三峽左岸電站機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)分析_張英概要

1、三峽左岸電站機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)分析張英,李天智（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市443133摘要:結(jié)合三峽電廠機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)試工作，介紹了三峽左岸電站勵(lì)磁系統(tǒng)的 組 成，為提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性所做的改進(jìn)，并對(duì)大型機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)的原理與功能 進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：三峽左岸電站；勵(lì)磁控制系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)組中圖分類號(hào)：TV734.4-WTV11A2-GD1V2錄0發(fā)電機(jī)滅雄及 過(guò)電壓 F保護(hù)裝置收稿日期：2006-12-08;修回日期：2007-03-07。400 V 111*、起制動(dòng)/7 按觸器。引言長(zhǎng)江三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程，其功能包括防洪、發(fā)電和航 運(yùn) 等。隨著三峽電站的投產(chǎn)發(fā)電，我國(guó)

2、將以三峽電站為核心，形成以北、中、南三大 送 電通道為主體，南北網(wǎng)間多點(diǎn)互聯(lián)、縱向通道聯(lián)系較為緊密的全國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)的基 本格 局。在這樣的互聯(lián)電網(wǎng)格局中，三峽電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性無(wú)疑將起著至關(guān)重要的作用。因此，如何保證三峽發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，減 少機(jī)組 運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是三峽發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)（包括調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)和其 他自動(dòng) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的關(guān)鍵。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1,本文分析和探 討 三峽左岸電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行方式和功能。1機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)概述三峽左岸電站安裝有14臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)配有一套勵(lì)磁系統(tǒng)

3、，包括勵(lì)磁 變壓器、整流功率柜、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、滅磁及過(guò)電壓保護(hù)裝置、起勵(lì)裝置、電氣制動(dòng)裝置 以及保護(hù)、測(cè)量和信號(hào)設(shè)備等。其原理接線如圖1所示2圖1三峽左岸電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線三峽左岸電站的14臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)均采用靜止可控硅自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁 功率電源由接于發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器T101提供。整流功率柜采用晶閘管整流裝置，晶閘管整流裝置采用三相全控橋式結(jié)線，整流橋并聯(lián)支路數(shù)為 5,各支路串聯(lián)元件數(shù)為1；晶閘管采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。勵(lì)磁變壓器T101第31卷第2期2007年4月20日Vo 1.31 No.2A pr.20,2007由3個(gè)單相環(huán)氧樹(shù)脂密封的干式變壓器組成，接線方式為Y,d11。滅磁電阻

4、采用 碳化硅非線性電阻。勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅整流橋的觸發(fā)脈沖由接于勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)的同 步變壓器T501和T502提供同步信號(hào)。電制動(dòng)勵(lì)磁功率電源由接于機(jī)組動(dòng)力盤U段上 的制動(dòng)變壓器T100提供。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為完全冗余的2套設(shè)備（每一套勵(lì) 磁調(diào)節(jié) 器都有自己獨(dú)立的I/O接口，可以完全獨(dú)立工作，現(xiàn)地操作時(shí)，可以通過(guò)自己的操作 面板進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。勵(lì)磁系統(tǒng)采用他勵(lì)起勵(lì)方式，起勵(lì)電源由接在動(dòng)力盤I段上的起勵(lì)變壓器T122提供3。為提高勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，三峽電站機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全冗余結(jié)構(gòu)。 從電流互感器TA1,TA2和電壓互感器TV1,TV2至調(diào)節(jié)通道，均采用雙系統(tǒng)，它們功 能相同，以熱備用方式運(yùn)

5、行，正常時(shí)主備兩系統(tǒng)均投入，同時(shí)接收輸入信號(hào)并產(chǎn)生操 作與調(diào)節(jié)指令，但僅工作通道的輸出指令有效。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制硬件采用可編程控制器s IM ADYN-D,編程軟件采用基于 UNIX系統(tǒng)下的STRUCG功能塊語(yǔ)言，調(diào)試程序?yàn)榛赪IN98/UNIX系統(tǒng)下的 舊S 軟件。滅磁方式采用正常停機(jī)時(shí)逆變滅磁，事故滅磁時(shí)直接跳磁場(chǎng)斷路器配合碳化硅 電阻移能滅磁，在磁場(chǎng)斷路器拒動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)交流滅磁開(kāi)關(guān)配合碳化硅電阻移能滅磁。 轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)采用晶閘管跨接器，勵(lì)磁控制和電氣制動(dòng)采用合一方式，最大限度地 節(jié)省了投資，減少了設(shè)備及占地面積，是一種經(jīng)濟(jì)、合理的模式4.5。2機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行方式2.1 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)（A

