向家坝800MW发电机过励限制器的剖析及试验

王 波，孔 明



向家坝800MW发电机过励限制器的剖析及试验

王 波1，孔 明2

（1. 向家坝水力发电厂，四川宜宾 644600；2. 西门子电站自动化有限公司，南京 211100）

分析了过励限制器的功能特点和设计要求，提出了向家坝水电站800MW发电机过励限制器模型。通过RTDS仿真试验和动态数据分析，总结了过励限制器与过励保护、强励限制和发电机过负荷保护配合的技术特点，对大容量发电机组过励限制器应用提供了借鉴和参考。

800MW发电机；过励限制器；RTDS；设计及试验

0 前言

发电机励磁系统的过励限制器（Over Excition Limiter，OEL）是为了避免发电机转子过流热积累导致绕组温度过高，通过励磁调节器减小励磁电流，将发电机运行点限制在发电机PQ稳定曲线范围内的一种限制器[1]。设计过励限制的功能时应充分发挥转子绕组短时过载能力，尽可能在系统需要提供无功功率时快速恢复系统电压。正确的励磁系统过励限制和过励保护可以在保证发电机组安全可靠运行条件下最大限度地发挥发电机的作用，从而提高电网的稳定裕度[2-4]。本文分析了向家坝800MW水轮发电机组励磁系统过励限制器的设计原理和功能特点，对大型发电机组励磁系统正确发挥过励限制作用提供了参考。

1 过励限制的主要特点

1.1 过励限制的功能特点

发电机的过励限制包含顶值电流瞬时限制和过励反时限限制两种功能。发电机励磁系统的类型决定了过励限制控制参数的选择。

静止励磁系统和有刷交流励磁机励磁系统采用发电机励磁电流作为过励限制的控制参数，无刷励磁系统采用励磁机励磁电流作为过励限制的控制参数。

过励限制应与发电机转子短时过负荷相配合，并具有反时限特性。因励磁机饱和因素而导致发电机磁场过电流特性匹配困难时应采用非函数形式的多点拟合方案描述其反时限特征[5]。

过励限制的作用是防止发电机转子绕组较长时间过流而发热。当发电机及连接的电气回路发生短路故障时，励磁系统应自动强行励磁维持系统电压稳定和保证继电保护可靠动作。当励磁电流达到设定值并持续运行达到许可时间时，过励限制器应减小励磁电流至安全运行值，便于发电机转子绕组和励磁设备温度回落。大型机组励磁系统还设计了过励保护功能，可以作为过励限制的后备保护，如过励限制失去功能，过励保护将提供调节器故障信号和正常切换动作[6]。

1.2 过励限制器的设计要求

为确保发电机过励限制器发挥良好作用，一方面需要给过励限制器设计合理的限制曲线，过励限制曲线应低于发电机转子过负荷特性曲线及励磁功率柜的过负荷曲线，另一方面当过励限制失去作用时应设计过励保护，过励保护应根据故障判断是否动作，选择将调节器切换到备用通道维持运行或直接输出跳闸信号进行发电机解列灭磁[7]。过励限制器的设计应考虑以下几个方面要求。

1.2.1 满足发电机转子过流能力要求

发电机本体安全是励磁系统和继电保护控制和限制的主要出发点。因此过励限制器的功能设计和参数设置首先应考虑发电机转子绕组的过电流和过负荷能力。

隐极式同步发电机转子过电流特性按GB/T 7064-2008标准规定，其特性表达式如下：

式中：—发热常数；

I—为励磁电流；

I—为额定励磁电流；

T—为过流热积累时间。

向家坝水电站安装8台800MW混流式水轮发电机组，其发电机组转子短时过负荷能力曲线如下图1所示。

图1 发电机转子绕组短时过负荷曲线

1.2.2 满足励磁系统强励顶值要求

励磁系统强励在系统电压跌落后通过大量输出无功功率迅速抬升发电机机端电压和主变压器高压侧母线电压，提高电力系统的暂态稳定性，维持系统电压水平，同时也为继电保护装置正确判断并切除故障提供条件。

