励磁控制对电力系统稳定的影响

一、励磁系统概述 （一）同步发电机励磁系统介绍　　 它励可控硅励磁系统主要的优点是在发电站出口附近发生短路故障时，强励能力强，有利于提高系统的暂态稳定水平，在故障切除时间比较长、系统容量相对小的50、60年代这一优点是很突出的。但是，随着电力系统装机容量的增大，快速保护的应用，故障切除时间的缩短，它励可控硅励磁系统的优势已不是很明显。自并励可控硅励磁系统的优点是结构简单，元部件少，其励磁电源来自机端变压器，无旋转部件，运行可靠性高，维护工作量小。且由于变压器容量的变更比交流励磁机的变更更简单、容易，因而更经济，更容易满足不同电力系统、不同电站的暂态稳定水平对励磁系统强励倍数的不同要求。　　 它励可控硅励磁系统的缺点是由于交流励磁机是非标准产品，难以标准化，即使是同容量的发电机,尤其是水轮发电机，由于水头、转速的不同，强励倍数的不同，交流励磁机的容量、尺寸也不同，因此，价格较自并励可控硅励磁系统贵。另外它励可控硅励磁系统与自并励可控硅励磁系统相比较，元部件多，又有旋转部件，可靠性相对较低，运行维护量大。自并励可控硅励磁系统的缺点是它的励磁电源来自发电机端，受发电机机端电压变化的影响。当发电机机端电压下降时其强励能力下降，对电力系统的暂态稳定不利。不过随着电力系统中快速保护的应用，故障切除时间的缩短，且自并励可控硅励磁系统可以通过变压器灵活地选择强励倍数，可以较好地满足电力系统暂态稳定水平的要求。　　 综合考虑技术和经济两方面因素，推荐在发电机组采用自并励快速励磁方式。为验证其正确性，通过稳定计算研究了满发时发电机组采用自并励励磁方式的稳定情况，计算结果表明，发电机组采用自并励励磁方式可满足系统稳定的要求，但必须同时加装电力系统稳定器（PSS）。　　 直流机励磁方式是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机，其优点是与无励磁机系统比较，厂用电率较低。缺点是直流励磁机存在整流环，功率过大时制造有一定困难，100MW以上汽轮发电机组难以采用。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子磁电流，形成有碳刷励磁。直流机励磁方式又可分为自励式和它励式。专门用来给同步发电机转子回路供电的直流发电机系统称为直流励磁机系统，　　 它励直流励磁方式，就是在它励系统中增加副励磁机，用来供给励磁机的励磁电流，副励磁机FL为主励磁机JL的励磁机，副励磁机与主励磁机均与发电机同轴。与自励直流励磁机系统比较，自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的。他励直流励磁机系统比自励励磁机系统多用了一台副励磁机，所用设备增多，占用空间大，投资大。但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数。他励直流励磁机系统一般只用在水轮发电机组上。自励直流励磁机系统原理接线图他励直流励磁机系统原理接线图　　 采用直流励磁供电的励磁方式，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁方式。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁方式。长期的运行经验证明，这种励磁方式具有独立的，不受外系统干扰的励磁电源。励磁可靠性高，且调节方便的优点。但换向器和电刷的维护工作量大。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁方式愈来愈不能满足要求。目前，在100MW及以上发电机上很少采用。我厂为保证励磁系统的高可靠性而配备的备用励磁机就是它励直流机励励磁方式。 （二）交流机励磁方式　　 用直流机作为励磁电源，不仅维护困难，而且在应用上也有限制。采用交流机励磁方式，由于励磁机容量相对较小，只占同步发电机容量的0.3～0.5，且时间常数也较小（即响应速度快）。因此在现代电力系统中的大容量发电机（如200MW、300MW等），都采用交流励磁机系统。现在大容量的发电机，要求励磁系统有很高的可靠性和很快的响应速度。而直流励磁机系统存在的整流环是安全运行的薄弱环节，容量不能制造的很大，所以100MW及以上容量机组都用交流励磁机系统。交流励磁机系统的核心设备是交流励磁机，其容量相对较小，只占同步发电机容量的0.3%～0.5%。由于要求其响应速度很快，所以大型机组的交流励磁机系统一般采用他励方式，既有主励磁机，也有副励磁机。　　 交流励磁机系统是采用专门的交流励磁机代替了直流励磁机，并与发电机同轴。它运行发出的交流电，经整流电路后变成直流，供给发电机励磁。 （三）其他励磁方式 1．自励交流励磁机系统 　　 自励交流励磁机的励磁电源从本机出口电压直接获得。为了维持端电压的恒定用可控硅整流元件。因此，自动励磁调节器的调整电流输出至何处向发电机转子送电：　　 方案中，自励的交流励磁机经可控硅整流桥B向发电机转子送电，自动励磁调节器控制此可控硅的导通角，调整其输出电流，以维持发电机端电压的恒定。交流励磁机本身则经过令一个反馈回路，由自身的恒压单元来保证其交流励磁电压的恒定。由于这种方案完全不考虑励磁机的时间常数，因而，励磁电压响应速度比较快，时间常数小，但是，对其容量要求较大。 2．无刷励磁系统　　 在他励和自励交流励磁机系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅（或二极管）供给，而可控硅（或二极管）是静止的故称为静止励磁。在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件。随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加（3000～5000安培），转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统。 副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。　　 主励磁机的励磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电压保持恒定。 无刷励磁系统方案之二　　 在方案一中，考虑到励磁机励磁绕组LLQ的时间常数，其响应速度较慢。为了提高响应速度可以采用方案二，就是将可控硅整流桥装设旋转部分，代替方案一旋转部件中的二极管整流桥。方案二中由中频副励磁机ZPF供电给交流主励磁机JL的直流励磁绕组JLLQ。可控硅的触发脉冲由同轴旋转的触发脉冲发生器PG供给。PG也是一个由多相绕组组成的电枢，它的磁场由d、q两个互相垂直的绕组的磁场合成，因此当d、q磁场的大小作各种不同的变化时，PG的合成磁场（相对JLLQ磁场）就在作不同角度的转变，转变的范围为90°。这样就使得PG的触发脉冲与主励磁机JL各相交流电压之间，产生不同的相角变化，从而控制主励磁机送至发电机转子绕组的励磁电流的大小，以达到维持发电机端电压恒定的目的。　　 在方案二中，不必考虑主励磁机励磁绕组JLLQ时间常数的影响，所以其响应速度比方案一快，其自动励磁调节器的输出与其他励磁系统不同，显得较为复杂一些，但并不难实现。总的来说，其优点是：革除了滑环和碳刷等转动接触部分。其缺点是：在监视与维修上有其不方便之处。由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管与可控硅的运行状况，接线是否开脱，熔丝是否熔断等等都不便监视。因而在运行维护上不太方便。但随着科技的发展，监视问题正在得到逐步解决。 3．无励磁机发电机自并励系统　　 励磁机本身就是可靠性不高的元件，可以说它是励磁系统的薄弱环节之一，因励磁机故障而迫使发电机退出运行的事故并非鲜见，故相应地出现了不用励磁机的励磁方案。如下图所示：发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁方式，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。系统起励时需要令加一个起励电源。 无励磁机发电机自并励系统的优点是：不需要同轴励磁机，系统简单，运行可靠性高；缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的检修维护；由可控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电压响应速度；由发电机机端获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比，发电机组甩负荷时，机组的过电压也低一些。其缺点是：发电机出口近端短路而故障切除时间较长时，缺乏足够的强行励磁能力，对电力系统稳定的影响不如其它励磁方式有利。　　 由于以上特点，使得无励磁机发电机自并励