大中型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)設(shè)計

1、大中型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)設(shè)計、選型應(yīng)注意的問題作者：佚名文章來源：不詳點擊數(shù)：更新時間： 2008-9-24 11:26:37楊旭，劉立瑞，莫鈺英1.廣東省電力實驗研究所，廣東廣州 5106002.云浮發(fā)電廠，廣東云浮 527328自并勵靜止勵磁系統(tǒng)在性能上具有高勵磁電壓響應(yīng)速度，易實現(xiàn)高起始響應(yīng)性能，能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能等優(yōu)點。目前廣東省水電機組已基本上應(yīng)用了自并勵方式，火電有沙角B 廠的 350MW機組、沙角 C廠 660 MW機組采用了自并勵方式，即將投運的連州電廠125MW機組、韶關(guān) 8 號機 300 MW機組等機組都將應(yīng)用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。對于自并勵靜止勵磁系統(tǒng)在大中型汽輪

2、發(fā)電機組的引進、配套和使用，應(yīng)盡可能地發(fā)揮其優(yōu)點，以達到預(yù)期的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，同時應(yīng)在某些方面加以注意，以免帶來一些負面影響。本文就大中型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)的設(shè)計、選型應(yīng)注意的幾個問題提出一些意見和看法。1 自并勵方式自并勵靜止勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)裝置、功率整流裝置、發(fā)電機滅磁及過電壓保護裝置、起勵設(shè)備及勵磁操作設(shè)備等部分組成。其原理如圖1 所示。自并勵靜止勵磁方式與舊有的勵磁方式相比，具有以下幾方面的優(yōu)點。圖 1自并勵靜止勵磁方式原理簡圖1.1勵磁系統(tǒng)可靠性增強旋轉(zhuǎn)部分發(fā)生的事故在以往勵磁系統(tǒng)事故中占相當(dāng)大的一部分，但由于自并勵靜止勵磁方式取消了旋轉(zhuǎn)部件，大大減少了

3、事故隱患，可靠性明顯優(yōu)于交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，而且自并勵系統(tǒng)在設(shè)計中采用冗余結(jié)構(gòu)，故障元件可在線進行更換，有效地減少停機概率。該勵磁系統(tǒng)對運行、維護的要求相對較低。1.2電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定水平提高由于自并勵靜止勵磁系統(tǒng)響應(yīng)速度快，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性大大提高。自并勵方式保持發(fā) 電機端電壓不變，對單機無窮大系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限功率為：Pmax=VgVs/X e，(1)式中Vg- 機端電壓；Vs- 系統(tǒng)電壓；Ve- 發(fā)電機與系統(tǒng)的等值電抗。而常規(guī)系統(tǒng)在故障過程中只能保持發(fā)電機暫態(tài)電勢Eq不變，其極限功率為：Pmax=EqVs (Xe+Xd ) ，(2)式中Eq- 發(fā)電機 Q軸暫態(tài)電勢；Xd- 發(fā)電機

4、 D軸暫態(tài)電抗。根據(jù)公式 (1) 和(2) 計算得出 Pmax大于 Pmax，說明大大提高了靜態(tài)穩(wěn)定極限。對于可能引起的系統(tǒng)低頻震蕩，可采用先進的控制規(guī)律或配置PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器加以解決。發(fā)電機出口三相短路是自并勵靜止勵磁系統(tǒng)最不利的工況，此時機端電壓及整流電源電壓嚴重下降，即使故障切除時間很短，短路期間勵磁電流衰減不大，但在故障切除后機端電壓的恢復(fù)需一定的時間，自并勵系統(tǒng)的強勵能力有所下降。為解決這一問題，在系統(tǒng)設(shè)計中計算強勵倍數(shù)時，整流電源電壓按發(fā)電機額定電壓值的80%計算，即機端電壓為額定時強勵能力提高 25%，且目前大中型機組發(fā)電機出口均采用了封閉母線，發(fā)電機端三相短路可能性基本消除

