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(1.四川大學錦城學院新能源工程系，四川 成都 611731； 2.四川大學電氣工程系, 四川 成都 610065；3.中國長江電力股份有限公司, 湖北 宜昌 443002)

同步發(fā)電機疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵特性分析研究

劉念1，謝馳1，趙欣2，潘榮超2，黃大可3

(1.四川大學錦城學院新能源工程系，四川 成都 611731； 2.四川大學電氣工程系, 四川 成都 610065；3.中國長江電力股份有限公司, 湖北 宜昌 443002)

研究同步發(fā)電機疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力，建立疊加強勵勵磁系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)進行對比分析，然后構(gòu)造具有疊加強勵勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機35 kV電纜輸電線路模型。仿真分析結(jié)果表明疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，且強勵過電壓不會對發(fā)電廠輸電電纜絕緣造成影響。

疊加強勵；自并勵系統(tǒng)；強勵特性；仿真模型

0 引 言

同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定起著重要的作用，優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機安全運行，提供合格的電能，而且還能改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定條件[1-3]。而傳統(tǒng)的采用功率整流橋的自并勵勵磁系統(tǒng)，為滿足機端電壓下降的情況得到足夠的強勵，勵磁系統(tǒng)晶閘管整流器必須處于深度控制狀態(tài)，其承受較大的換相電壓，特別在強勵方式下，傳統(tǒng)的自并勵勵磁系統(tǒng)的運行效率非常低[4]。隨著發(fā)電機組的容量不斷增大、輸電距離不斷增長和電網(wǎng)電壓等級的提高，發(fā)電輸電系統(tǒng)更加重視勵磁系統(tǒng)的高頂值倍數(shù)[5-6]。

現(xiàn)代疊加強勵勵磁系統(tǒng)，即一種具有疊加強勵能力的自并勵勵磁系統(tǒng)，更加符合發(fā)電和輸電的安全性、可靠性和節(jié)能環(huán)保要求[7-8]。 針對疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵特性，重點研究同步發(fā)電機疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力，建立疊加強勵勵磁系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)進行對比分析，最后構(gòu)造具有疊加強勵勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機及35 kV電纜輸電線路模型，完成35 kV電纜輸電線路在發(fā)電機疊加強勵勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生誤強勵下的過電壓仿真分析計算。

1 疊加強勵勵磁系統(tǒng)工作原理

疊加強勵勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)相較而言，在其基礎(chǔ)上將勵磁變壓器ZLB由雙繞組改為3繞組，并引入強勵變壓器QLB。通過電子開關(guān)K和勵磁變壓器ZLB第3繞組連接，將事故強勵部分采用疊加方式進行投入，并將不太常用的強勵功能轉(zhuǎn)為離線備用。

圖1 疊加強勵勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

發(fā)電機額定工況時，勵磁變壓器ZLB的二次繞組提供勵磁電，三次繞組側(cè)空載，主勵磁回路整流橋G1工作，強勵回路主流橋G2不工作，即強勵未投入運行，整個勵磁回路的工作回路與傳統(tǒng)自并勵勵磁回路一致，可通過調(diào)節(jié)主橋的觸發(fā)角來適當調(diào)整機端電壓。

當系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動如三相接地短路時，發(fā)電機機端電壓將會產(chǎn)生大幅度的降落。為了維持電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定必須對同步發(fā)電機進行強行勵磁。此時需投入強勵變壓器QLB，并聯(lián)的二極管D截止，主橋G1和強勵橋G2串聯(lián)運行，二者的電壓疊加輸出勵磁電壓，提供比原傳統(tǒng)自并勵勵磁方式更高的頂值電壓(強勵電壓)倍數(shù)；并避免了原傳統(tǒng)方式的主橋觸發(fā)角深控問題，且降低了勵磁變壓器的容量，具有較高的經(jīng)濟效益[8]。

