1、勵磁班技術(shù)培訓資料（一）葛洲壩水力發(fā)電廠技術(shù)培訓教材勵磁裝置原理講解與學習題庫陳小明 主編葛洲壩水力發(fā)電廠前言葛洲壩水力發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)，是我國較早投入運行的靜止可控硅勵磁系統(tǒng)，也是那個時代的新技術(shù)、新產(chǎn)品，因而許多教材和論文都對此進行分析和講解，使我們葛洲壩電廠的勵磁專業(yè)人員受益非淺。經(jīng)過近二十年的技術(shù)改造，葛洲壩電廠的勵磁裝置發(fā)生了較大的變化，以前的勵磁培訓教材和資料，已無法滿足電廠運行、檢修和維護人員的需要，因此，編寫一本反映當前勵磁設(shè)備和技術(shù)說明的培訓教材，尤為重要，并已經(jīng)成為我們勵磁專業(yè)技術(shù)人員的責任。葛洲壩電廠高級技師龔元生和工程師胡先洪，最先承擔起這一責任，他們在工作中將許多勵磁資

2、料一點一滴地輸入計算機，日積月累，形成較豐富的學習資料。本培訓教材主編，也就是在收集和整理這些資料后、才正式編著勵磁裝置原理講解與學習題庫。勵磁裝置原理講解與學習題庫共六章：第一章從勵磁裝置的任務(wù)講起，接著講解勵磁附加控制器（PSS）的原理，最后簡要介紹葛洲壩電廠勵磁設(shè)備概況；第二、第三和第四章，按照勵磁裝置的三大組成部分，分別介紹了葛洲壩電廠現(xiàn)有勵磁調(diào)節(jié)器、功率柜和滅磁柜的工作原理以及技術(shù)指標，是本書的講解重點。在這一章中，作者不僅深入的講解現(xiàn)場實際技術(shù)知識，還對一些現(xiàn)有技術(shù)問題進行分析，并提出一些改進建議；第五章介紹葛洲壩電廠勵磁操作系統(tǒng)的原理，建議讀者結(jié)合實際工作圖紙學習；第六章是勵磁專

3、業(yè)學習題庫，大約200多題，具有一定的實用價值，能幫助讀者復習和考試訓練。本培訓教材在講解勵磁原理過程中，簡要回顧了葛洲壩電廠投產(chǎn)發(fā)電時期的勵磁裝置及其原理，能使讀者了解葛洲壩電廠勵磁裝置技術(shù)改進的歷程，增加對新技術(shù)、新設(shè)備的認識。全書7萬5千多字，70多幅圖表，非常便于青年讀者學習勵磁系統(tǒng)的原理。本培訓教材第二、第三和第四章中的部分圖表，由龔元生提供，第五章主要由龔元生編寫，第六章主要由胡先洪提供，除此之外，都由陳小明編寫。限于作者的水平以及時間的關(guān)系，書中難免有疏漏、錯誤之處，敬請讀者不吝賜教。本培訓教材的編寫，至始至終得到了二江電廠領(lǐng)導的鼓勵和支持，程剛高級工程師更是多次與本主編進行交流

4、。葛洲壩電廠勵磁專家黃大可，邵顯鈞和胡先洪工程師對本培訓教材進行審核，朱必良高級工程師，曾笑鴻和鄒先明工程師以及張照林，徐偉華等勵磁同仁審閱了本培訓教材的部分章節(jié)，在此一并表示由衷的感謝。陳小明2001年2月10日目錄第一章 勵磁系統(tǒng)概述1.1 勵磁系統(tǒng)的任務(wù)1.2 勵磁附加控制器1.3 葛洲壩電廠勵磁系統(tǒng)概述第二章 MEC-31 多微機勵磁控制器2.1 勵磁調(diào)節(jié)器原理2.2 MEC-31多微機勵磁控制器概述2.3 MEC-31勵磁控制器的硬件配置2.4 MEC-31勵磁控制器軟件簡介 第三章 勵磁大功率整流裝置3.1 勵磁大功率柜概述3.2 勵磁大功率柜的技術(shù)特點3.3 勵磁大功率柜過電壓保

5、護 第四章 發(fā)電機滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護4.1 發(fā)電機滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護概述4.2 發(fā)電機滅磁的基本原理4.3 二江電廠滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置4.4 大江電廠滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置4.5 DM4開關(guān)配ZnO電阻滅磁系統(tǒng)的改進 第五章 葛洲壩電廠勵磁操作系統(tǒng)5.15.25.35.46.16.26.36.46.5 勵磁操作系統(tǒng)概述 勵磁直流操作系統(tǒng) 勵磁交流電源操作系統(tǒng) 勵磁系統(tǒng)的操作 填空題 選擇題 判斷題 畫圖題 問答題 第六章 勵磁專業(yè)題庫主要參考資料第一章 勵磁系統(tǒng)概述1.1 勵磁系統(tǒng)的任務(wù)同步發(fā)電機運行時，必須在勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個電流稱為勵磁電流，而供給電流的

6、整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。由于勵磁繞組又稱發(fā)電機轉(zhuǎn)子，故勵磁電流也叫轉(zhuǎn)子電流。在電力系統(tǒng)的運行中，同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)的無功功率主要來源之一，通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以改變發(fā)電機的無功功率，維持發(fā)電機端電壓。不論在系統(tǒng)正常運行還是故障情況下，同步發(fā)電機的直流勵磁電流都需要控制，因此勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分。勵磁系統(tǒng)的安全運行，不僅與發(fā)電機及其相聯(lián)的電力系統(tǒng)的運行經(jīng)濟指標密切相關(guān)，而且與發(fā)電機及電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性密切相關(guān)。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)有以下幾點：1 電壓控制在同步發(fā)電機空載運行中，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，勵磁電流產(chǎn)生的主磁通0切割0以及繞組系N匝定子繞組感應出頻率為f=pn/60的