6、VR模式正常情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行在AVR模式下，勵(lì)磁系統(tǒng)的2套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是全冗余的，因此其AVR模塊也是完全冗余的，當(dāng)主用通道的調(diào)節(jié)模塊故障時(shí)，系統(tǒng)將 自動(dòng)切換至另一套調(diào)節(jié)器運(yùn)行；給定值包括發(fā)電機(jī)電壓給定值和其他可能的附加給定 值。這些信號(hào)之和與機(jī)端電壓實(shí)際值比較之后送入功率放大器。與有功電流或無(wú)功電流 成比例的信號(hào)可以疊加到定子電壓實(shí)際值上。放大后的差信號(hào)經(jīng)過(guò)最大值選擇器后加到 I控制器上。2.2 無(wú)功功率調(diào)節(jié)模式當(dāng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器選擇在自動(dòng)狀態(tài)，并且發(fā)電機(jī)已并網(wǎng)，無(wú)功功率調(diào)節(jié)器可以從監(jiān)控 系統(tǒng)啟動(dòng)。在無(wú)功功率控制方式下，對(duì)于無(wú)功功率給定值和實(shí)際值之間的偏差，在達(dá) 到無(wú)功功率上、下限值之前，發(fā)

7、電機(jī)電壓可以在90%110%的最大范圍內(nèi)變化?？?制 操作是通過(guò)向發(fā)電機(jī)電壓給定值發(fā)送增、減磁命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在無(wú)功功率控制方式下，無(wú)法通過(guò)外部按鈕改變發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓給定值，無(wú)功功 率給定值也只能通過(guò)增、減磁按鈕來(lái)改變。當(dāng)切回自動(dòng)模式 （AVR或手動(dòng)模式（勵(lì) 磁電流調(diào)節(jié)（ECR時(shí)，無(wú)功功率控制就會(huì)退出。如果機(jī)組空載，就會(huì)自動(dòng)切換到AVR模 式。自動(dòng)跟蹤功能實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式之間的無(wú)擾動(dòng)切換 刀。2.3 ECR模式正常情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在AVR模式下，而不是EC R模式。ECR模式只是 為在勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)試及緊急情況下設(shè)計(jì)的，這也是遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)不能選擇ECR模 式的原因。只有在以下2種情況下，系

8、統(tǒng)才會(huì)切換至ECR模式：1在現(xiàn)地控制方式下，手動(dòng)切換至EC R模式。2在遠(yuǎn)方控制方式下，當(dāng)主用通道的AVR模式發(fā)生故障，同時(shí)備用通道的調(diào)節(jié)器 有故障報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將緊急切換至EC R模式。在遠(yuǎn)方控制方式下，系統(tǒng)運(yùn)行在ECR模式時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流設(shè)定值來(lái)調(diào)整機(jī)端電壓，此時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)只能通過(guò)增、減指令來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁電流的設(shè)定，增、減指 令可以由監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由同步裝置自動(dòng)控制。在EC R模式下，勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)為:1空載運(yùn)行時(shí)：10%lfO lf 110%lfQ為空載勵(lì)磁電流；2負(fù)載運(yùn)行時(shí):10%lfN lf 110%lfN （為額定勵(lì)磁電流。如果想要通過(guò)輸入具體的勵(lì)磁電流設(shè)定值來(lái)調(diào)

9、整勵(lì)磁電流，則只能在調(diào)試模式下或在現(xiàn)地控制方式 下手動(dòng)給定勵(lì)磁電流設(shè)定值。手動(dòng)模式所有的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制功能均在 SIMADYN-D處理器模塊的軟件中實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)通道將勵(lì)磁電流控制在20%l fO-110%1 fN這一范圍內(nèi)的某一點(diǎn)上。女口果發(fā)電機(jī)沒(méi)有并網(wǎng)， 勵(lì)磁電流上限將被調(diào)低至如果并網(wǎng)，該上限又調(diào)回110%lfN。當(dāng)從自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式 時(shí)，立即將手動(dòng)通道電流的輸出設(shè)置成勵(lì)磁電流的實(shí)際值。允許在任何時(shí)候進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換。3機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)限制器功能勵(lì)磁系統(tǒng)限制器的主要作用是：當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在一些不穩(wěn)定的區(qū)域（深度進(jìn)相等，或 者機(jī)端母線發(fā)生 短路等故障，或者由于系統(tǒng)的波動(dòng)（系統(tǒng)電壓、頻率的變化造成機(jī)組

