500KW以下小型水電站可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)之我見(jiàn)

1、500kw以下小型水電站可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)之我見(jiàn)李曉輝（邯鄲市躍峰管理處）摘要 隨著可控硅勵(lì)磁在小型機(jī)組上的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越被人們所接受，但小型機(jī)組有著自身的且與大中型機(jī)組不同的特點(diǎn)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求及作用也不相同，運(yùn)行中暴露出了一些不足之處。就我們?cè)趯?shí)際運(yùn)行中所遇到的問(wèn)題，做了一些簡(jiǎn)要的理論分析，并提出一些改進(jìn)措施，以供同行參考。關(guān)鍵詞 可控硅勵(lì)磁系統(tǒng) 安全穩(wěn)定運(yùn)行近幾年來(lái)，小型水電站發(fā)展迅速，由于可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)以其所具備的功率大、調(diào)節(jié)靈敏迅速、體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在小型水電站中得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。但是小型水電站在電力系統(tǒng)中所占的地位和作用有著自身的特點(diǎn)，所以對(duì)它的要求與大中

2、型機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)也是不同的。一、小型水電站的運(yùn)行特點(diǎn)在電力系統(tǒng)中，大中型機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)維持電力系統(tǒng)的電壓水平以及提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性都起著極其重要的作用。而小型機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)在這方面的作用則不太明顯，它的作用主要表現(xiàn)在：（1）提高發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度，輸送一定比例的無(wú)功功率；（2）提高繼電保護(hù)裝置的可靠性；（3）限制發(fā)電機(jī)突然卸載時(shí)的電壓上升；（4）單機(jī)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)出口電壓。一般來(lái)說(shuō)，并網(wǎng)運(yùn)行的小型機(jī)組的出口電壓不會(huì)受本機(jī)組影響。小型機(jī)組的出口電壓只能由電網(wǎng)來(lái)決定，它的投入對(duì)電網(wǎng)電壓幾乎沒(méi)有影響，然而它的勵(lì)磁系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)部分往往會(huì)由于電網(wǎng)的變化而發(fā)出對(duì)機(jī)組運(yùn)行不利的信號(hào)。這種電壓波動(dòng)，在

3、10kw電網(wǎng)中，尤為突出和頻繁，并且電壓波動(dòng)幅度較大，而500kw以下的小型機(jī)組，幾乎都在10kw等級(jí)的電網(wǎng)上運(yùn)行，所以就使這類(lèi)問(wèn)題帶有相當(dāng)大的普遍性。另外，對(duì)于一些小型機(jī)組，尤其是在同一母線上并列運(yùn)行的幾臺(tái)機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)本身的運(yùn)行很不穩(wěn)定，再者對(duì)一些輸送線路較長(zhǎng)的電站，在負(fù)荷增減過(guò)程中，也同樣會(huì)造成機(jī)組出口電壓的變化，而使勵(lì)磁電流發(fā)生毫無(wú)意義的變動(dòng)。在以上幾種情況中，有的是小型機(jī)組運(yùn)行中所不可避免的?；谶@些情況，對(duì)小型機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)拋開(kāi)大中型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)及某些原理、要求而另作別論。針對(duì)小型機(jī)組的特點(diǎn)和運(yùn)行情況來(lái)解決它所存在的共同問(wèn)題，從而使小型機(jī)組的運(yùn)行更加穩(wěn)定。二、問(wèn)題的分析這

4、里我們就針對(duì)上面所提到的問(wèn)題做一些簡(jiǎn)單的理論分析，以期找出解決問(wèn)題的辦法。1、電網(wǎng)電壓變化對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的影響在一般的勵(lì)磁系統(tǒng)中，都設(shè)有電壓測(cè)量單元。測(cè)量單元一般由測(cè)量變壓器、整流橋、濾波回路、整定電位器及測(cè)量橋等幾部分組成，其作用主要是按比例地反應(yīng)發(fā)電機(jī)端電壓對(duì)給定值的偏差。當(dāng)出口電壓降低時(shí)，它就會(huì)給移相觸發(fā)單元輸出一個(gè)信號(hào)，增加勵(lì)磁電流，使出口電壓回升；反之則減小勵(lì)磁電流，降低出口電壓。但是，前面我們已經(jīng)談到，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，小型發(fā)電機(jī)的出口電壓不受本機(jī)組的影響,只與所并入的電網(wǎng)有關(guān)。也就是說(shuō)他本身的勵(lì)磁裝置在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后不會(huì)改變出口電壓，那么勵(lì)磁電流的減小只能降低發(fā)電機(jī)無(wú)功，甚至使機(jī)組進(jìn)入進(jìn)相