7、三相基波電勢，其有效值E0同f，N,數(shù)k的關(guān)系：E0=4.44 fNk0這樣，改變勵磁電流If以改變主磁通0，空載電勢E0值也將改變，二者的關(guān)系就是發(fā)電機的空載特性E0=f(If)或發(fā)電機的磁化特性0=f(Ff)。在發(fā)電機空載狀態(tài)下，空載電勢E0就等于發(fā)電機端電壓Ut，改變勵磁電流也就改變發(fā)電機端電壓。完成電壓控制的設(shè)備是由勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁電源，發(fā)電機等組成，同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)框圖的一般形式如圖1-1所示。圖1-1 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)框圖在圖1-1中，虛線框內(nèi)是勵磁調(diào)節(jié)器的基本原理框圖。按照調(diào)節(jié)原理，一個控制調(diào)節(jié)裝置，至少要有三個環(huán)節(jié)或單元。第一是測量單元，它是一個負反饋環(huán)節(jié)；第二是給

8、定單元，它是調(diào)節(jié)中的參考點；第三是比較放大單元，它將測量值同參考值進行比較，并對比較結(jié)果的差值進行放大，從而輸出控制電壓Uk。這里的其他信號，是指調(diào)節(jié)器中的其他功能的作用信號，比如調(diào)差、勵磁電流限制、無功限制、PSS等。這里的勵磁電源是指可控硅整流裝置。對于一個勵磁控制系統(tǒng)來說，電壓控制就是維持發(fā)電機端電壓在設(shè)定位置。為實現(xiàn)這一目的，首先就要設(shè)定電壓，要有一個給定信號Ug，以便明確電壓控制值；其次要測量電壓，看發(fā)電機端電壓是多少，這里由發(fā)電機電壓互感器PT和調(diào)節(jié)器中的測量板組成，將Ut變?yōu)閁c；最后，由調(diào)節(jié)器比較給定值和測量值，當測量值小于給定值時，勵磁裝置增加勵磁電流If，使發(fā)電機端電壓上升

9、，當測量值大于給定值時，勵磁裝置減少If使發(fā)電機端電壓下降。2 無功分配在發(fā)電機負載運行時，根據(jù)所帶負載的性質(zhì)，空載電勢E0同發(fā)電機端電壓Ut的關(guān)系發(fā)生了變化。當發(fā)電機帶感性負載時，電樞反應具有去磁性質(zhì)，隨著負載的增加，Ut越來越小于E0，這時為了維持Ut不變，必須增大勵磁電流；當發(fā)電機帶容性負載時，電樞反應具有助磁性質(zhì)，隨著負載的增加，Ut越來越大于E0，同樣為了維持Ut不變，必須減少勵磁電流。在發(fā)電機并網(wǎng)運行時，系統(tǒng)母線電壓控制著發(fā)電機端電壓Ut，當調(diào)節(jié)勵磁電流If，使E0發(fā)生變化時，發(fā)電機的定子電流和功率因數(shù)也隨之變化，即發(fā)電機的無功功率隨If變化。同步發(fā)電機的V形曲線，就是反映了勵磁電

10、流同定子電流的關(guān)系。在這一關(guān)系中，功率因數(shù)等于1的勵磁電流稱為正常勵磁。當勵磁電流大于正常勵磁時，定子電流滯后于端電壓，功率因數(shù)滯后，發(fā)電機輸出滯后無功功率，這種狀態(tài)我們俗稱為發(fā)電機帶無功運行；當勵磁電流小于正常勵磁時，定子電流超前于端電壓，功率因數(shù)超前，發(fā)電機輸出超前無功功率，這種狀態(tài)我們俗稱為發(fā)電機進相運行。在發(fā)電廠中數(shù)臺發(fā)電機并網(wǎng)運行時，調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的勵磁電流，不僅會改變這臺機的無功，還要影響其他發(fā)電機的無功穩(wěn)定性。為此，勵磁系統(tǒng)分配并聯(lián)運行的發(fā)電機無功時，還要考慮其穩(wěn)定性和合理性，這就要求勵磁調(diào)節(jié)器具有調(diào)差功能。母線電壓水平及無功功率在機組之間的分配，取決于發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)特性即調(diào)差

11、特性Ut=f（Q），一般來說，發(fā)電機的調(diào)差特性是一條發(fā)電機端電壓Ut隨無功Q增加而下降的直線，見圖1-2的正調(diào)差系數(shù)K3，K0和K2分別表示零調(diào)差和負調(diào)差系數(shù)。0 Q 0 Q1 Q2 Q 圖1-2 勵磁調(diào)差特性 圖1-3 并聯(lián)運行機組調(diào)差特性如果勵磁調(diào)節(jié)器具有調(diào)差功能，則發(fā)電機總的調(diào)差系數(shù)是發(fā)電機（發(fā)變組）的自然調(diào)差系數(shù)與勵磁調(diào)差系數(shù)的代數(shù)和。由于自然調(diào)差系數(shù)不可變，故發(fā)電機的總調(diào)差系數(shù)由勵磁調(diào)差系數(shù)控制。若勵磁調(diào)差系數(shù)為零，比如退出調(diào)節(jié)器中的調(diào)差電路，則發(fā)電機的調(diào)差特性就是自然調(diào)差特性，其大小由發(fā)電機和變壓器的電磁參數(shù)決定，且變壓器參數(shù)起主導作用；若勵磁調(diào)差系數(shù)為負，如圖1-2中的直線K2所