发电机机端电压突然下降时，励磁系统将输出最大励磁电压即强励顶值电压。由于发电机转子为电感特性，强励时发电机转子电流值将滞后增长到与励磁电压相同倍数。如果强励顶值电压超过限制值时，励磁系统应控制励磁电压，保证转子电流持续在顶值电流运行。在强励的整个过程中，发电机过励限制始终正常工作，当转子电流达到顶值电流而稳定强励后，经过反时限的延时，如热积累达到过励限制设定值时，则过励限制动作并降低励磁电压将转子电流限制到额定值，励磁系统完成强励过程[8]。

1.2.3 满足与继电保护配合要求

与发电机过励限制相关的保护主要有定子过负荷保护、转子过电流保护和转子过负荷保护等。

当机组额定出力时，过励磁导致的发电机过负荷应同时满足发电机转子过电流和定子过电流的要求。因发电机转子过负荷导致的发电机定子过负荷保护动作时间应小于发电机转子过负荷发热能承受的时间，满足定子过负荷保护与转子过负荷保护配合要求[9-11]。

大型发电机转子过负荷保护由定时限和反时限两部分组成[12]。过励限制应采用与发电机转子过负荷一致的反时限热积累计算公式，并考虑电力系统发生短路时，保证机组的强励能力不受限制。过励限制特性与发电机转子过负荷保护特性之间留有级差，在保护动作之前可靠动作，既保证了发电机在系统故障时获得最大的持续强励电流，又保护了励磁功率柜及发电机转子不会过电流和过负荷。典型的保护配合曲线如图2所示。

图2 保护配合曲线图

2 发电机过励限制器模型

向家坝机组励磁系统采用德国西门子公司提供的THYRIPOL励磁装置，其调节器过励限制器模型如图3所示，OEL的设计基于转子电流实现。

其中：TFPU为OEL的转子电流返回值，取1.05p.u.；IF_OEL为转子电流测量时间常数，取0.02S；IOELmax为积分环节上限幅，取9p.u.；IOELmin为积分环节下限幅，取－2p.u.；OELmax为OEL输出上限幅，取0p.u.；OELmin为OEL输出下限幅，取－2p.u；OEL为积分时间常数，取1s；POEL为OEL的比例增益，取1p.u.；OEL为OEL的输出增益，取1.35p.u.。

图3 过励限制器模型

3 仿真测试

3.1 RTDS试验平台介绍

使用RTDS(实时数字仿真系统)建立包括发电机、调速装置、PSS稳定器、主变压器及无穷大电网的电力系统仿真系统，给励磁调节器（AVR）提供包括发电机定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流、主开关位置节点等信号。将励磁装置输出的控制电压U变换为模拟信号输入RTDS系统，经过具有一阶滞后环节特性的可控硅整流桥转换成发电机转子电压U，构成闭环控制系统。试验接线原理图如图4所示。

图中AVR代表THYRIPOL励磁调节器，RTDS装置的发电机模型参数设置为向家坝发电机实际运行参数，进行 THYRIPOL励磁调节器和RTDS装置闭环试验，模拟发电机运行工况测试励磁调节器的性能。当使用THYRIPOL励磁调节器AVR模型替换RTDS系统的AVR模型时进行动态仿真试验，就可检测设备制造商提供的THYRIPOL励磁调节器模型和参数是否真实可靠，考核励磁调节器各项性能指标是否符合标准要求[13]。

图4 试验原理接线图

3.2 OEL模型测试

试验过程中退出AVR励磁调节器中与过励限制相关的其它限制，如定子过流限制、过无功限制及控制角限制等，改变RTDS系统中过渡电阻值并维持发电机转速恒定，进行发电机出口三相短路模拟试验，测量转子电流的实际值及持续时间，检查OEL的模型参数是否满足反时限特性要求。当RTDS与AVR调节器中的OEL模型参数保持一致时，在相同的工况下通过动态测试比较其外特性，其结果表明RTDS与AVR的OEL模型动态性能相似。OEL动态特性曲线如图5所示。

