(hù)工作量小，后者動(dòng)作慢，不宜頻繁操作，觸頭易燒壞，維護(hù)工作量大。當(dāng)然使用靜止固態(tài)開關(guān)的前提，是其可靠性大于機(jī)械開關(guān)，圖117 為意大利公司為利港電廠勵(lì)磁裝置提供的固態(tài)開關(guān)的滅磁和轉(zhuǎn)子側(cè)過電壓保護(hù)綜合裝置。 圖117 利港電廠意大利發(fā)電機(jī)固體滅磁及過電壓保護(hù)綜合裝置CBP ，CBN是正，反向跨接器（Crowbar）的晶閘管開關(guān)，RES為滅磁電阻。 ① 當(dāng)來正向過電壓時(shí)（勵(lì)磁繞組上+，下），正向電壓經(jīng)二極管D6，4層觸發(fā)二極管BOD1，D7，D8，如過電壓足夠高，BOD1導(dǎo)通，使正向電壓加在CBN控制極上，使CBN可控硅導(dǎo)通，達(dá)到限制正向過電壓的目的。在CBN導(dǎo)通瞬間，通過邏輯信號(hào)去使整流器逆變，以保證CBN自動(dòng)關(guān)斷，然后恢復(fù)整流器正常工作。 ② 當(dāng)反向過電壓來時(shí)（勵(lì)磁繞組下+，上），加在D4，BOD1，D5，D3的電壓使BOD1導(dǎo)通，觸發(fā)CBP，使過電壓能量消耗在滅磁電阻上。這并不影響整流柜器正常工作。 ③ 系統(tǒng)正常滅磁，由移相器來脈沖傳送到脈沖變壓器CN，CN副邊輸出脈沖經(jīng)D9觸發(fā)CBP，釋放發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子能量到滅磁電阻RES。 ④ 系統(tǒng)正常滅磁，也可使SDE繼電器失電，SDE接點(diǎn)斷開K1，繼電器失電，其常閉觸點(diǎn)接通，如這時(shí)有正電壓（*）經(jīng)D1，K1加到BOD2上，BOD2的電壓動(dòng)作值一般較低，如BOD2動(dòng)作，則有正脈沖加至CBP，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁。 * 注意：這2種情況下滅磁命令發(fā)出前，令整流橋先處于逆變狀態(tài)，有正電壓出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組下端。具體滅磁時(shí)序如下，停機(jī)令到后，立即逆變滅磁，約20ms，CBP跨接器接通，這時(shí)，逆變滅磁和跨接器同時(shí)滅磁。30ms后，切脈沖電源后，完全由跨接器滅磁。圖118 固體開關(guān)滅磁時(shí)序圖4) 勵(lì)磁主接線方式 不論是汽輪發(fā)電機(jī)還是水輪發(fā)電機(jī)，國外許多公司勵(lì)磁，均采用自并勵(lì)方式。因無旋轉(zhuǎn)部分，維護(hù)方便，對(duì)水電廠取消同軸勵(lì)磁機(jī)，可降低廠房高度，節(jié)省投資，另外自并勵(lì)磁系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，有利于長(zhǎng)距離輸電穩(wěn)定。對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)而言，用自并激，可減小發(fā)電機(jī)長(zhǎng)度，有利于減小振動(dòng)，縮短廠房長(zhǎng)度，節(jié)省投資。 另一方式是無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，也是國外采用較多。無刷系統(tǒng)取消了炭刷，有利于發(fā)電機(jī)端部繞組絕緣，不受污染，簡(jiǎn)化了維護(hù)，特別對(duì)大型發(fā)電機(jī)，對(duì)石化等防爆地點(diǎn)，以及無人控制電站，無刷勵(lì)磁方式也比較理想。 俄羅斯汽輪發(fā)電機(jī)系列包括500MW，800MW選用的他勵(lì)靜止式可控硅勵(lì)磁，比起靜止自并勵(lì)來，快速旋轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)和靜止的整流變壓器比，體積小，重量輕，并且他勵(lì)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能也不比自并勵(lì)差。國內(nèi)發(fā)電機(jī)上微機(jī)勵(lì)磁總的應(yīng)用情況缺乏調(diào)查，現(xiàn)在僅以華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)查結(jié)果來看，截止到20026月/20日，100MW以上發(fā)電機(jī)總共129臺(tái)，用數(shù)字調(diào)節(jié)器為71臺(tái)，國產(chǎn)共53臺(tái)，南瑞電控26臺(tái)，清華同方17臺(tái)，武漢紅山10臺(tái)，%，進(jìn)口的RR公司10臺(tái)，法國ALSTOM 2臺(tái)，ABB 4臺(tái)，日本三菱2臺(tái)，共計(jì)18臺(tái)。廣州電器科學(xué)研究所等的裝置在華南及其它地區(qū)有使用。華北的例子沒有普遍性。第二章 勵(lì)磁控制系統(tǒng)167。21 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù) 維持發(fā)電機(jī)或其他控制點(diǎn)(例如發(fā)電廠高壓側(cè)母線)的電壓在給定水平維持電壓水平是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的最主要的任務(wù)，有以下3個(gè)主要原因:第一，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的安全。電力系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備都有其額定運(yùn)行電壓和最高運(yùn)行電壓。