12、示，則發(fā)電機調(diào)差特性就是發(fā)電機的自然調(diào)差系數(shù)減勵磁調(diào)差系數(shù)的差；若勵磁調(diào)差系數(shù)為正，如圖1-2中的直線K1所示，則發(fā)電機調(diào)差特性就是發(fā)電機的自然調(diào)差系數(shù)加勵磁調(diào)差系數(shù)的和。在這里之所以有加減之別，其目的是在控制勵磁調(diào)差系數(shù)大小情況下，保證發(fā)電機調(diào)差特性向下傾斜，因為只有具有正調(diào)差特性的發(fā)電機才能并聯(lián)運行。對于單元接線的發(fā)電機系統(tǒng)來說，若發(fā)變組的自然調(diào)差率很大，勵磁調(diào)差系數(shù)應選擇負，以補償無功電流在主變上的壓降；若發(fā)變組的自然調(diào)差率很小，勵磁調(diào)差系數(shù)應選擇正。對于擴大單元接線的發(fā)電機系統(tǒng)來說，由于發(fā)電機的自然調(diào)差率很小，為保證數(shù)臺發(fā)電機的并聯(lián)運行及其無功功率的均衡分配，發(fā)電機必須具有基本一致的正

13、調(diào)差特性，這就要求勵磁調(diào)差必須為正極性。圖1-3是兩臺發(fā)電機并入電網(wǎng)后，二者調(diào)差特性與無功分配關(guān)系，圖中Uto是兩臺發(fā)電機空載額定電壓，Us母線電壓，K1和K2是兩臺發(fā)電機各自的調(diào)差系數(shù)。這兩臺發(fā)電機并網(wǎng)后，調(diào)節(jié)勵磁電流，其K1和K2直線平行上下移動，所對應的無功Q1和Q2也隨之改變，并且相互不影響。我們知道，無論勵磁調(diào)節(jié)器是何種類型，其工作原理都是將反映發(fā)電機端電壓Ut的測量電壓Uc，與給定電壓Ug進行比較，從而得到發(fā)電機電壓偏差信號即控制電壓Uk。對于可控硅整流器來說，Uk經(jīng)移相器產(chǎn)生角變化的脈沖，以此改變整流橋輸出電壓，使發(fā)電機端電壓同給定電壓保持一致。如果在測量電壓Uc或者給定電壓Ug

14、上，再疊加一個反映發(fā)電機無功變化的附加量Uq，就能使控制電壓Uk和角產(chǎn)生變化，從而改變發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)特性。這個附加量就是勵磁調(diào)差起作用的量，也稱無功補償量，其極性直接影響勵磁調(diào)差極性。一般說來，給定為正信號，測量為負信號，圖1-4描述了這一過程的基本原理，虛線表示調(diào)差單元的輸出電平可以有兩種接入方式參與勵磁調(diào)節(jié)。Ug圖1-4 勵磁裝置調(diào)差原理圖如果將調(diào)節(jié)器中調(diào)差單元接入到給定單元上，當調(diào)差單元隨發(fā)電機+Q增加而輸出+Uq時，就會引起給定電壓Ug增加，控制電壓Uk增加，角減少，最終使得發(fā)電機端電壓Ut增加，此時的勵磁調(diào)差就是負調(diào)差。當調(diào)差單元隨+Q增加而輸出-Uq時，就會引起相反的結(jié)果，此時的

15、勵磁調(diào)差就是正調(diào)差。在圖1-2中，將給定電壓Ug和控制電壓Uk引入縱坐標，就能根據(jù)Ug=f（Q）和Uk=f（Q）來判斷勵磁調(diào)差極性。如果將調(diào)節(jié)器中調(diào)差單元接入到測量單元上，當調(diào)差單元隨發(fā)電機+Q增加而輸出+Uq時，就會引起測量電壓Uc減少，控制電壓Uk增加，角減少，最終使得發(fā)電機端電壓Ut增加，此時的勵磁調(diào)差就是負調(diào)差。當調(diào)差單元隨+Q增加而輸出-Uq時，就會引起相反的結(jié)果，此時的勵磁調(diào)差就是正調(diào)差。3 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性a 提高靜態(tài)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受小擾動之后，不發(fā)生自發(fā)振蕩和非周期失步，自動恢復到起始運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性高低，可以用輸電線路的輸送功率極限的大小來判

16、斷，這也是勵磁裝置常用的靜態(tài)穩(wěn)定性試驗方法。在單機-無窮大系統(tǒng)中，如果發(fā)電機沒有勵磁控制，則正常運行時，發(fā)電機的空載電勢E0保持不變，那么該系統(tǒng)的靜態(tài)極限為Pmax，其功率特性曲線見圖1-5中的曲線1。如果發(fā)電機具有常規(guī)勵磁，比如直流勵磁機或者交流勵磁機帶二極管整流的勵磁系統(tǒng)，則可保持發(fā)電機的暫態(tài)電勢Eq不變，因此有Pmax，其功率特性曲線見圖1-5中的曲線2。如果發(fā)電機配置高放大倍數(shù)的快速勵磁系統(tǒng)，比如采用運算放大器和可控硅整流器，并且勵磁調(diào)節(jié)器帶電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS或者采用最優(yōu)勵磁控制，則可接近保持發(fā)電機端電壓Ut不變，因此有Pmax，其功率特性曲線見圖1-5中的曲線3。粗約比較一下單機-