5、。因此，自并勵系統(tǒng)強勵倍數(shù)高，電壓響應(yīng)速度快，再加上選擇先進的控制規(guī)律，能夠有效地提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。1.3減少發(fā)電機軸系扭振及機組投資自并勵靜止系統(tǒng)與三機勵磁系統(tǒng)相比，取消了主、副勵磁機，縮短了機組長度，減少了大軸聯(lián)接環(huán)節(jié)，因而縮短了軸系長度，提高了軸系穩(wěn)定性，同時降低廠房造價，減少機組投資。2 設(shè)計、選型中應(yīng)注意的問題大中型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)在設(shè)計、選型、調(diào)試、運行中需要注意以下問題，才能充分發(fā)揮其響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，真正提高機組、電網(wǎng)穩(wěn)定運行水平。2.1自并勵系統(tǒng)的應(yīng)用條件由于勵磁輸出受發(fā)電機端電壓的制約，在某些系統(tǒng)嚴重故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動較大的情況時不宜采用。它的應(yīng)用通

6、常取決于機組在系統(tǒng)中的地位、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負荷分布等因素。文獻1的研究表明：位于主網(wǎng)震蕩中心的發(fā)電機不宜采用該系統(tǒng)；位于負載中心或受端機組，因故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓恢復(fù)慢，影響強勵能力的發(fā)揮，導(dǎo)致功角振蕩加大或系統(tǒng)電壓過低導(dǎo)致電壓崩潰，亦不宜采用，所以應(yīng)考慮整個電網(wǎng)，大中型機組的勵磁方式不能單一化，需多種方式并存，共同搭配。設(shè)計規(guī)劃部門應(yīng)考慮電廠在系統(tǒng)中位置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負載特性等因素，根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定計算的結(jié)果科學(xué)地設(shè)計、選擇發(fā)電機勵磁方式。2.2勵磁變壓器的計算及選擇勵磁變壓器的計算和選擇應(yīng)考慮以下幾方面：a) 初期的勵磁變壓器多為油冷式或普通絕緣干式變壓器，隨著技術(shù)進步和價格的變化，現(xiàn)在已逐漸使用環(huán)

7、氧樹脂干式變壓器，一般采用空氣自然冷卻，不配外殼，戶內(nèi)使用，亦可根據(jù)實際情況加裝外殼，配置風(fēng)冷系統(tǒng)，同時需要設(shè)置溫控及溫顯系統(tǒng)，便于監(jiān)視變壓器的運行狀態(tài)。b) 為改善可控硅整流橋電壓波形，變壓器多采用三角形- 星形 (/Y) 接線，它的額定容量取決于勵磁系統(tǒng)應(yīng)提供的直流功率值，一次電壓與發(fā)電機端電壓相同，二次電壓由勵磁系統(tǒng)的頂值電壓所決定，同時應(yīng)考慮到在一次電壓為80%額定電壓值時仍能保證所需的頂值電壓值，提高系統(tǒng)的強勵能力。c) 由于勵磁變壓器的繞組間存在寄生電容，勵磁變壓器的電源投入或切除以及大氣過電壓均會在變壓器中產(chǎn)生過電壓，所以必須采取相應(yīng)措施來限制操作過電壓，目前的解決措施在一、二次

8、繞組間加隔離屏蔽層，在二次繞組接入對地電容、安裝過電壓吸收裝置等。d) 還需要考慮變壓器的阻抗電壓、過載能力、保護配置，尤其是過流保護，由于變壓器負載為可控硅整流橋及發(fā)電機轉(zhuǎn)子，直流側(cè)短路等效于勵磁變壓器二次繞組短路，對此故障保護方式有很多種，如采用快速熔斷器、快速過流檢測繼電器、在直流側(cè)串入扼流電抗、配置變壓器電流反時限或定時限保護。2.3發(fā)電機起勵問題a) 在發(fā)電機電壓建立前，勵磁變壓器不能提供勵磁電源，所以在系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮起勵回路及相應(yīng)設(shè)備。通常方式是首先利用起勵電源對發(fā)電機進行勵磁，待發(fā)電機電壓達到或大于10%時通過切換裝置自動退出起勵回路，轉(zhuǎn)換為勵磁變壓器提供勵磁電源，需要考慮設(shè)