保持發(fā)電機(jī)端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基本條件之一，這就要求發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不但能夠在靜態(tài)下，而且能在大擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)下保證發(fā)電機(jī)電壓在給定的容許水平上。發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得高于額定值的110％。第二，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)在額定值附近運(yùn)行是最經(jīng)濟(jì)的。如果發(fā)電機(jī)電壓下降,則輸出相同的功率所需的定子電流將增加,從而使損耗增加。規(guī)程規(guī)定大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得低于額定值的90％；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于95％時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)限負(fù)荷運(yùn)行。其他電力設(shè)備也有此問題。第三，提高維持發(fā)電機(jī)電壓能力的要求和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求在許多方面是一致的。勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且是最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而有效的措施。 控制并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組無功功率合理分配并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組無功功率合理分配與發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有關(guān)。發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有三種調(diào)差特性：無調(diào)差、負(fù)調(diào)差和正調(diào)差。兩臺(tái)或多臺(tái)有差調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),按調(diào)差率大小分配無功功率。調(diào)差率小的分配的無功多,調(diào)差率大的分配到的無功少。如果發(fā)電機(jī)變壓器單元在高壓側(cè)并聯(lián),因?yàn)樽儔浩饔休^大的電抗,如果采用無差特性,經(jīng)變壓器到高壓側(cè)后,該單元就成了有差調(diào)節(jié)了。若變壓器電抗較大,為使高壓母線電壓穩(wěn)定,就要使高壓母線上的調(diào)差率不至太大,這時(shí)發(fā)電機(jī)可采用負(fù)調(diào)差特性,其作用是部分補(bǔ)償無功電流在主變壓器上形成的電壓降落,這也稱為負(fù)荷補(bǔ)償。調(diào)差特性由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器中附加的調(diào)差環(huán)節(jié)整定。與大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的機(jī)組,調(diào)差率Ku在土(3%~10%)之間調(diào)整。 提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性1）勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī),其功角特性為:式中Eq一發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)。Us一受端電網(wǎng)電壓。XdΣ一發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間的總電抗。 當(dāng)無勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí), Eq=常數(shù),相應(yīng)功角特性如圖21(a)所示。此曲線亦稱內(nèi)功率特性曲線。靜態(tài)穩(wěn)定功率極限等于PM=。對(duì)應(yīng)的功角為900。圖21 發(fā)電機(jī)內(nèi)、外功率特性曲線及端電壓和內(nèi)電勢(shì)變化圖(a) Eq恒定, (b)當(dāng)Eq恒定,Eq’及U的變化。 (c) Eq’恒定, (d)當(dāng)Eq’恒定,Eq及U的變化。(e) U恒定, (f)當(dāng)U恒定,Eq及Eq’的變化如果發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中可自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁,則此時(shí)Eq為變值,相應(yīng)的傳輸功率可得到顯著的提高。假定自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)是無慣性的,并假定在負(fù)載變化時(shí)可保持發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì) Eq39。近似為常數(shù),由于隨負(fù)載變化時(shí),內(nèi)電勢(shì)Eq亦隨勵(lì)磁調(diào)節(jié)而變化,此時(shí)的功率特性己不是一條正弦曲線,而是由一組Eq等于不同恒定值的正弦曲線族上相應(yīng)工作點(diǎn)所組成, 如圖21(c)中曲線所示。為區(qū)別Eq等于恒定值時(shí)的內(nèi)功率特性曲線,當(dāng)Eq隨負(fù)載而變化的功率特性曲線稱之為外功率特性曲線。另由圖21(d)可看出,如維持Eq39。近似不變,則隨著負(fù)載增加,Eq是上升的。