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新闻主题	发电机的自动励磁调节器功能介绍

 

 励磁调节器是维持发电机的机端电压恒定、通过合理的调差设置保证并列运行的机组间无功功率的合理分配，通过快速的励磁响应提高电力系统的暂态稳定和静态稳定。此外，调节器还具有故障录波、事件记录、系统自检、智能调试等功能。

 

一、数字移相及触发脉冲形成

 

数字移相就是将PID计算输出的数字量Y转换为控制角α，并在规定的角度区间内形成脉冲，经功率放大后形成触发脉冲，给相应晶闸管触发。对三相全控桥触发脉冲，控制角α有上、下限，即α_min≤α≤α_max，如取α_min＝5°、α_max＝150°，并需采用双脉冲触发。

 

1．数字移相工作原理

 

数字移相就是将前述电压控制信号Y对应的数字量D在规定的角度区间内转换成时间t_α，再由t_α转换为工频电角度α，从而使数字移相。利用减法计数器在一定计数脉冲f_c下对D作减计数运算，从计数开始到减计数器出现0为止的时间就是t_α。显然，t_α等于D个计数脉冲周期，即

 

将式（6-33）中的延时转换成对应的电角度，即控制角α，则有

 

 

式中 T₁-交流电源的周期，对应角频率ω1，工频50Hz。

 

2．数字移相实现

 

根据式（6-1）直流励磁电压U_d与延迟触发角α之间关系，首先需确定延迟触发角α的计算起始点，全控整流桥六个晶闸管依次相隔60°被触发换相，对应有六个电源电压为同步电压，各同步电压由负变正过零点的时刻即为a＝0°的计算起始点。

在图1中示出了VSO1～VSO6六个晶闸管同步电压形成的区间，方框中标示有^＃1（^＃6）晶闸管触发脉冲形成区间，对应同步电压分别是u_ac、U_be、U_ba、U_ca、U_cb、U_ab，各自正半周的起点即是α＝0°起始点。方框中带括弧的编号表示双脉冲触发时另一晶闸管的编号。当图1中的方框开始出现时（即同步电压正半周开始时），减计数器就对置入的数字量D开始进行减计数。

 

图1 发电机同步去电压形成的区间

 

数字移相触发电路如图2所示。u_ac、u_be、u_ba经方波形成电路后，得到正半周高电位的方波电压［u＋ ac］、［u＋ be］、［u+ ba］，经反相器后分别得到u_ca、u_ca、u_cb正半周高电位的方波电压［u+ ca］、［u+ ca］、［u+ cb］，这些高电位方波电压就是晶闸管VSO1～VSO6的同步电压。同步电压作用于减计数器的“Gate”端，在时钟脉冲f_c作用下，减计数器对“D”端置入到计数器的数字量D作减法运算，当计数器为0时，输出端“out”由高电位突变为低电位0V。“out”突变低电位时刻与控制角α对应，从而获得了与控制角α相对应的低电位脉冲。

 

图2 发电机数字移相触发电路

 

“out”的低电位脉冲经光电隔离、电平转换，再经放大就可得到晶闸管的触发脉冲。

在自并励励磁系统中，触发脉冲要经脉冲变压器放大后输出，所以脉冲变压器一、二次绕组间应有足够高的隔离耐压水平。自并励励磁系统电流大，可控整流柜一般为多个并联，故触发脉冲输出数量要满足要求，输出功率要足够大以保证晶闸管触发导通。

由上述控制过程可知，输入数字量从D减至0，经历时间为t_α，把延时t_α换算成对应的适时触发角α，计数脉冲个数D与α形成对应关系，见式（6-34），或写成

 

 

【例6-2】某发电机励磁电压U_d＝1000V，α＝18°，计数脉冲频率500kHz，交流电源50Hz。

求：

（1）数字控制量D；

（2）要求励磁电压U_d调至985V，数字控制量D′是多少？延迟触发角α′是多少？解 由式（6-35）可求得数字控制量

 

 

因为U_d＝1.35Ecosα，所以得 

 

 

所以α′＝20.48°

 

 

可取D′为569。      

二、励磁系统中的辅助控制

 

1．励磁限制

 

