误强励时同步发电机新型叠加强励励磁系统的分析

赵+欣1+++刘念++黄大可++潘荣超++李顺

摘 要：文章针对同步发电机新型叠加强励励磁系统的可行性，重点研究了误强励下，新型叠加强励励磁系统的强励能力。在MATLAB中，建立了误强励下新型叠加强励励磁系统的仿真模型，并与传统自并励励磁系统进行了对比分析，结果表明误强励下新型叠加强励励磁系统的强励能力优于传统自并励励磁系统。

关键词：新型叠加强励励磁；传统自并励；误强励；过电压

Abstract： In order to study the feasibility of the new superposition strong excitation system for the synchronous generator， this paper focuses on the ability of the strong excitation under the faulty forced excitation. In MATLAB，we build up one model of the new superposition strong excitation system， and compare to the traditional self-shunt excitation system. The simulation result shows the new superposition strong excitation system is better than the traditional under the faulty forced excitation.

Keywords： new superposition strong excitation； traditional self-shunt excitation； faulty forced exciation； faulty forced excitation

引言

勵磁系统是同步发电机中最为主要的组成结构，它不仅能直接影响励磁电流的变化，对发电机的可靠运行以及电网的稳定具有重要影响[1-4]。而传统的采用功率整流桥的自并励励磁系统，机端电压下降的情况得到足够的强励励磁电压，晶闸管整流器将会承受较大的换相电压[5]，在额定运行工况下，这种强励方式的运行效率非常低下，随着机组的容量不断增大，此方式将会带来更大的损耗。

长江电力有关专家就此开始研究了大型水电机组新型励磁系统，新型励磁系统相比传统励磁系统在安全、经济、效率方面有了明显提高[6-7]。由于此前已提出一种新型叠加强励励磁系统，且正常故障即机端电压降低情况的强励能力已有分析[8-9]。而误强励引起的超高机端电压会严重危害发电机的安全运行[10-12]，造成严重的影响，因此励磁系统承受误强励的能力尤为重要，而文献[13]中对误强励时的新型叠加强励励磁系统已有简单的分析，而本文通过叠加励磁回路引入回调触发信号，并在模拟不同误强励环境的情况下，对比分析传统励磁系统和新型叠加励磁系统的励磁电流、电压尤其是对二者的谐波研究，来分析比较哪种励磁方式在误强励下更为优越。

1 新型叠加强励励磁系统工作结构及原理

新型叠加强励励磁系统的结构如图1所示，与传统自并励励磁系统相较而言，在其基础上将励磁变压器ZLB由两相改为三相，并引入强励变压器QLB，通过电子开关K和励磁变压器ZLB第三绕组连接，将事故强励部分采用叠加方式进行投入，并将不太常用的强励功能转为离线备用避免了原方式的主励磁回路整流器深控换相电压高的问题，将触发角由70°～80°提高了50°左右甚至更小[14]。

图1 新型叠加强励励磁系统的结构

Fig1 The structure of the new new superposition strong excitation system

发电机额定工况时，励磁变压器ZLB的二次绕组提供励磁电，三次绕组侧空载，主励磁回路G1单独运行，即强励未投入运行，整个励磁回路的工作回路与传统自并励励磁回路一致。

发电机机组发生故障时，机端电压降低，主励磁回路G1运行使得电压有一定幅度升高，同时叠加励磁回路G2投入与原回路电压进行叠加从而拉高机端电压，此种方式在之前的研究中已得到证明不仅可以降低变压器容量，提高励磁变压器的效率，还能解决整流器的深控问题。

当发电机机组机端电压在正常范围内运行，机组强行进行励磁，致使机端电压过高，这一强励过程当属异常强励过程即误强励。值得注意的是，此时强励变压器QLB因强行投入运行，使得主励磁回路G1和强励磁回路G2叠加输出励磁电压，使得机端电压升高，将严重影响电网稳定。而本文将模拟误强励环境对此进行研究，进一步分析新型叠加强励励磁系统的优越性。

2 误强励时励磁系统仿真分析

2.1 误强励时励磁绕组电压和电流

由于本文只针对励磁系统的叠加进行研究，为了简化分析，因此将发电机简化为一恒定电压源，将励磁绕组简化为R与L串联，即不考虑发电机内部的电磁耦合，通过改变整流桥的触发角来进行对励磁系统的控制，仿真总时长为10s，前5s系统回路正常运行，5s时，主励磁回路整流桥触发角由60度降至较小于60的度数，叠加励磁回路整流桥仍保持60度，即开始模拟系统出现误强励，此时主励磁回路和叠加励磁回路同时投入运行，使得励磁电压大幅度升高，同时7s时，叠加励磁回路的整流桥开始进行调整至较大度数，进行回调作用。通过上述分析理论在MATLAB中构建的新型叠加强励励磁系统误强励回路与传统自并励励磁系统误强励回路的仿真图如图2、图3所示。仿真过程中，将主励磁回路整流桥触发角由60度分别降至30度、20度、10度，模拟不同的误强励环境仿真可得到励磁绕组的励磁电压和励磁电流。