9、置起勵電源會相應(yīng)增加廠用電源容量。b) 發(fā)電機第一次啟動及大修結(jié)束后，需要作發(fā)電機短路、空載實驗，并且需對勵磁系統(tǒng)做全面檢查，此時必須為自并勵系統(tǒng)提供一實驗電源，通常做法是從 380 V 廠用電源直接拉電纜至可控硅整流橋以提供整流電源，亦可在發(fā)電機升壓變壓器中取抽頭至勵磁變壓器高壓側(cè)以提供整流電源，但投資相對較大。在系統(tǒng)設(shè)計時需考慮到將來實驗時采取何種方案并做相應(yīng)準(zhǔn)備工作。2.4可控硅勵磁功率柜的選擇a) 勵磁功率整流橋的接線方式一般為全控或半控整流橋，較普遍采用可控硅全控橋。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大容量、高參數(shù)的勵磁功率柜相繼問世，其特點是在單個可控硅元件選擇上向大電流、高電壓方向發(fā)展

10、以簡化由過多的串、并聯(lián)元件組成的整流橋，據(jù)有關(guān)資料，單個可控硅元件的參數(shù)已達2 000 A/4 000 V，使得可控硅整流橋得以簡化，方便裝置檢修、運行，同時使各支路均流、均壓問題相對易解決。b) 可控硅勵磁功率柜中應(yīng)配置有交流過電壓保護裝置，據(jù)現(xiàn)場情況采用風(fēng)冷、水冷等不同的冷卻方式，并采取一定措施保證并聯(lián)整流柜均流系數(shù)達到要求。c) 為滿足并聯(lián)功率柜投入和切除操作需要，可在可控硅整流橋支路的交流側(cè)及直流側(cè)設(shè)置高絕緣水平刀閘或斷路器( 空氣開關(guān)多為 500 V 以下的低壓電器，易發(fā)生開關(guān)、整流柜事故) ?，F(xiàn)時較多的廠家產(chǎn)品中，通常將兩個甚至三個可控硅橋支路安裝在同一功率柜中，使得在實際運行中，

11、當(dāng)功率柜中一支路發(fā)生故障需退出并檢修時，因該柜其他支路、元件仍處于運行狀態(tài)，且位于發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁回路，運行、檢修人員較難進行有關(guān)檢修工作。只能將該故障支路所在的功率柜退出，一定程度上影響了機組運行。如果現(xiàn)場場地條件允許，應(yīng)盡量讓每個功率柜只安放一可控硅整流橋，方便功率柜的投入、切除操作，以利運行、檢修。2.5滅磁及過壓保護裝置的配置通常在發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路設(shè)置滅磁開關(guān)，配備相應(yīng)的線性或非線性滅磁電阻。轉(zhuǎn)子過壓保護裝置較多采用非線性電阻 ( 壓敏電阻 ) 來實現(xiàn)，這種方式較普遍采用。目前國內(nèi)外對滅磁及過壓保護裝置的配置有較多的形式及產(chǎn)品，并且均有一定的運行記錄，應(yīng)根據(jù)機組實際情況選用。2.6勵磁調(diào)節(jié)

12、器的選擇隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，勵磁控制已向數(shù)字化方向發(fā)展。數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器與老式的模擬調(diào)節(jié)器相比，在功能、可靠性等方面具有極大的優(yōu)勢。現(xiàn)時投運的新機組及舊機組改造都已選用微機勵磁調(diào)節(jié)器，并已取得很好的效果和豐富的經(jīng)驗。而且隨著勵磁控制規(guī)律中單變量向多變量、線性向非線性發(fā)展，使得勵磁調(diào)節(jié)器能夠在改善機組、電網(wǎng)穩(wěn)定性方面起到更大的作用。國內(nèi)廠家在勵磁控制方面走在世界前面，其中較為突出的產(chǎn)品是清華 大學(xué)的微機非線性勵磁調(diào)節(jié)器。2.7有關(guān)的技術(shù)條件和國家標(biāo)準(zhǔn)為更好地應(yīng)用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，原電力部于1998 年頒布了 DL/T 650-1998大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件，同時自并勵靜止勵磁系統(tǒng)還必須滿足 GB/T 7409-1997 同步電