大型同步发电机运行的安全性极为重要，继电保护装置是保证发电机安全的不可缺少的措施，AER的限制功能与继电保护两者的配合保证了发电机运行的安全。大型同步发电机上AER的限制功能有强励反时限限制、过励延时限制、欠励瞬时限制、U／f限制、最大励磁电流瞬时限制等。

（1）强励反时限限制

发电机励磁绕组允许的励磁电流与持续时间呈反时限制性，即励磁电流愈大，允许作用的时间愈短；励磁电流减小时，允许作用的时间增加。为使AER起到强励反时限限制功能，应根据发电机励磁绕组特性，将允许强励倍数（如取2.0）、允许强励时间（如10s）、稍低于强励允许的反时限特性曲线输入到AER中。允许强励倍数和允许强励时间的设置，实际上就限制了强励允许反时限特性的峰值（最大强励电压、最短的允许时间）不超过发电机的允许限值。

电力系统发生短路故障时，发电机机端电压可能大幅度降低，AER将发电机处强励状态。此时AER根据测到的励磁电流，计算该励磁电流的持续时间，当持续时间达到设置强励反时限特性曲线相应允许时间时，AER停止强励并将励磁电流限定在限额值，见图3。可见，AER的强励反时限限制可使发电机励磁绕组过热不超过允许值，保证了发电机的安全。发电机励磁绕组过负荷时，强励反时限限制同样可起到保护作用。

 

图3 发电机反时限过励磁限制特性曲线图

 

（2）过励延时限制

发电机在运行中，转子电流（励磁电流）和定子电流都不能长期超过额定值运行，图4示出了发电机励磁电流限制区域及定子电流限制区域。因发电机的空载电动势E_q与转子励磁电流成正比，所以以M点为圆心、转子电流允许值（如1.1IaN）相应的E_q为半径的圆弧CD即为过励延时限制线。发电机在运行中，AER不断实时测量发电机的P、Q值，当Q值大于该点的允许值且持续时间达设定时间（如2min）时，过励延时限制动作，减小发电机励磁，将无功功率限制在设定曲线的无功功率值。

 

图4 发电机静态稳定性限制曲线图

 

（3）欠励瞬时限制。由于电力系统运行需要，同步发电机在运行中可能发生进相运行，即吸收感性无功功率和发出有功功率。由图6-15所示的功角特性可见，在某一有功功率下，励磁电流的减小意味着功率角增大，当δ角大于90°时发电机可能失去静态稳定。为此，

AER中设有欠励瞬时限制，当发电机进入设定的欠励限制线时，AER瞬时欠励限制动作，增大发电机励磁，以保持发电机与系统的静态稳定性，使发电机定子端部发热在允许的范围内。

隐极机的静态稳定极限的理论值是δ＝90°，因此，MH是理论上的静态稳定运行边界。在突然过负荷时，为了维持发电机的稳定运行，实际的静态稳定运行边界应留有一定的余量。图6-39中BF曲线是考虑了能承受0.1P_N过负荷能力的实际静稳定极限。曲线BF是这样作出来的：先在理论边界上取一些点（如点1），然后保持励磁电流（E_q/X_d）不变，作圆弧12，再找出实际功率比理论功率低0.1P_N的点的集合直线23，曲线12和直线23的交点就在实际稳定极限上。用同样的方法将能找到实际稳定极限的所有的点，连接这些点可得实际稳定极限的边界。

（4）电压／频率（U/f）限制

 

发电机的端电压的计算公式为

U=4.44fBN×10^-8                             (6-36)

式中 B——磁感应强度；

f ——系统频率；

N——绕组匝数；

S ——每极有效截面积。

式（6-36）中，4.44NS为常数，设为系数K，则有

 

 

设额定运行时（对应UN、fx）的磁感应强度为BN，则有

 

 

式（6-38）中U_*、f_*为电压、频率的标幺值。测量n值大小就可判定发电机过励磁的程度。

当发电机电压升高或系统频率降低时，发电机过励磁，n增大，表现为铁芯饱和，励磁电流急剧增大，涡流损耗增大；谐波磁场增强，使附加损耗加大，引起局部发热；同时定子铁芯背部漏磁场增强，在定位筋附近引起局部过热，过热程度随n值增大急剧增加。防止发电机及变压器由于电压过高或频率过低而铁芯过热，采取对电压与频率比值进行限制。