2 誤強勵時勵磁系統(tǒng)仿真分析

同步發(fā)電機機組機端電壓在正常范圍內(nèi)運行，機組強行進行勵磁，致使機端電壓過高，這一強勵過程當屬異常強勵過程即誤強勵。 在圖1電路的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的疊加強勵勵磁系統(tǒng)誤強勵回路與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)誤強勵回路如圖2和圖3所示。

在Matlab中進行仿真，仿真過程中，將仿真時間設(shè)置為40 s，前20 s保持正常狀態(tài)運行，機端電壓保持不變，即6.3 kV，主橋陽極電壓300 V，當20 s時，將整流橋觸發(fā)角由60°降至10°，機組開始強行勵磁即出現(xiàn)模擬的誤強勵環(huán)境，至40 s結(jié)束，仿真后可得到勵磁繞組的勵磁電壓和勵磁電流。

圖2 疊加強勵勵磁方式誤強勵勵磁主回路

仿真得到的兩組勵磁繞組電壓和勵磁電流放在同一坐標系下進行對比分析，如圖4、圖5所示。其中線段A是疊加強勵勵磁系統(tǒng)，線段B是傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，可以看出疊加強勵勵磁系統(tǒng)發(fā)生誤強勵磁時，在主橋無故障的情況下能夠?qū)畲烹妷哼M行回調(diào)，仍然能保持機端電壓穩(wěn)定；且誤強勵時勵磁電壓和勵磁電流均比傳統(tǒng)自并勵勵磁方式小的多。這說明疊加強勵勵磁系統(tǒng)在誤強勵時的風險比傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)更小，這也是疊加強勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點之一。

圖3 傳統(tǒng)自并勵勵磁方式誤強勵勵磁主回路

圖4 勵磁繞組勵磁電壓(部分時間段)

圖5 勵磁繞組電流

3 誤強勵導致輸電線路過電壓的分析

為了研究勵磁方式對輸電線路的影響，對實際線路進行了仿真，建立了發(fā)電機輸變電線路模型，如圖6所示。根據(jù)圖6所給出的模型，在Matlab軟件下進行仿真，在空載和負載情況下測量發(fā)電機勵磁、機端和電纜上的電壓，并檢驗35 kV電纜能否能承受由于疊加強勵導致的過電壓。

圖6 發(fā)電機35 kV電纜輸電線路模型

當35 kV電纜輸電線路空載運行時，對于疊加強勵，采用等效代替法。假設(shè)模型起初的運行情況為自并勵運行，初始頂值電壓倍數(shù)為1，故障發(fā)生后，頂值電壓倍數(shù)可達到2倍，并以此電壓強勵倍數(shù)作為新的頂值電壓倍數(shù)加在勵磁繞組上。對于空載情況是最簡單的情況，當發(fā)電機機端電壓標幺值為1時，其轉(zhuǎn)子電壓標幺值也為1。仿真時間為50 s，假設(shè)10 s后發(fā)生誤強勵，30 s后誤強勵截止，50 s后仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如圖7至圖9所示。

圖7 發(fā)電機空載時勵磁電壓

圖8 發(fā)電機空載時機端電壓

圖7中，起初勵磁電壓為1 p.u.，誤強勵后勵磁電壓上升至2 p.u.，直至30 s后誤強勵去除，勵磁電壓逐漸放回到1 p.u.。圖8中，機端額定電壓為6.3 kV，當發(fā)生誤強勵后，機端電壓達到11.6 kV，過電壓倍數(shù)為11.6/6.3=1.84。圖9中，電纜額定電壓為35 kV，當發(fā)生誤強勵后，電纜線電壓達到68.1 kV，過電壓倍數(shù)為68.1/35=1.84。

圖9 發(fā)電機空載時35 kV電纜電壓

當35 kV電纜輸電線路負載運行時，增添的負載為P= 2×106W，Q= 1×106var，Vf=1.067 01 p.u.，在誤強勵的情況下進行仿真，仿真結(jié)果如圖10至圖12所示。

