同步发电机励磁系统的任务分析

汪 锋

(长江工程职业技术学院,武汉 430212)

在电力系统的运行中,同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一,通过调节励磁电流可以改变发电机的无功功率,维持发电机端电压稳定。不论在系统正常运行还是故障情况下,同步发电机的直流励磁电流都需要调节,因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统的安全运行,不仅与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关,而且与发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。下面详细分析同步发电机励磁系统的任务。

1 维持发电机机端电压稳定

对于一个励磁调节系统来说,电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现这一目的,首先就要设定电压,要有一个给定信号UZ,以便明确电压控制值;其次要测量电压,看发电机端电压是多少,这里由发电机电压互感器TV和调节器中的测量板组成,将发电机机端电压UG变为成正比的输出电压KUG;最后,由调节器比较给定值和测量值,当测量值小于给定值时,励磁装置增加励磁电流If,使发电机端电压上升,当测量值大于给定值时,励磁装置减少If,使发电机端电压下降。

在同步发电机空载运行时,转子以同步转速n旋转时,励磁电流产生的主磁通φ0切割N匝定子绕组感应出频率为f=pn/60的三相基波电势,其有效值 E0同 f,N,φ0以及绕组系数 k的关系为 E0=4.44 f Nkφ0,这样,改变励磁电流If,主磁通φ0发生变化,空载电动势值 E0也将改变,二者的关系就是发电机的空载特性E0=f(If)或发电机的磁化特性φ0=f(Ff)。在发电机空载状态下,空载电势E0就等于发电机端电压UG,调节励磁电流的大小也就调节发电机的机端电压大小。发电机机端电压控制的设备由励磁调节器、励磁电源、发电机励磁绕组等组成,同步发电机励磁调节系统原理框图如图1所示。UZ与输出电压KUG比较综合,合成偏差电压 ΔU,ΔU=UZ-KUG。四是放大单元,放大单元按照ΔU的大小和正负进行放大,输出控制电压UK;五是执行单元,按照放大以后的偏差电压UK驱动执行机构,调节发电机的励磁电流,ΔU为负值时减少励磁电流,降低发电机电压,当ΔU为正值时增加励磁电流,提高发电机电压,从而维持发电机机端电压稳定。励磁调节系统就是通过这里的其他信号,是指调节器中的其他功能的作用信号,比如调差、励磁电流限制、无功限制等。这里的励磁电源是指可控硅整流装置。

图1 同步发电机励磁控制系统框图

2 无功分配

在发电机带负载运行时,根据所带负载的性质,空载电势E0同发电机端电压UG的关系发生了变化。当发电机带感性负载时,电枢反应具有去磁性质,随着负载的增加,UG越来越小于E0,这时为了维持UG不变,必须增大励磁电流;当发电机带容性负载时,电枢反应具有助磁性质,随着负载的增加,UG越来越大于E0,同样为了维持UG不变,必须减少励磁电流。

在发电机并网运行时,此时可认为系统电压US不变,系统母线电压控制着发电机端电压UG,UG=US。同步发电机并列无穷大系统的向量图如图2所示。

当励磁电流If增大时,感应电压E0增大,相应的内功率角θ减小,相应的功率因素角 Ψ增大,而发电机的无功电流IGQ=IGsinΨ增大,使发电机送入系统的无功功率增大;同理,当励磁电流If减小时,感应电压电压E0减小,相应的内功率角θ增大,相应的功率因素角 Ψ减小,而发电机的无功电流IGQ=IGsinΨ减小,使发电机送入系统的无功功率减小。当发电机与无穷大系统并列时,调节发电机的励磁电流If,E0发生变化时,发电机的定子电流和功率因数也随之变化,即发电机的无功功率随If变化。

在数台发电机并网运行时,调节一台发电机的励磁电流,不仅会改变这台机的无功,还要影响其他发电机的无功稳定性。为此,励磁系统分配并联运行的发电机无功时,还

图2 同步发电机并列无穷大系统的向量图

当输出的有功功率保持不变时有:要考虑其稳定性和合理性,这就要求励磁调节器具有调差功能。母线电压水平及无功功率在机组之间的分配,取决于发电机的电压调节特性即调差特性UG=f(Q),一般来说,发电机的调差特性是一条机端电压UG随无功Q增加而下降的直线,见图3,图 4。K1,K0和 K2分别表示正调差系数、零调差和负调差系数。