17、無窮大系統(tǒng)靜穩(wěn)極限，Pmax ：Pmax： Pmax=1：2：3，可見勵磁系統(tǒng)對于提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的作用非常明顯。特別是帶PSS或者采用最優(yōu)控制的快速勵磁系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性作用明顯。P Pmax= UtUc/XePmax= Eq Uc/(Xe+Xd)Pmax = E0Uc/(Xe+Xd)中：Uc為無窮大系統(tǒng)電壓Xd為d軸同步電抗Xd為d軸暫態(tài)電抗Xe為發(fā)電機至無窮大系統(tǒng)間的電抗圖1-5 調(diào)節(jié)勵磁對功率特性的影響b 提高動態(tài)穩(wěn)定性動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受小擾動之后，在自動調(diào)節(jié)裝置和附加控制的作用下，保持較長過程穩(wěn)定運行的能力（通常指不發(fā)生周期性振蕩失步）。由于影響動態(tài)穩(wěn)定性的主要

18、因數(shù)是電力系統(tǒng)的阻尼特性，因而常規(guī)勵磁系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性不起多大作用，但是，帶PSS的快速勵磁系統(tǒng)能夠阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，從而提高了電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。C 提高暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受大擾動后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的或者恢復到原來狀態(tài)運行的能力（通常指保持第一或第二個搖擺周期不失步）。由于影響暫態(tài)穩(wěn)定性的主要因數(shù)是系統(tǒng)中短路故障性質(zhì)、主保護的動作情況、重合閘動作成功與否，因而調(diào)節(jié)勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響沒有對靜態(tài)穩(wěn)定那么顯著。勵磁系統(tǒng)對于提高暫態(tài)穩(wěn)定而言，主要表現(xiàn)在快速勵磁和強勵的作用上。電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，由于控制輸入機械功率的常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)的動作太慢，主要靠

19、快速繼電保護切除故障，以減少加速面積；而故障切除后，快速勵磁和強勵可以增大發(fā)電機電勢，因而增大輸出的電磁功率，增大了制動面積，防止發(fā)電機搖擺角過度增大，以利于暫態(tài)穩(wěn)定性的提高。但是發(fā)電機勵磁回路具有較大的時間常數(shù)，即使是快速勵磁系統(tǒng)，也只能在故障后0.40.6S，使轉(zhuǎn)子達到最大磁通。由大量計算結(jié)果可知，故障后發(fā)電機擺到最大角度的時間往往只有0.50.6S，所以快速勵磁和強勵所能夠增加的制動面積是很有限的，其結(jié)果是只能稍許降低第一個振蕩周期的搖擺角度。4 有利于電力設(shè)備的運行在短路故障期間以及故障切除后，性能良好的勵磁控制系統(tǒng)可以盡量維持電力系統(tǒng)的電壓、加速電壓的恢復，從而改善了系統(tǒng)中電動機的運

20、行條件，有利于電力設(shè)備的運行。類似地，它改善了并列運行的同步發(fā)電機在失磁后轉(zhuǎn)入異步運行時電力系統(tǒng)的工作條件。此外，勵磁系統(tǒng)還可以提高帶時限的繼電保護裝置的工作靈敏性和動作準確性。1.2 勵磁附加控制器大型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)一般由三部分組成，其一是勵磁電源，如可控硅整流器；其二是滅磁和轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置；其三是勵磁控制部分，我們稱為勵磁調(diào)節(jié)器。由于勵磁調(diào)節(jié)器按照發(fā)電機端電壓偏差進行調(diào)節(jié)，我們也稱之為自動電壓調(diào)節(jié)器，它是勵磁主控制器。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器的調(diào)壓精度越來越高，勵磁電源的響應越來越快，于是電力系統(tǒng)低頻振蕩就時有發(fā)生，影響了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。人們在研究了電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的機理

21、之后，提出了在快速勵磁系統(tǒng)上增設(shè)勵磁附加控制器，構(gòu)成了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer）,簡稱PSS。由于PSS對抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定的效果，因而得到了廣泛的應用。隨著現(xiàn)代控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，微機勵磁調(diào)節(jié)器開始采用最優(yōu)勵磁控制（Optimal Excitation Controller）簡稱OEC，該技術(shù)融自動電壓調(diào)整同各種勵磁附加功能為一體，全面改善發(fā)電機端電壓調(diào)節(jié)精度和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，已取得一定成果。1 電力系統(tǒng)低頻振蕩在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機經(jīng)輸電線路并列運行時，在負荷突變等小擾動的作用下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間會發(fā)生相對搖擺，這時電力系統(tǒng)如果

22、缺乏必要的阻尼就會失去動態(tài)穩(wěn)定。由于電力系統(tǒng)的非線性特性，動態(tài)失穩(wěn)表現(xiàn)為發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的持續(xù)的振蕩，同時輸電線路上功率也發(fā)生相應的振蕩，影響了功率的正常輸送。由于這種持續(xù)振蕩的頻率很低，一般在0.22.5HZ之間，故稱為低頻振蕩。電力系統(tǒng)低頻振蕩在國內(nèi)外均有發(fā)生，通常出現(xiàn)在遠距離、重負荷輸電線路上，或者互聯(lián)系統(tǒng)的弱聯(lián)絡(luò)線上，在采用快速響應高放大倍數(shù)勵磁系統(tǒng)的條件下更容易出現(xiàn)。葛洲壩二江電廠建廠發(fā)電初期，曾多次發(fā)生低頻振蕩。近年來，在二江電廠同湖北恩施的聯(lián)絡(luò)線路上又出現(xiàn)低頻振蕩，又引起了人們的注意。一般認為，發(fā)生低頻振蕩的主要原因是，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中大容量發(fā)電機的標幺值電抗增大，造成了電氣距離的增