圖10 發(fā)電機負載時勵磁電壓

圖11 發(fā)電機負載時機端電壓

圖10中，一開始，勵磁電壓為1.067 01 p.u.，誤強勵后勵磁電壓上升至2.134 02 p.u.，直至30 s后誤強勵去除，勵磁電壓逐漸放回到1.067 01 p.u.。從圖11可知，誤強勵導致發(fā)電機機端電壓升高，機端電壓過電壓倍數(shù)為10.9/6.3=1.72。從圖12可知，誤強勵導致電纜電壓升高，過電壓倍數(shù)為62.7/36=1.72。

由上述分析可見，當增添負載后，誤強勵導致的機端和電纜的過電壓倍數(shù)和空載時相比變小。

為了使研究問題一般化，采用不完全歸納法研究負載時誤強勵導致的過電壓倍數(shù)和空載時相比確實變小了。采用了3組不同的負載同空載進行比較，如表1所示。

表1 不同負載下誤強勵導致的過電壓

圖12 發(fā)電機負載時35 kV電纜電壓

由表1可知，隨著負載的增大，誤強勵導致的機端和電纜過電壓倍數(shù)越低?？蛰d情況時，誤強勵導致的發(fā)電機機端和電纜過電壓倍數(shù)最大。為了嚴格考慮誤強勵導致電力系統(tǒng)的過電壓倍數(shù)，應(yīng)選擇空載情況進行分析。

同時，通過對空載情況下的誤強勵仿真可以發(fā)現(xiàn)，在2倍的頂值電壓倍數(shù)下，誤強勵可以導致1.8倍的過電壓。對于交流耐壓試驗(頻率在20～300 Hz)， 35 kV交聯(lián)聚乙烯電纜可以在2倍的額定電壓下運行60 min。由此可見，對于疊加勵磁系統(tǒng)來說，2倍的頂值電壓倍數(shù)所導致的1.84倍的電力系統(tǒng)過電壓在20 s內(nèi)不會對35 kV交聯(lián)聚乙烯電纜的運行造成不利影響。因此，2倍的強勵倍數(shù)下產(chǎn)生的過電壓在20 s內(nèi)不會對電纜的運行造成嚴重的影響。

4 結(jié) 語

對比分析了疊加強勵勵磁系統(tǒng)和傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)在誤強勵情況下各自的勵磁能力，同時在發(fā)電機35 kV電纜輸電線路模型中仿真分析了疊加強勵勵磁系統(tǒng)在空載和負載情況下誤強勵時的機端電壓和電纜線路電壓過電壓。

疊加強勵勵磁主橋在誤強勵時勵磁電壓和電流升高的倍數(shù)均比傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)誤強勵的低，疊加強勵勵磁系統(tǒng)抵抗誤強勵帶來的過電壓能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

[1] 丁爾謀．發(fā)電廠勵磁調(diào)節(jié)[M]．北京：中國電力出版社,1988.

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It focuses on the strong excitation ability of superposition strong excitation system for synchronous generator, and a simulation model of superposition strong excitation system is established, which is compared with the traditional self-shunt excitation system. Then the model of 35 kV cable transmission line with the superposition strong excitation system is constructed for the synchronous generator. The simulation result shows that the superposition strong excitation system is better than the traditional one under the forced excitation, and there is not any over-voltage influence on the cable insulation.

superposition strong excitation; self-shunt excitation system; strong excitation characteristic; simulation model

TM311

A

1003-6954(2017)06-0020-04

劉 念(1956)，博士、教授，主要從事高電壓技術(shù)及電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等方面的教學與研究；

謝 馳(1956)，博士、教授，主要從事測控技術(shù)及旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等方面的教學與研究；

趙 欣(1992)，碩士研究生，主要從事大電機安全分析與運行監(jiān)控技術(shù)研究；

潘榮超(1988)，碩士研究生，主要從事高電壓技術(shù)及應(yīng)用研究；

黃大可(1956)，教授級高工、一級勵磁專家，長期從事水電廠勵磁技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)工作。

2017-06-19)