10、運(yùn)行工況很惡劣時(shí)，保護(hù)機(jī)組及主 變壓器的安全。發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行區(qū)見(jiàn)圖25o37水電站運(yùn)行與水庫(kù)調(diào)度技術(shù)交流會(huì)論文選張英，等三峽左岸電站機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)分析有功功率限制線IP低勵(lì)限制線-Q最小轉(zhuǎn)子電流限制線轉(zhuǎn)子電 限制鄉(xiāng)圖2發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行區(qū)及限制線勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)有下列限制器：過(guò)勵(lì)限制器、強(qiáng)勵(lì)限制器、低（欠勵(lì)限制器、定子電流限制器、V/f限 制器。3.1 過(guò)勵(lì)限制器當(dāng)有倒閘操作或者系統(tǒng)發(fā)生短路故障，以及系統(tǒng)電壓降低要求機(jī)組增加無(wú)功功率時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將增 加勵(lì)磁電流以維持機(jī)端電壓的恒定；若線電壓大幅度降低，如果電壓設(shè)定值沒(méi)有及時(shí)減小，或者主變的 變比（分接頭沒(méi)有調(diào)整到合適的位置時(shí)，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)載。過(guò)勵(lì)限

11、制器的作用就是在上述情況下，自動(dòng)限 制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，降低發(fā) 電機(jī)機(jī)端電壓。過(guò)勵(lì)限制器必須允許機(jī)組在限制設(shè)定值（正常允許電流值與強(qiáng)勵(lì)電流值之間設(shè)定范圍內(nèi)能正常運(yùn) 行，以保證機(jī)組在電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓短時(shí)下降時(shí)維持系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)勵(lì)磁電流時(shí)，過(guò)勵(lì)調(diào)節(jié)器啟動(dòng)；經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)之后，勵(lì)磁電流限制在正常范圍以內(nèi)， 過(guò)勵(lì)限制器即退出。過(guò)勵(lì)限制器的動(dòng)作曲線是一個(gè)反時(shí)限的動(dòng)作過(guò)程，其中，最大限制電流(強(qiáng)勵(lì)電流的設(shè)定值為2.0851 fN,ALSTOM機(jī)組的允許運(yùn)行 時(shí)間為10s (VGS 機(jī)組為20s最小限制電流的設(shè)定值可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，一般為110%l fN，限制線也可以設(shè)定得更小 些，過(guò)勵(lì)限制曲線見(jiàn)圖38嶺即

12、-6陋軻礴圖3過(guò)勵(lì)限制特性曲線3.2 強(qiáng)勵(lì)限制器勵(lì)磁電流由分流器印10進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)變送器U105/U106變換后將實(shí)際值送 入通道1-A100/通道2-A200的輸入模塊中。強(qiáng)勵(lì)電流的限值在正常工作及1個(gè)整流功率柜退出運(yùn)行時(shí)為2.0851 fN，當(dāng)2個(gè)整流功率柜退出運(yùn)行 時(shí)為1.151 fN，空載時(shí)為1.11 fOo 3.3低勵(lì)限制器低勵(lì)限制器的任務(wù)是限制無(wú)功功率，使機(jī)組在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)不超過(guò)如圖 4所示的限制曲線ABC,因?yàn)楫?dāng)機(jī)組超出了允許的運(yùn)行范圍時(shí)，失磁保護(hù)將動(dòng)作停機(jī)。為了保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行， 低勵(lì)限制器必須在機(jī)組超過(guò)限制區(qū)之前將定子電壓升高，以使機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)回到允許范圍內(nèi)有功功率 限制線-

13、定子電流限制線低勵(lì)、限制線乙?/A E./f.T 11最小轉(zhuǎn)子出點(diǎn)R曰生010-(?/+0轉(zhuǎn)子電流出生夕廠230圖4低勵(lì)限制特性曲線低勵(lì)限制特性曲線是可以調(diào)整的，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器允許以此曲線為模板進(jìn)行平移調(diào)整，這種調(diào)整必須與機(jī)組保護(hù)相配合才能最終起作用，即保護(hù)優(yōu)先。機(jī)組的進(jìn)相深度根本達(dá)不到設(shè)計(jì)的最大進(jìn)相點(diǎn)。從調(diào)試及運(yùn)行的情況看 ，在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為20kV的情況下，最大進(jìn) 相深度很難到150M var;在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為94%U N的情況下，最大進(jìn)相深度為130M var -140M var。限制特性的設(shè)置保存在軟件特性模型中，該模型將無(wú)功電流作為有功電流的函數(shù)，并輸出適當(dāng)?shù)臒o(wú)功電流值。特性曲線上與