23、大，再加之遠距離重負荷輸電，造成系統(tǒng)對于機械模式（其頻率由等值發(fā)電機的機械慣性決定）的阻尼減少了；同時由于勵磁系統(tǒng)的滯后特性，使得發(fā)電機產(chǎn)生一個負的阻尼轉(zhuǎn)矩，導致低頻振蕩的發(fā)生。采用勵磁控制系統(tǒng)的附加控制構(gòu)成的PSS或其他方式，可以補償負的阻尼轉(zhuǎn)矩，抑制低頻振蕩。2 PSS原理簡介a 勵磁裝置的負阻尼作用所謂阻尼就是阻止擾動，平息振蕩，而負阻尼恰恰相反。勵磁裝置的負阻尼，是指勵磁裝置對于系統(tǒng)功角擺動所作出的調(diào)節(jié)作用，會加大這種擺動，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。并聯(lián)在電力系統(tǒng)中運行的同步發(fā)電機，其穩(wěn)定運行的必要充分條件是有正的阻尼轉(zhuǎn)矩和正的同步轉(zhuǎn)矩。阻尼轉(zhuǎn)矩MD為負時將會因為出現(xiàn)自發(fā)增幅振蕩而最終失去穩(wěn)定

24、，而當同步轉(zhuǎn)矩MS為負時，發(fā)電機將出現(xiàn)爬步失步。在同步發(fā)電機受到擾動，引起系統(tǒng)振蕩期間，電磁轉(zhuǎn)矩M、功角和角頻率都作周期性變化，故可以在坐標中表示M、MD和MS。MD同基本同相，MS同同相，二者之和就是和M，這就是說電磁轉(zhuǎn)矩既包含了同步轉(zhuǎn)矩分量又包含了阻尼轉(zhuǎn)矩分量。在不考慮勵磁裝置的負阻尼情況下，阻尼轉(zhuǎn)矩就是阻止發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速的一種轉(zhuǎn)矩，其作用力的方向總是指向阻止轉(zhuǎn)子偏離同步速度的方向，當轉(zhuǎn)速高于同步速度時，阻尼轉(zhuǎn)矩是制動的；當轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，阻尼轉(zhuǎn)矩卻是驅(qū)動的，正是這兩種作用，才使得振蕩衰減。阻尼轉(zhuǎn)矩包括兩種：一種是一般忽略不計的機械性阻尼，它反映了機械運動的慣性原理；另一種是發(fā)

25、電機轉(zhuǎn)子中阻尼繞組產(chǎn)生的阻尼，這種阻尼是在發(fā)電機轉(zhuǎn)速不同于同步轉(zhuǎn)速時，二者就在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生相對運動，阻尼繞組中就感應出一個轉(zhuǎn)差頻率的感應電流，并產(chǎn)生感應電動機那樣的轉(zhuǎn)矩，即阻尼轉(zhuǎn)矩。在單機-無窮大系統(tǒng)簡化線性模型的電磁轉(zhuǎn)矩矢量圖圖1-6中，MD1是不考慮調(diào)節(jié)器負阻尼情況下的阻尼轉(zhuǎn)矩，M1能抑制系統(tǒng)振蕩。在考慮勵磁裝置的負阻尼情況下，阻尼轉(zhuǎn)矩就有了正負之分。當勵磁裝置產(chǎn)生的負阻尼大于阻尼繞組產(chǎn)生的正阻尼時，阻尼轉(zhuǎn)矩就變成圖1-6中的MD2，M2則不能抑制系統(tǒng)振蕩。我們知道，自動電壓調(diào)節(jié)器按照發(fā)電機端電壓偏差Ut調(diào)節(jié)，當系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，的變化就會引起Ut變化，調(diào)節(jié)器就會依據(jù)Ut進行調(diào)節(jié)，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)

26、子繞組具有較大的時間常數(shù)，其勵磁輸出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對于輸入信號必然有一定的延時，正是這種延時才使勵磁裝置產(chǎn)生的負阻尼轉(zhuǎn)矩。當然，并不是所有勵磁裝置都產(chǎn)生負阻尼，理論和實踐都證明，在單機-無窮大系統(tǒng)的完整的線性模型，又稱Phillips-Heffron模型中，只有當參數(shù)K5為負時，阻尼轉(zhuǎn)矩才為負。在遠距離重負荷輸電的單機-無窮大系統(tǒng)中，由于K5可能變負值，并且由于高放大倍數(shù)快速響應勵磁系統(tǒng)的存在，可能導致系統(tǒng)中的阻尼為負，這時如果實際存在的發(fā)電機電氣的和機械的正阻尼較小，則該系統(tǒng)可能發(fā)生低頻振蕩。圖1-6 電磁轉(zhuǎn)矩矢量圖 圖1-7 PSS的附加電磁轉(zhuǎn)矩圖b PSS的基本原理在考慮勵磁裝置產(chǎn)生負阻

27、尼情況下，單機-無窮大系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩位于坐標的第四象限，因與轉(zhuǎn)速相位方向相反，它給系統(tǒng)提供的是負阻尼轉(zhuǎn)矩，如圖1-17中的M2。這時如果能提供一個位于第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩M3，則M2和M3的矢量和M4就可以在第一象限，此時的M4與轉(zhuǎn)速相位方向相同，它給系統(tǒng)提供具有正的同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，低頻振蕩將受到抑制。這個第一象限的附加電磁轉(zhuǎn)矩M3可以引進附加控制信號的PSS來獲得，這就是PSS的基本原理。PSS勵磁附加控制器，是一種附加反饋控制，即在勵磁調(diào)節(jié)器中，除了引入發(fā)電機端電壓作為主要控制信號外，再引入一個超前附加控制信號，作用于調(diào)節(jié)器，如圖1-1中的其他信號，改變勵磁輸出，使整個勵磁裝置產(chǎn)生正