图5 OEL动态特性曲线

通过不同强励倍数下的OEL动态特性试验并记录数据，得到的AVR及RTDS的OEL模型反时限特性数据，见表1。AVR与RTDS模型的OEL动作时间相似，并且接近理论设计值，表明了THYRIPOL励磁调节器过励限制器的反时限特性满足相关标准要求。

表1 实测AVR与RTDS模型的OEL数据

3.3 OEL模型环节参数测试

3.3.1 OEL模型的比例增益POEL测试

在发电机额定负载下，励磁调节器AVR仅投入过励磁限制器，模拟发电机出口三相短路接入接地电阻0.2W，改变OEL模型PI环节增益POEL，动态特性曲线如图6所示。

图6 改变增益KPOEL动态特性试验

试验录波图中POEL分别取0.5、1.0和1.5，从动态过程分析OEL模型的比例增益参数仅影响反时限限制动作的动态特性，比例增益参数POEL越大，发电机转子电流的返回速度越快。

3.3.2 OEL模型的输出增益OEL测试

在发电机额定负载下，励磁调节器AVR仅投入过励磁限制器，模拟发电机出口三相短路接入接地电阻0.2W，改变OEL模型输出增益OEL，动态特性曲线如图7所示。

试验录波图中OEL分别取0.675、1.35和2.025，从动态过程分析OEL模型的输出增益参数仅影响反时限限制动作的动态特性，输出增益参数POEL越大，发电机转子电流的返回速度越快。

3.3.3 过励限制与定子过电流限制配合试验

AVR励磁调节器投入过励限制和定子过流限制，将无穷大母线电压突降模拟发电机定子电流和发电机励磁电流过流，过励限制和定子过流限制分别动作，检查两个限制环节的动作配合关系。其动态特性曲线如图8所示。

由试验录波图分析，过励限制与定子过电流限制同时动作，发电机定子过流倍数为1.57，发电机转子过流倍数为1.55，经过17.8s后过励限制动作返回，转子电流减小后其它电气量缓慢向下调整，试验表明过励限制与定子过流限制配合良好。

图7 改变增益KOEL动态特性试验

图8 过励限制与定子过电流配合试验

4 结论

本文阐述了过励限制器的功能特点，提出了过励限制器的反时限模型和参数整定要求，明确了过励限制与相关保护的配合关系，进行了RTDS仿真试验和数据分析，对大容量发电机组过励限制器的应用提供了借鉴和参考。结果表明,合格的过励限制器应至少具备以下功能：（1）保护发电机的励磁绕组，以免发热[14]；（2）满足强励顶值倍数要求，对电网稳定提供尽可能多的支撑；（3）尽量发挥发电机转子过负荷能力，并与过励保护之间保持合理级差，大于发变组后备保护动作时间。

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The Analysis and Testof Xiangjiaba 800MW Generator Over Excitation Limiter

WANG Bo1, KONG Ming2

(1. Xiangjiaba Hydraulic Power Plant, Yibin 644600, China;2. Siemens Power Plant Automation Ltd, Nanjing 211100, China)

After analysis of the functional characteristics and design requirement of over excitation limiter, the model of 800MW generator over excitation limiter is presented. Via RTDS simulation test and dynamic data analysis, technological feature among over excitation limiter, over excitation protection, force excitation limitation and generator over load protection is summarized, this can provide reference for large capacity generation over-excitation limiter application.

800MW generator; over excitation limiter; RTDS; design and test

TM571

A

1000-3983(2017)02-0060-05

2016-04-01

王波（1974－），1997年毕业于华中科技大学工业自动化专业，主要从事同步发电机微机装置的应用和维护工作，高级工程师。

审稿人：李国良