AER中的过励磁限制可起到发电机过励磁保护作用，当然过励磁限制值应与发电机过励磁保护动作值相配合。应当指出，水轮发电机突然甩负荷时（如线路故障跳闸），因调速系统关闭导水叶有较大的惯性，所以转速急剧上升，导致机端电压升高，危及定子绝缘。在这种情况下过电压限制可抑制机端电压的迅速上升。

（5）最大励磁电流瞬时限制

电力系统稳定要求发电机励磁系统有高的电压上升速度。交流励磁机励磁系统在通常情况下很难满足要求。而采用提高励磁顶值电压的方法，可以使电压响应比增大。如图6-40所示，当励磁顶值电压提高时，即U_fdmax2＞U_fdmax1，对同一时间t₁有U_td2＞U_fd1，即励磁顶值电压愈高，励磁电压上升速度愈快。电压响应速度得到了改善，但是高励磁顶值电压将会危及励磁机及发电机安全。

为了防止过高强励电压损坏发电机转子绝缘，设置最大励磁电流瞬时限制，当励磁电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时，应由励磁调节器动作立刻对励磁进行限制，使励磁电流限制在I_fdmax。

 

2．电力系统稳定器（Power System Stabilizer，PSS）

 

当发电机通过远距离输电线与电网连接，而线路传输功率又较大时，会出现低频振荡，这对维护发电机稳定运行是不利的，因此，投入电力系统稳定器（PSS），增大系统对振荡的阻尼，可以抑制低频振荡。

 

发电机高励磁顶值电压与电压上升速度曲线图

 

（1）正阻尼力矩与负阻尼力矩

发电机正常运行时，输入功率等于输出功率，发电机为额定转速，δ角不发生变化。如在图6-15中，发电机稳定运行在α点，δ＝δ₀不变化。

当发电机受扰动时，如系统电压降低或升高，则功角特性相应降低或升高，在输入功率不变情况下，发电机要加速或减速，δ角增大或减小。

发电机转速变化过程中，发电机系统对这种转速变化而产生的力矩即阻尼力矩的性质有着重要作用。阻尼力矩有正阻尼力矩和负阻尼力矩。正阻尼力矩作用的方向与转速变化的方向相反，起阻止（阻尼）转速变化的作用，即发电机转速升高超过额定转速时，正阻尼力矩起制动作用；发电机转速低于额定转速时，正阻尼力矩起加速作用。所以正阻尼力矩可使发电机稳定运行，就发电机本身结构而言，水轮发电机转子上的阻尼绕组、汽轮发电机转子本身在转速变化时产生正的阻尼力矩。当然，转速不发生变化时，不产生阻尼力矩。

负阻尼力矩与正阻尼力矩完全不同，负阻尼力矩作用的方向与转速变化的方向相同，起推动转速变化的作用，使之转速不断增大，造成发电机失去动态稳定，或引起发电机低频振荡，影响系统稳定运行。

（2）AER的负阻尼作用

由于发电机励磁回路是一个大电感回路，励磁电压中存在某一交变分量时，相应于这一交变分量的励磁电流，其相位应滞后交变分量励磁电压90°。另外，机端电压Uc与功率角δ间的关系为：发电机δ角增大时，机端电压U_G会降低；δ角减小时，机端电压U_G升高。

当发电机受到某种干扰，使转速增加（减小），即Δωw＞0（Δω＜0）时，δ增加（减小）；机端电压U_G降低（升高）；AER测得这一机端电压变化，基本无延时放大若干倍以增加（减小）励磁电压U_fd；相应的励磁电流I_fd缓慢增加（减小），发电机空气隙中的磁场相应缓慢增加（减小），以升高（降低）机端电压，实现机端电压的调节。

要使发电机动态稳定，必须要有正的阻尼力矩，即必须有与Δω同相位的阻尼力矩。当发电机装设快速AER时，由于干扰使Δω＞0（Δω＜0），上述调节过程驱使U_G升高（降低），U_G升高（降低）引起发电机输出功率增大（减小），对发电机起制动（增速）作用。