28、阻尼轉(zhuǎn)矩，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。PSS一般由兩部分組成，第一部分是附加信號的檢測單元，常用的附加輸入信號有f和P，因為這兩種信號都可以采用電氣測量方法得到，實施比較簡單，且二者很容易轉(zhuǎn)換成和。為了保證PSS只在低頻振蕩發(fā)生時起作用，測量單元必須有一個低通濾過器和直流信號隔離環(huán)節(jié)，只讓低頻振蕩信號輸入。第二部分是附加信號放大和相位超前單元，合理選擇PSS的放大倍數(shù)和相位補償角，就能使PSS輸出一個超前于的附加控制電壓，該控制電壓通過調(diào)節(jié)器，改變勵磁控制電壓，最終達到勵磁裝置輸出正阻尼轉(zhuǎn)矩的目的。C PSS的應用效益和適應性PSS的應用效益主要有三個方面：第一是抑制低頻振蕩，許多試驗結(jié)果都證明，在系

29、統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時投PSS，經(jīng)過12個周波振蕩就完全平息了；第二是提高靜穩(wěn)定的功率極限，具有PSS附加功能的調(diào)節(jié)器，可采用較大電壓放大倍數(shù)，提高電壓調(diào)節(jié)精度，維持發(fā)電機端電壓Ut不變，使單機-無窮大系統(tǒng)的靜穩(wěn)極限接近線路的功率極限；第三是有利于暫態(tài)穩(wěn)定,能夠在一定頻率范圍內(nèi)提供正阻尼，抑制大擾動第一搖擺之后的后續(xù)振蕩，縮短后續(xù)搖擺過程。1985年葛洲壩二江電廠低頻振蕩抑制試驗，可以使線路輸送能力提高20%，能有效平息低頻振蕩。在單機-無窮大系統(tǒng)中應用PSS的適應性問題有兩面性：一方面，由于PSS參數(shù)是在某個低頻振蕩頻率設(shè)計和整定的，當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，PSS不可能在所有的運行方式下都具有最好的

30、應用效果；另一方面，不論運行方式怎么變，低頻振蕩頻率范圍都在0.22.5HZ之內(nèi)，PSS總會有一定的阻尼補償作用，決不會惡化系統(tǒng)的阻尼，因此PSS具有一定的適應性。至于在多機電力系統(tǒng)中，首先要解決PSS最佳安裝地點和PSS參數(shù)的協(xié)調(diào)整定問題，否則，即使所有機組都裝設(shè)PSS，在一定條件下仍會出現(xiàn)低頻振蕩。3 阻尼單元原理簡介葛洲壩二江電廠發(fā)電初期，低頻振蕩時有發(fā)生，嚴重的影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。針對這種情況，葛洲壩電廠聯(lián)合華中理工大學共同研究新型勵磁附加控制器阻尼單元。這是一種以發(fā)電機端電壓偏差Ut作為附加控制信號的“PSS”，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，試驗結(jié)果較好。阻尼單元在葛洲壩電廠大部分機組上投運

31、過，后來因葛洲壩大江電廠發(fā)電，葛洲壩電廠的系統(tǒng)主接線發(fā)生了很大變化，再加之該單元有時運行不穩(wěn)定，于是又都退出了運行。分析阻尼單元的工作原理，同樣要涉及到增益高、速度快的勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生負阻尼轉(zhuǎn)矩問題：同步發(fā)電機受到擾動，其功角會產(chǎn)生搖擺。當增大時，發(fā)電機端電壓Ut要下降，勵磁裝置又不讓Ut下降，就去增加勵磁電流。由于轉(zhuǎn)子回路的慣性時間常數(shù)較大，勵磁電流的增長滯后的變化，這樣當減少時，勵磁裝置雖然也發(fā)出減少勵磁電流的信號，但勵磁電流有可能仍在增加，造成減少過度，即回擺幅度增大，這就助長了的搖擺，對此，我們就說勵磁裝置產(chǎn)生負阻尼轉(zhuǎn)矩。很顯然，要利用調(diào)節(jié)器中的Ut作為附加控制信號，只需將Ut進行低通濾波

32、和相位超前即可。正是如此，整個阻尼單元只用了兩個運算放大器，一個組成低通過濾器，另一個組成微分電路。前者只讓0.22.5HZ低頻振蕩的Ut進入阻尼單元，使其盡量減少對調(diào)節(jié)器正常工作的影響；后者將以進入阻尼單元的Ut進行微分，使其輸出信號的相位超前輸入信號90度，這個角度可以補償轉(zhuǎn)子回路的延時，從而使勵磁裝置輸出正阻尼轉(zhuǎn)矩。4 最優(yōu)勵磁控制器簡介盡管勵磁附加控制器對抑制低頻振蕩、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有著明顯的作用，但是也存在適應性較差，現(xiàn)場調(diào)試麻煩，對提高暫態(tài)穩(wěn)定作用甚微以及在多機系統(tǒng)中應用協(xié)調(diào)困難等缺點。為解決這些問題，進一步提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性并改善其動態(tài)品質(zhì)，國內(nèi)外學者對勵磁控制規(guī)律進行了大量