图3 励磁调差特性

图4 并联运行机

如果励磁调节器具有调差功能,则发电机总的调差系数是发电机(组)的自然调差系数与励磁调差系数的代数和。由于自然调差系数不可变,故发电机的总调差系数由励磁调差系数控制。若励磁调差系数为零,比如退出调节器中的调差电路,则发电机的调差特性就是自然调差特性,其大小由发电机和变压器的电磁参数决定,且变压器参数起主导作用;若励磁调差系数为负,如图 3中的直线K2所示,则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数减励磁调差系数的差;若励磁调差系数为正,如图 3中的直线K1所示,则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和。在这里之所以有加减之别,其目的是在控制励磁调差系数大小情况下,保证发电机调差特性向下倾斜,因为只有具有正调差特性的发电机才能并联运行。对于单元接线的发电机系统来说,若发变组的自然调差率很大,励磁调差系数应选择负,以补偿无功电流在主变上的压降;若发变组的自然调差率很小,励磁调差系数应选择正。对于扩大单元接线的发电机系统来说,由于发电机的自然调差率很小,为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配,发电机必须具有基本一致的正调差特性,这就要求励磁调差必须为正极性。图4是两台发电机并入电网后,二者调差特性与无功分配关系,图中UG0是两台发电机空载额定电压,UGN为母线电压,K1和K2是两台发电机各自的调差系数。这两台发电机并网后,调节励磁电流,其K1和K2直线平行上下移动,所对应的无功Q1和Q2也随之改变,并且相互不影响。我们知道,无论励磁调节器是何种类型,其工作原理都是将反映发电机端电压UG的测量电压KUG与给定电压UZ进行比较,从而得到发电机电压偏差信号即控制电压ΔU。对于可控硅整流器来说,ΔU经移相器产生α角变化的脉冲,以此改变整流桥输出电压,使发电机端电压同给定电压保持一致。如果在测量电压KUG或者给定电压UZ上,再叠加一个反映发电机无功变化的附加量UQ,就能使控制电压ΔU和α角产生变化,从而改变发电机的电压调节特性。这个附加量就是励磁调差起作用的量,也称无功补偿量,其极性直接影响励磁调差极性。一般说来,给定为正信号,测量为负信号,图5描述了这一过程的基本原理,虚线表示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节。

图5 励磁装置调差原理图

如果将调节器中调差单元接入到给定单元上,当调差单元随发电机+Q增加而输出+UQ时,就会引起给定电压UZ增加,控制电压UK增加,α角减少,最终使得发电机端电压UG增加,此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q增加而输出-UQ时,就会引起相反的结果,此时的励磁调差就是正调差。在图1～3中,将给定电压UZ和控制电压UK引入纵坐标,就能根据UG=f(Q)和UK=f(Q)来判断励磁调差极性。如果将调节器中调差单元接入到测量单元上,当调差单元随发电机+Q增加而输出+UQ时,就会引起测量电压KUG减少,控制电压UK增加,α角减少,最终使得发电机端电压UG增加,此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q增加而输出-UQ时,就会引起相反的结果,此时的励磁调差就是正调差。

3 提高电力系统稳定性

3.1 提高静态稳定性

静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后,不发生自发振荡和非周期失步,自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低,可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断,这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。在单机-无穷大系统中,如果发电机没有励磁控制,则正常运行时,发电机的空载电势E0保持不变,那么该系统的静态极限为Pmax,如果发电机具有常规励磁,比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统,则可保持发电机的暂态电势E0不变。如果发电机配置高放大倍数的快速励磁系统,比如采用运算放大器和可控硅整流器,并且励磁调节器带电力系统稳定器或者采用最优励磁控制,则可接近保持发电机端电压UG不变。可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常明显,特别是带电力系统稳定器或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明显。

3.2 提高动态稳定性

动态稳定是指电力系统遭受小扰动之后,在自动调节装置和附加控制的作用下,保持较长过程稳定运行的能力(通常指不发生周期性振荡失步)。由于影响动态稳定性的主要因素是电力系统的阻尼特性,因而常规励磁系统对于电力系统的动态稳定性不起多大作用,但是,带电力系统稳定器的快速励磁系统能够防止阻尼系统的低频振荡,从而提高了电力系统动态稳定性。

3.3 提高暂态稳定性

暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来状态运行的能力(通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步)。由于影响暂态稳定性的主要因素是系统中短路故障性质、主保护的动作情况、重合闸动作成功与否,因而调节励磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著。励磁系统对于提高暂态稳定而言,主要表现在快速励磁和强励的作用上。电力系统中发生短路故障时,由于控制输入机械功率的常规调速系统的动作太慢,主要靠快速继电保护切除故障,以减少加速面积;而故障切除后,快速励磁和强励可以增大发电机电势,因而增大输出的电磁功率,增大了制动面积,防止发电机摇摆角过度增大,以利于暂态稳定性的提高。

4 有利于电力设备的运行

在短路故障期间以及故障排除后,自动调节励磁装置能迅速地提高发电机的励磁电压,使发电机的励磁电流上升到比额定励磁电流值大得多的数值,可以尽量维持电力系统的电压、加速电压的恢复,从而改善了系统中电动机的运行条件,有利于电力设备的运行。类似地,它改善了并列运行的同步发电机在失磁后转入异步运行时电力系统的工作条件。此外,励磁系统还可以提高带时限的继电保护装置的工作灵敏性和动作准确性。

5 结束语

励磁系统是同步发电机的重要组成部分,其主要作用是调节发电机的电压和无功功率。发电机在运行中,随着负荷的增减和负荷性质的变化,其端电压和无功功率都随之而变动。发电机在单机运行时,调节励磁电流就是调节机端电压;在与系统并列运行时,调节励磁系统就是调节无功功率,从而维持机端电压的稳定,实现无功功率合理分配,提高电力系统的稳定性,保证电力设备安全运行。