靜態(tài)穩(wěn)定功率極限理論值PM=，具體數(shù)值取決于微動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的條件。對(duì)應(yīng)的功角大于900。如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有更良好的性能和更高的電壓放大倍數(shù),在負(fù)載變化中可維持發(fā)電機(jī)的電壓U為恒定值,此時(shí)的外功率特性曲線將具有更高的斜率,如圖21(e)中所示的外功率特性曲線。靜態(tài)穩(wěn)定功率極限理論值PM=，具體數(shù)值也取決于微動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的條件。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子功角更大于900。同步電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定能力提高后，相應(yīng)系統(tǒng)傳輸功率的能力也得到提高。理論分析研究結(jié)果表明:勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)Kou與勵(lì)磁系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)Te以及轉(zhuǎn)子功角δ間具有圖22所示的關(guān)系。由此圖可看出:在同一轉(zhuǎn)子功角條件下,隨時(shí)間常數(shù)Te的增加,為保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行所允許的電壓放大系數(shù)是增加的。在同一時(shí)間常數(shù)Te條件下,隨轉(zhuǎn)子功角δ的增加所允許的電壓放大系數(shù)是減少的。由此引起了如圖21 (c)和圖21(e)所示的功率振蕩情況。圖22 極限放大倍數(shù)(陰影部分為穩(wěn)定工作區(qū))2）勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響現(xiàn)以圖23(a)所示的線路為例,討論在短路故障下功率特性的變化。在圖23(b)中曲線1表示雙回路供電時(shí)的功率特性曲線,其幅值等于:其中XΣ=Xd+XT+Xe/2。圖23 在短路故障下,功率特性曲線的變化(a) 單機(jī)元限大母線系統(tǒng)。 (b)短路故障下,功率特性曲線的變化曲線2表示切除短路故障線路后的功率特性曲線。由于線路阻抗由Xe/2增加到Xe,使功率特性曲線的幅值減小到,其中X’Σ=Xd+XT+Xe。曲線3表示故障中的功率特性曲線。如果發(fā)電機(jī)初始工作點(diǎn)在功率特性曲線1的a點(diǎn),短路后工作點(diǎn)將由功率特性曲線3所決定。在故障瞬間,由于慣性的影響,轉(zhuǎn)速維持不變,功率角δ仍為δ0,工作點(diǎn)由a移至b。其后,因輸出電磁功率減小,轉(zhuǎn)子開始加速,功率角開始增加。當(dāng)達(dá)到δ1時(shí)故障切除,功率特性為曲線2,工作點(diǎn)由c移到e點(diǎn)。由于慣性的影響,轉(zhuǎn)子沿功率特性曲線2繼續(xù)加速到f點(diǎn),對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子功率角為 δ2。經(jīng)過反復(fù)的振蕩,最后穩(wěn)定在工作點(diǎn) g處。同前所述,暫態(tài)穩(wěn)定性決定于加速面積abed是否小于或等于減速面積dfed。 顯然,當(dāng)故障切除較慢時(shí), δ1將增大,加速面積abed 將增大。如果減速面積小于加速面積,將進(jìn)一步加速,失去暫態(tài)穩(wěn)定性。 提高暫態(tài)穩(wěn)定性有兩種方法,減小加速面積或增大減速面積。減小加速面積的有效措施之一是加快故障切除時(shí)間,而增加減速面積的有效措施是在提高勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電壓響應(yīng)比的同時(shí),提高強(qiáng)行勵(lì)磁電壓倍數(shù),使故障切除后的發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq迅速上升,增加功率輸出,以達(dá)到增加減速面積的目的。相應(yīng)變化如圖24所示。圖24 功率特性曲線由圖24可看出,正常時(shí),發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)在功率特性曲線1的a處。當(dāng)發(fā)生短路事故時(shí),相應(yīng) 功率特性曲線為曲線3。如在此時(shí)提供強(qiáng)行勵(lì)磁以迅速提高發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq,使功率特性曲線由bc段增加到bc39。段,由此在故障切除前減少了加速面積 (由abcd減少到abc’d)。在δ=δc時(shí)故障切除后亦能增加減速面積(由曲線2的dehg增加到de’h’g)。 如面積de39。h’g等于面積def’f,則可使轉(zhuǎn)子功角最大值由δm’降到δm,明顯地提高了暫態(tài)穩(wěn)定性。顯然,勵(lì)磁頂值電壓越高,電壓響應(yīng)比越快,勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。但是,考慮到發(fā)電機(jī)絕緣的強(qiáng)度,強(qiáng)勵(lì)頂值電壓以(7~9)倍為宜,于此基值取為發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓。3）勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題，可以理解為電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼問題。勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)作用，是造成電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩阻尼變?nèi)?甚至變負(fù))的最重要的原因之一。在—定的運(yùn)行方式及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下，電壓調(diào)節(jié)作用在維持發(fā)電機(jī)電壓恒定的同時(shí)，特產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用。在正常實(shí)用的范圍內(nèi)，勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼作用會(huì)隨著開環(huán)增益的增大而加強(qiáng)。因此提高電壓調(diào)節(jié)精度的要求和提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求是不相容的。解決電壓調(diào)節(jié)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性之間矛盾的有效措施，是在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中增加其它控制信號(hào)。這種控制信號(hào)可以提供正的阻尼作用，使整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供的阻尼是正的，而使動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限的水平達(dá)到和超過靜態(tài)穩(wěn)定的水平。這種控制信號(hào)不影響電壓調(diào)節(jié)通道的電壓調(diào)節(jié)功能和維持發(fā)電機(jī)端電壓水平的能力，不改變其主要控制的地位，因此，稱為附加勵(lì)磁控制。167。22 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的一些調(diào)節(jié)和控制算法PID調(diào)節(jié)及其算法按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的PID調(diào)節(jié)器, 是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)可以減小控制系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)，但相對(duì)穩(wěn)定性降低，而且不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分調(diào)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分調(diào)節(jié)可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相應(yīng)可以增加比例調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中,應(yīng)用電壓偏差PID調(diào)節(jié)可以達(dá)到: 1)穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大的放大倍數(shù),使機(jī)端電壓接近恒定, %以內(nèi),從而有較大的小干擾穩(wěn)定極限。 2)暫態(tài)時(shí)有較小的放大倍數(shù),以避免超調(diào)和振蕩。 并聯(lián)PID調(diào)節(jié)：(理想PID調(diào)節(jié))輸入輸出之間微分方程為： 式中：Y(t)一一控制輸出。e(t)一一機(jī)端電壓偏差信號(hào)。Ug 一一電壓給定值。Uc 一一電壓測(cè)量值,與機(jī)端電壓成比例。Kp 一比例系數(shù)用于提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度,以減少靜態(tài)偏差。Ti 一一積分時(shí)間常數(shù)用于消除靜態(tài)誤差。 Td 一一微分時(shí)間常數(shù)用于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：對(duì)于計(jì)算機(jī)控制,必須將上式離散化,用差分方程代替微分方程。采用梯形積分來逼近積分,采用后向差分來逼近微分,可得PID數(shù)字控制算法:離散系統(tǒng)全量式差分方程為：T 一一采樣周期。離散系統(tǒng)增量式差分方程為：微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中PID程序設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到調(diào)節(jié)死區(qū)、積分溢出和微分限幅。 串聯(lián)PID調(diào)節(jié)：在模擬電路控制中無法采用理想PID控制，而代之以下述串聯(lián)式 PID。輸入輸出在頻域中的傳遞函數(shù)表達(dá)式為:上式以波德圖表示的幅頻特性如圖25。Kp表示直流增益,用于確定調(diào)節(jié)器的調(diào)壓精度,經(jīng)過積分帶寬控制時(shí)間常數(shù)Tb積分時(shí)間常數(shù)Tc1確定的積分區(qū)段,在中頻區(qū)表現(xiàn)為暫態(tài)增益降低的比例增益Kr,以提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，Tc1可取發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù)，Tb1約為Tc1的5—10倍；通過微分時(shí)間常數(shù)Tc2和微分帶寬控制時(shí)間常數(shù)Tb2確定的微分區(qū)段,在高頻區(qū)表現(xiàn)為微分增益抑制的高頻增益K h,用于防止高