5、運(yùn)行狀態(tài),嚴(yán)重的可使發(fā)電機(jī)失步。反之，電網(wǎng)電壓降低，會(huì)使勵(lì)磁電流增大，嚴(yán)重的會(huì)造成發(fā)電機(jī)過(guò)流跳閘，這些現(xiàn)象已在某些電站運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)。雖然勵(lì)磁系統(tǒng)一般都有無(wú)功調(diào)差環(huán)節(jié)，但此環(huán)節(jié)只能反應(yīng)變化的無(wú)功電流，從而彌補(bǔ)一部分無(wú)功電流，但它不能完全消除無(wú)功電流的變化。從發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的向量圖我們可以看出（實(shí)線為變化前的向量， uf為出口電壓，i當(dāng)uf增加時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)將減小勵(lì)磁電流，則無(wú)功電流減小，功率因數(shù)角減小，由圖1可知，發(fā)電機(jī)激磁電勢(shì)eo減小，由圖2功角特性曲線可知,當(dāng)有功p不變時(shí), eo減小則功率角將增大，而越大，機(jī)組的穩(wěn)定度就越小，當(dāng)值超過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定極限后，轉(zhuǎn)子就失去同步，從而使機(jī)組解列。2幾臺(tái)機(jī)組

6、的并列運(yùn)行圖 3 發(fā)電機(jī)外特性有些發(fā)電機(jī)組，由于其勵(lì)磁裝置的問(wèn)題，造成發(fā)電機(jī)的外特性過(guò)硬，使發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流變化太大，或者使它們之間無(wú)功分配不合理，如圖3，1號(hào)發(fā)電機(jī)的外特性相對(duì)2號(hào)發(fā)電相較硬，它們?cè)诓⒘羞\(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)電壓稍有變化，即從u1變到u2時(shí)，或者系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷變化時(shí)，1號(hào)發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流則由iq1劇增到iq3，幾乎承擔(dān)了所有無(wú)功變化量，而2號(hào)發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流則由iq1變化至iq2，變化量很小，這樣兩臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)無(wú)功分配極不合理，1號(hào)機(jī)的穩(wěn)定性極差。另外，如果這兩臺(tái)發(fā)電機(jī)較之與系統(tǒng)中其它發(fā)電機(jī)的特性又是比較硬的，那么，它們?cè)谙到y(tǒng)并列運(yùn)行時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。而系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷隨時(shí)都

7、有在變化，而這種變化量靠大中型發(fā)電機(jī)來(lái)承擔(dān)則是很容易的事，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙到y(tǒng)中的作用是舉足輕重的。系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷主要由它們來(lái)調(diào)節(jié)，而小型發(fā)電機(jī)的作用主要是分擔(dān)系統(tǒng)的有功變化量，也就是調(diào)峰作用。再一個(gè)造成小型機(jī)組無(wú)功電流波動(dòng)的原因是發(fā)電機(jī)的制造工藝，如果它們的電壓波形不是理想的正弦波，或者與系統(tǒng)的波形略有差異，則造成周期性的無(wú)功電流波動(dòng)，這樣如果在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度滿足一定的條件下，就會(huì)使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無(wú)功震蕩，并且如果說(shuō)震蕩幅第2/4頁(yè) 度越來(lái)越大，最終會(huì)導(dǎo)致與系統(tǒng)解列。3增減負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題當(dāng)一個(gè)電站的出線很長(zhǎng)時(shí)，在增減負(fù)荷時(shí)線路的阻抗對(duì)發(fā)電機(jī)的出口電壓也會(huì)有很大的影響。如圖4所示，為一臺(tái)發(fā)電機(jī)與

8、系統(tǒng)并列運(yùn)行的示意圖。系統(tǒng)uuf-發(fā)電機(jī)出口電壓 u-系統(tǒng)電壓 ul-線路損耗電壓i-負(fù)荷電流 z-線路阻抗由圖可知：uf=u+ul 而ul=zi 則有uf=u+zi 因?yàn)閕是負(fù)荷p的函數(shù)i=f(p) 所以u(píng)f=u+zf(p) 由此可見(jiàn)發(fā)電機(jī)的出口電壓uf是負(fù)荷p的函數(shù)，p的變化會(huì)引起uf的變化，由于勵(lì)磁裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，最終會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流毫無(wú)意文的變化。三 對(duì)解決問(wèn)題的幾點(diǎn)看法針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)500kw以下小型機(jī)組的可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的要求應(yīng)與大中型機(jī)組不同，其作用應(yīng)為：1提高發(fā)電機(jī)輸送功率的能力。2輸送一定比例的無(wú)功負(fù)荷，控制角在功角特性曲線上的位置，使電機(jī)有一定的穩(wěn)定度。 3提高繼電保護(hù)裝