再进一步讨论Δω与ΔU_G变化间的相位关系。由于Δω变化，必然引起δ角的变化。Δw的相位超前Δδ相位90°。快速AER当机端电压变化时励磁电压瞬时响应，ΔU_fd与Δδ同相位。考虑到励磁回路是一个大电感回路，ΔI_fd变化滞后ΔU_fd变化90°，即ΔU_G的变化滞后ΔU_fd变化90°，Δω与ΔU_G有反相关系。

ΔU_G变化与Δω变化有反相关系，即ΔU_G引起的功率变化具有负阻尼力矩性质。也就是说，当Δω＞0时，AER调节结果使ΔU_G升高产生的制动力矩为负，使发电机进一步增速；当Δω＜0时，AER调节结果使ΔUc降低产生的增速力矩为负，使发电机进一步减速。

因此，当AER放大倍数过大，产生的负阻尼作用超过发电机转子本身的正阻尼作用时，发电机容易失去动态稳定，或引起系统低到0.3Hz的低频振荡。

（3）动态失稳的抑制（PSS）

抑制发电机动态失稳最有效的方法是：在AER的输入回路中引入能反应发电机转速变化的附加环节，并使机端电压变化能够与转速变化同相位，以达到由AER提供正阻尼力矩的目的。引入AER的这个附加量，可直接取自发电机的转速，也可取自发电机输出有功功率变化量ΔP，或者取自机端电压的频率。当然，引入AER的这一附加调节量必须经过一定的相位领前回路，使在该系统低频振荡频率下达到机端电压变化与转速变化同相位。这一措施称之为电力系统稳定器（PSS），也可称附加反馈。

减小AER的放大系数，也可在一定程度上抑制发电机的失稳。在AER中，为提高AER的调节品质，使在外部干扰情况下迫使在平衡点的动态误差为零，可采用零动态的最优励磁控制和非线性最优励磁控制，同时也可提高AER系统的动态阻尼。

 

三、自动励磁调节器的其他功能

 

1．自动励磁调节器Watchdog 功能

 

为监视CPU运行，防止受电气干扰而死锁或停运，AER设有专门的硬件监视器(Watchdog)。

在控制调节程序返回中断前，将一个自检信号送到监视器，以确认CPU工作正常，从而可继续下一循环工作。若因电气干扰程序走错路径或停止执行，则监视器接收不到自检信号，系统给出故障信号，AER自动切换到备用通道。在CPU死锁或停运时，触发脉冲数据不会被更新，因而CPU死锁或停运不会导致发电机失磁。

 

2．数字式电压给定系统

 

数字式电压给定系统，采用软件给出机端电压给定值。当以励磁电流为被调量时给出励磁电流值，可就地或远方（主控室）给出给定值，实现升高或降低机端电压；升、降电压速度可选择，以实现电压平稳调节，不发生跳变。此外，给定电压值具有上、下限限制，每次停机时给定值自动置零电压，为下次开机作准备。

数字式电压给定系统具有很强的抗干扰能力，可避免因受干扰而导致发电机失磁或发生误强励。

 

3．两个自动控制通道间的切换

 

大型发电机的AER，通常采用双自动控制通道以提高运行可靠性。一个自动控制通道工作时，另一个自动控制通道处备用方式。每个自动控制通道有两种工作方式：

① 以机端电压为被调量的自动控制通道；

② 以励磁电流为被调量的手动控制通道。

于是，AER两个控制通道间的切换可以是自动切换到自动、自动切换到手动、手动切换到自动或手动切换到手动四种切换方式中的一种。AER中的备用工作通道不断跟踪工作通道，当工作通道发生故障时自动切换到备用通道工作。

励磁调节器的双重化配置原理见图6-41，包括主控制单元的双重化、励磁功率单元的双重化、励磁电流测量的双重化、双重电源配置及TV的双重化。

 

发电机励磁调节器的双重化配置原理图

 

4．备用通道对工作通道的自动跟踪

 

所谓备用通道对工作通道的自动跟踪，就是采用高速同步串行通信实现两个通道的计算机间交换信息，使上述切换不发生电压波动或无功功率的摆动。考虑到工作通道发生故障时计算的可控整流桥的控制角有问题，所以备用通道跟踪工作通道3s前的工作状态。除上述专用功能外，AER还具有与上位计算机通信、在线显示和修改参数、自检和自诊断、事件和故障记录等功能。

 

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