33、的研究。先是線性最優(yōu)控制理論被引入電力系統(tǒng)，研究開發(fā)出線性最優(yōu)勵磁控制器（Linear Optimal Excitation Controller）簡稱LOEC，目前，葛洲壩電廠使用的MEC型多微機勵磁控制器，就是采用LOEC技術(shù)。近年來，非線性控制系統(tǒng)的微分幾何結(jié)構(gòu)理論又被引入勵磁控制規(guī)律，研究出非線性勵磁控制器（Nonlinear Excitation Controller）簡稱NEC，也在一定范圍內(nèi)得到使用。a線性最優(yōu)勵磁控制原理最優(yōu)控制理論是設(shè)計最優(yōu)控制系統(tǒng)，使其性能指標最優(yōu)的理論和方法，它是現(xiàn)代控制理論一個重要組成部分。在單機-無窮大系統(tǒng)中，最優(yōu)勵磁控制系統(tǒng)的設(shè)計目標是使系統(tǒng)的狀態(tài)偏

34、差連同控制量一起達到最小，這就意味著系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、阻尼轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將同時得到改善。線性最優(yōu)勵磁控制，以提高系統(tǒng)調(diào)壓精度，靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定為目標，將非線性的電力系統(tǒng)簡化為線性模型，采用計算機技術(shù)，使其規(guī)定的性能指標達到最佳。在一個完整的單機-無窮大系統(tǒng)中，全部變量有六個，即Pe、Eq、Ut、Uf。一個系統(tǒng)的狀態(tài)變量的選取，應當是那些重要的、獨立的、對性能指標影響較大的、易于測量的變量。對于采用勵磁機勵磁的發(fā)電機一般采用Pe、Ut、Uf四個變量，對于采用可控硅靜止勵磁的發(fā)電機一般采用Pe、Ut三個變量。通過這些采用二次型性能指標，解黎卡梯方程，便可求出最優(yōu)控制向量。變量得到狀態(tài)方程X=AX+

35、BX，在這個最優(yōu)控制向量里，有相對Pe、Ut、Uf四個變量的最優(yōu)控制參數(shù)：功率反饋增益KP、角速度反饋增益K、端電壓反饋增益KV、勵磁電壓反饋增益KUf?？傊?，最優(yōu)勵磁控制理論與技術(shù)和采用常規(guī)調(diào)節(jié)器相比，主要有以下兩點革新：第一，將單參量輔助反饋Ut改進為多參數(shù)反饋(反饋量為電壓Ut，功率Pe，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子電壓Uf)；第二，運用“線性、二次型、黎卡梯”(LQR)這一成熟的控制方法，求得多個反饋量之間的最恰當放大倍數(shù)匹配關(guān)系，因而實現(xiàn)“最優(yōu)化控制”。常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器對電壓偏差Ut進行比例、積分、微分控制，簡稱PID調(diào)節(jié)。比例就是對電壓偏差按比例放大；積分是對微小偏差進行累計求和，以達到消除這些偏差，

36、提高調(diào) 10壓精度；微分將動態(tài)的輸入信號相位超前，使調(diào)節(jié)器能作出快速的反應。盡管該微分電路提供的超前相位，也會減少（即補償）勵磁電流的滯后相位，因而在一定程度上補償負阻尼轉(zhuǎn)矩。但是，PID是針對電壓信號而設(shè)計的，它產(chǎn)生超前相位頻率與低頻振蕩的頻率不一定相同，它也不能兼顧電壓性能與阻尼的要求，按電壓進行PID控制的勵磁系統(tǒng)對于抑制低頻振蕩的作用是有限的。PID勵磁控制調(diào)節(jié)規(guī)律可以用比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD和電壓偏差U=-（KP+KI+KD）Ut。對照線性最優(yōu)勵磁控制規(guī)律表達式：U=-（KPPe +KUt來表達：+KVUt）,不難發(fā)現(xiàn)，線性最優(yōu)勵磁控制不僅對電壓偏差進行調(diào)節(jié)，還對功

37、率和角速度偏差進行調(diào)節(jié)，其目的是既要達到常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器的電壓調(diào)節(jié)要求，又要達到附加勵磁控制器抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。b非線性最優(yōu)勵磁控制原理理論和試驗都證明，線性最優(yōu)勵磁控制，能有效的提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定性，但對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定作用甚微。目前我國電網(wǎng)，低頻振蕩和小干擾穩(wěn)定性的改善固然重要，但更具重要意義的是要提高其暫態(tài)穩(wěn)定水平，為此迫切需要發(fā)展直接按多機系統(tǒng)、精確非線性模型設(shè)計的最優(yōu)勵磁控制器。在過去的十年里，國際上基于微分幾何方法的非線性系統(tǒng)控制理論有了較系統(tǒng)的發(fā)展，美國將其用于如飛行器和機器人等控制系統(tǒng)。在我國，科研人員將其用于復雜電力系統(tǒng)，并發(fā)展了這種理論，使我國在該前沿

38、學科領(lǐng)域占有國際上一席之地。非線性勵磁控制器，首先用非線性微分方程式來描述發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)，接著使用非線性控制系統(tǒng)的微分幾何結(jié)果理論，通過坐標變換將發(fā)電機非線性勵磁控制系統(tǒng)變換成完全可控的線性系統(tǒng)，從而得到非線性勵磁控制規(guī)律。非線性勵磁控制器一般使用、Pe和Ut四個變量，其控制規(guī)律有以下特點：第一，其中僅含有受控發(fā)電機可測的狀態(tài)變量，所以實現(xiàn)了真正的分散控制；第二，僅含有受控機組本身的參數(shù)如Td0等，故對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化有完全的自適應能力(魯棒性)；第三，由于在求解該控制律中，未對模型作近似線性處理，該控制規(guī)律對“小干擾”和“大干擾”同樣適用；第四，該控制規(guī)律對一類二次型性能指標是最優(yōu)。應著重