9、置的可靠性。4限制水輪發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)的電壓上升。5限制由于系統(tǒng)電壓變化而引起的無(wú)功電流變化。6單機(jī)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定出口電壓，能自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功負(fù)荷的變化。從長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，具備以上的勵(lì)磁系統(tǒng)可以使發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。減少無(wú)意義的跳閘故障，減輕運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)和機(jī)組的損耗，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和多發(fā)多供都起到了積極的作用?；谝陨蟿?lì)磁裝置的作用，對(duì)其應(yīng)有以下幾點(diǎn)要求：1在各種情況下，都有應(yīng)能提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流，保證有功功率和成比例的無(wú)功功率的穩(wěn)定輸送。2應(yīng)具有靈敏的調(diào)節(jié)度和足夠的調(diào)節(jié)范圍。3甩負(fù)荷后應(yīng)能可靠地限制電壓上升，以免危及發(fā)電機(jī)絕緣。4直供近區(qū)負(fù)荷單機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)自動(dòng)穩(wěn)定和限制出口電壓變化，和

10、提供足夠的無(wú)功電流。四、解決問(wèn)題的方法基于上述所作的理論分析和對(duì)小型機(jī)組可控硅勵(lì)磁提出的要求，要使機(jī)組在并網(wǎng)后，不受系統(tǒng)電壓波動(dòng)的干擾，必須穩(wěn)定移相觸發(fā)單元所接受的控制信號(hào)，使之不受系統(tǒng)的干擾，從而達(dá)到穩(wěn)定勵(lì)磁電流的目的。就我們的看法，針對(duì)小型機(jī)組，最簡(jiǎn)單的方法就是給觸發(fā)單元附加一個(gè)穩(wěn)定且可調(diào)的控制信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)的來(lái)源是穩(wěn)壓電源，并可通過(guò)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，但原有的測(cè)量、調(diào)差單元并不能去掉，因?yàn)椋海?）在起勵(lì)時(shí)，還需要它來(lái)穩(wěn)定出口電壓，避免起勵(lì)失敗或起勵(lì)過(guò)壓。（2）單機(jī)運(yùn)行時(shí)，要根據(jù)輸送電壓及無(wú)功的變化來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以滿足用戶需求。 為解決它們之間的相互影響，我們可采用數(shù)字電路中的“或”

11、門(mén)選擇器進(jìn)行控制，如圖5第3/4頁(yè) 所示，原理如下：圖5 可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)框圖（1）并網(wǎng)前，恒壓信號(hào)調(diào)節(jié)為0，“或”門(mén)選擇回路使其不起作用，只有測(cè)量單元控制觸發(fā)單元，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)電壓。（2）并網(wǎng)后，調(diào)節(jié)恒壓信號(hào)，使之超過(guò)測(cè)量單元信號(hào)值，測(cè)量單元信號(hào)被截止，不對(duì)觸發(fā)單元起作用。所有無(wú)功全部由恒壓信號(hào)控制。這樣，在并網(wǎng)后，無(wú)論系統(tǒng)電壓如何變化，由于恒壓信號(hào)不變，便可使勵(lì)磁電流保持穩(wěn)定，即使測(cè)量單元信號(hào)在隨系統(tǒng)電壓的變化而變化，但由于“或門(mén)”選擇單元的控制，使這種變化對(duì)觸動(dòng)發(fā)單元沒(méi)有影響，從而達(dá)到了穩(wěn)定勵(lì)磁電流和無(wú)功電流的目的。另外，在發(fā)電機(jī)事故跳閘及系統(tǒng)甩負(fù)荷后，如果勵(lì)磁電流不能迅速減小，就會(huì)使發(fā)電機(jī)電壓急劇上升，甚至于會(huì)危脅發(fā)電機(jī)定子絕緣。為了避免這種事況，我們可使恒壓信號(hào)受繼電保護(hù)控制，如圖5，在發(fā)電機(jī)事故跳閘或系統(tǒng)甩負(fù)荷時(shí)，訊速切除恒壓信號(hào)，減小勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)只受測(cè)量單元信號(hào)控制（切除恒壓信號(hào)后，測(cè)量單元信號(hào)靠“或”門(mén)回路自投入，控制觸發(fā)單元），穩(wěn)定發(fā)電機(jī)電壓，并可使繼電保護(hù)可靠動(dòng)作或維持直供負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行。在單機(jī)直供近區(qū)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流只受測(cè)量單元信號(hào)控制，它將隨出口電壓變化調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，穩(wěn)定出口電壓，但由于500kw以下機(jī)組帶負(fù)荷能力有限，受負(fù)荷變化影響較大，所以在