图3 误强励时传统自并励励磁方式励磁回路

Fig3 The circui of traditional self-shunt excitation excitation

under the faulty forced excitation

仿真得到的两组励磁绕组电压和励磁电流放在同一坐标系下进行对比分析，如图4、图5所示，可以看出发生无论发生大小不同的误强励磁时，在主励磁回路无故障的情况下，新型叠加强励励磁系统和传统励磁系统因为强行励磁使得励磁电压、励磁电流均升高，均且能在另一个电压、电流等级保持稳定，但不同的是，从励磁电压来看，如图4所示，新型叠加励磁系统的励磁电压在误强励后，由于叠加强励励磁回路有一个回调的信号作用，使得电压升高后会出现一个回调，则其稳定状态时的励磁电压和励磁电流均比传统自并励励磁方式小，即升高的幅度降低。励磁电流也同样如此。这说明新型叠加强励励磁系统在误强励时，由于具有叠加励磁回路，且其有一定的回调作用，使得强励发生后的稳态电压，电流相比传统自并励励磁系统更小，使电网的安全风险在一定范围内降低，也进一步说明其承受误强励的能力优于传统自并励励磁系统，这也是新型叠加强励励磁系统的优点之一。

框图区局部放大：

图4 不同误强励下励磁绕组电流

Fig4 The excitation wingding current

2.2 误强励时励磁绕组谐波分析

由于谐波引起的正弦电压和电流的波形畸变已成为危害电能质量的主要原因之一[15-17]，因此可對传统自并励励磁系统和新型叠加强励励磁系统误强励下的绕组电压、电流进行谐波分析，选取图中强励角度为10度时的误强励情况为例，并把二个系统的谐波分析结果放在同一坐标下如图6、图7所示，来验证误强励下哪个系统对电网的影响更小，更为优越。

同时将所得到的绕组谐波的数据进行处理，定义相对畸变率=传统励磁谐波占比/新型励磁谐波占比（相同畸变次数下），若畸变率大于1，则说明传统励磁的某次谐波含量大于新型励磁，反之亦然，如此则取11组数据进行如此处理后则得表1。

由上述图6、7可直观得出新型叠加系统的直流含量高于传统励磁，传统自并励励磁系统的谐波含量曲线高于新型叠加强励励磁系统，进一步处理后由表1可知，在误强励的情况下，11组不同谐波频率下的绕组电压和绕组电流的相对畸变比均大于1，则进一步证明了传统励磁系统的各次谐波高于新型叠加励磁系统，同时，绕组电压的各次谐波相对畸变率均高于绕组电流，说明在误强励情况下，绕组电压受到的影响较深。综上可知，在误强励的情况下，新型叠加强励励磁系系统对谐波的抑制情况强于传统自并励励磁系统，对电网影响较小，也进一步说明了新型叠加强励励磁系系统其承受误强励的能力优于传统自并励励磁系统。

3 结束语

本文对传统自并励励磁系统和新型叠加强励励磁系统在误强励情况下，对比分析了各自的励磁能力，可知：

（1）不同误强励情况下，由于新型叠加强励励磁系统具有回调功能的叠加励磁回路，使得回调稳定后的电压、电流升高幅度均低于传统自并励励磁系统，使得电网的安全风险在一定范围内降低，说明其承受误强励的能力优于传统自并励励磁系统。

（2）误强励时，新型叠加强励励磁系统绕组电压、电流中的谐波含量低于传统自并励励磁系统，抑制谐波的能力强于传统自并励励磁系统。

（3）误强励时，新型叠加强励励磁系统中，绕组电压的谐波畸变比大于绕组电流。

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作者简介：赵欣（1992-），女，硕士研究生，主要从事大电机安全分析与监控。

刘念（1956-），男，博士，教授，主要從事大型发电机组的运行控制及电力设备状态监测与故障诊断等方面的教学与研究。

黄大可（1956-），男，教授级高工，一级励磁专家，长期从事水电厂励磁技术的应用开发工作。

潘荣超（1987-），男，硕士研究生，主要从事电力设备状态监测与故障诊断及励磁技术等方面的研究。

李顺（（1988-），男，硕士研究生，主要从事电力设备状态监测与故障诊断及发电机励磁方面的研究。