14、有功電流相對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流與實(shí)測(cè)的無(wú)功電流之差被送進(jìn)比 例放大器。當(dāng)實(shí)際值下降低于特性曲線時(shí)，放大后的差動(dòng)信號(hào)導(dǎo)致勵(lì)磁電流增加。為了調(diào) 試方便，特性曲線按電感負(fù)載提供一個(gè)鏡像，這樣允許控制信號(hào)在2個(gè)方向動(dòng)作，并閉 鎖發(fā)電機(jī)的設(shè)定值被改變。3.4定子電流限制器勵(lì)磁系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)定子電流限制器在工作時(shí)，為了電網(wǎng)穩(wěn)定的需要，允許定子電流短時(shí)過(guò)流運(yùn) 行。對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)而言，定子電流限制器只能減少發(fā)電機(jī)電流的無(wú)功分量，對(duì)有功分量 則無(wú)能為力。當(dāng)發(fā)電機(jī)電流超過(guò)了限制區(qū)，如果此時(shí)機(jī)組在進(jìn)相運(yùn)行，則限制器動(dòng)作， 增加勵(lì)磁電流；如果此時(shí)機(jī)組在遲相運(yùn)行，則限制器動(dòng)作，減少勵(lì)磁電流。不管怎有功功肆樣，其結(jié)果都是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)

15、電流的無(wú)功分量，從而使382007,31(2發(fā)電機(jī)電流回到限制區(qū)以內(nèi)運(yùn)行。在功率因數(shù) CO s 附近(0%為調(diào)節(jié)死區(qū)， 當(dāng)發(fā)電機(jī)電流在這個(gè)區(qū)域內(nèi)超過(guò)了限制區(qū)時(shí)，限制器將不參與調(diào)節(jié)。之所以設(shè)置調(diào) 節(jié)死區(qū)，是因?yàn)槿绻拗破髟诖藚^(qū)域內(nèi)參與調(diào)節(jié)，將會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)電流在死區(qū)內(nèi)超過(guò)了限制區(qū)域時(shí)，將由調(diào)速器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)降低 發(fā)電機(jī)電流的有 功分量，使發(fā)電機(jī)電流回到限制區(qū)域內(nèi)。3.5 V /f限制器v/f限制器的目的是為了保護(hù)機(jī)組及與機(jī)組相連的變壓器。當(dāng)機(jī)組頻率降低時(shí)為了使機(jī)組的機(jī)端電壓 保持恒定，勵(lì)磁系統(tǒng)將會(huì)增加勵(lì)磁電流，此時(shí)，如果機(jī)組在低頻率的情況下使機(jī)端電壓保持在額定

16、值， 那么對(duì)機(jī)組及所有與機(jī)組相連的變壓器(尤其是主變壓器而言，將有可能出現(xiàn)過(guò)磁通現(xiàn)象，從而對(duì)機(jī)組及 變壓器造成損壞9。4結(jié)語(yǔ)隨著三峽左岸電站勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行異常情況和缺陷的不斷暴露，各項(xiàng)技術(shù)改造措施也將不斷完善，這 將進(jìn)一步確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也為今后右岸機(jī)組的投產(chǎn)發(fā)電積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)CU朱振青.勵(lì)磁控制與電力系統(tǒng)穩(wěn)定.北京:中國(guó)電力出版社,1994.2李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京:中國(guó)電力出版社，2002.3芻B科.SIL CO 5靜止勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁回路的計(jì)算和分析.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān) 測(cè)J,2002,26(2:17-18.4 陳湘勻，肖愛(ài)武,交流滅磁技術(shù),水電自動(dòng)化

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18、。E- mail :zha ng ying .c nAn alysis of Unit Excitati on C on trol System of Three Gorges Left Bank Hydropower Stati onZ H AN G Y ing 初 LI Tianz hi牖 T hree Go rg es Hy dr opow er P Ian 初 Y ichang 443133 初 China A bstract 奉 Ba sed on the debug ging of the excitatio n sy stem of the T hree G o rges Hy

19、dr opow er Pla nt 物 this paper intro duces theco mpo sitio n o f the ex citatio n sy stem o f the T hree G org es Left Ba nk Hy dropow er Station 物 and the improv eme nt o n the reliability o f the ex citation sy stem 初 T he principles and functions of large e xcitation co ntro I systems are also di

20、scussed 初 Key words 奉 T hree Go rg es Left Ba nk Hy dro pow er S ta tion 拴 ex citatio n co ntrol sy stem 拴 function（上接第25頁(yè)Desig n and Applicati on of Flood Forecast for Cascade Hydropower Stati ons in Yua nshui BasinLI Chunhong 1 初 WAN G Li 2牖 1 初 Na njing A utomatio n Resear ch Institute Nanjing 210003 初 China 腳據(jù) 2 初 Wuli ng Hydro po we r Developme nt Co Ltd 初 Cha ng sha 410004 初 Chi na 片亶A bstract 奉 A flo od forecast system is co