39、指出，非線性勵磁控制規(guī)律采用發(fā)電機全狀態(tài)量非線性最優(yōu)反饋，這對電力系統(tǒng)的大小干擾都起著鎮(zhèn)定(Stabilizing)作用。從這個意義上可以說它是：全狀態(tài)量非線性最優(yōu)的PSS(Power System Stabilizer)。動模試驗證明，發(fā)電機非線性勵磁控制器，不僅可顯著的改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時還達到了較高的電壓調(diào)壓精度的要求。發(fā)電機非線性勵磁控制器，在暫態(tài)過程中對電壓調(diào)節(jié)的質(zhì)量是任何其他勵磁控制方式所不可比擬的。1.3 葛洲壩電廠勵磁系統(tǒng)概述葛洲壩電廠由二江電廠和大江電廠組成，其中二江電廠裝機7臺，其主要銘牌參數(shù)見表1-1，大江電廠裝機21臺，其主要銘牌參數(shù)見表1-2。葛洲壩電廠勵磁系統(tǒng)1

40、F19F采用交流側(cè)串聯(lián)自復勵靜止可控硅勵磁方式，20F21F采用自并勵靜止可控硅勵磁方式。整流電路即功率柜為可控硅三相全控橋電路，且多柜并聯(lián)。大部分調(diào)節(jié)器采用葛洲壩電廠能達公司生產(chǎn)的MEC多微機勵磁控制器。滅磁電阻使用非線性電阻（氧化鋅和炭化硅電阻），其滅磁方式為滅磁開關(guān)配合非線性電阻滅磁，發(fā)電機轉(zhuǎn)子過壓保護也是用非線性電阻來吸收。表1-3是二江電廠勵磁系統(tǒng)主要設(shè)備配置一覽表，表1-4是大江電廠勵磁調(diào)節(jié)器配置表，表1-5比較了大江電廠各類勵磁調(diào)節(jié)器性能，表1-6是大江電廠功率柜配置表，表1-7是大江電廠滅磁系統(tǒng)配置表。從上可見，大江電廠勵磁系統(tǒng)較二江電廠配置復雜，設(shè)備種類較多。表1-1二江電廠

41、發(fā)電機銘牌參數(shù)表 參 數(shù) 名 稱單位 1114F型 式容 量額定功率額定電壓額定電流額定功率因數(shù)額定勵磁電流額定勵磁電壓轉(zhuǎn)子電阻（75） 空載勵磁電流縱軸電抗（Xd） 縱軸瞬變電抗（Xd） 縱軸超瞬變電抗（X/d） 短路比轉(zhuǎn)子磁極對數(shù) 對極定子槽數(shù) 槽接線方式額定頻率勵磁方式 靜止可控硅自復勵 靜止可控硅自復勵 接地方式 消弧線圈 消弧線圈 生產(chǎn)廠家 東方電機廠 哈爾濱電機廠表1-2 大江電廠發(fā)電機銘牌參數(shù)表機組號 8F11F、16F19F12F14F、20F21F型 式容 量額定功率額定電壓額定電流額定功率因數(shù)額定勵磁電流額定勵磁電壓轉(zhuǎn)子電阻（75） 空載勵磁電流接線方式額定頻率勵磁方式(2

42、0F、21F除外靜止可控硅自復勵 靜止可控硅自復勵 接地方式 消弧線圈 消弧線圈 生產(chǎn)廠家 哈爾濱電機廠 東方電機廠表1-3 二江電廠勵磁系統(tǒng)主要設(shè)備配置一覽表調(diào)節(jié)器整流柜并聯(lián)變 SG 2400/13.8串聯(lián)變 CDT-800/15單相3臺滅磁系統(tǒng) DM4-2500/08 364片 ZnO主接線 交流側(cè)串聯(lián)自復勵大機3柜小機2柜ZSG2400/13.8CDT-1000/15單相 3臺DM4-1600/08 348片 ZnO交流側(cè)串聯(lián)自復勵表1-4 大江電廠勵磁調(diào)節(jié)器配置表調(diào)節(jié)器型號 DLS15A LT-06B制造廠家 東方電機廠 洪山電工廠類型 模擬式 模擬式結(jié)構(gòu) 雙通道 雙通道 雙通道 雙通

43、道 三通道功能 不全 較全 全 全使用機組 15F模擬式南自院 數(shù)字式 SJ-820 MEC-31能達公司數(shù)字式10F全、21F11F 其余機組表1-5 大江電廠勵磁調(diào)節(jié)器性能比較表調(diào)節(jié)器型號 調(diào)節(jié)方式 無功補償 強勵限制 無功進相限制 PT斷線保護 U/F限制 無功過載限制 轉(zhuǎn)子過壓抑制 同步斷線保護 風壓檢測 脈沖檢測 掉相檢測 風機開閉檢測 整流橋?qū)z測跨接器過流保護整流變過流保護整流橋過流保護整流橋溫度保護轉(zhuǎn)子溫度模擬 轉(zhuǎn)子接地檢測有 有 有 有 有 有 有 有 無 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有有 有 有 無 無 無 無 無 無 無 無 無 無 無 無 無 無 無有 有

44、 有 有 有 有 無 無 無 有 有 無 無 無 無 無 無 無 無有 有 有 有 有 有 無 有 無 有 無 無 無 無 無 無 無 無 無線性最優(yōu) 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 無 無 無 無 無 無 無 無 無表1-6 大江電廠勵磁整流柜配置表整流柜型號 DLS15A STR-1600A制造廠家 東方廠 能達串聯(lián)元件2只 1只并聯(lián)元件5只 2只 4只 5只通風結(jié)構(gòu) 單柜抽風 整體風道 整體風道 單柜抽風保護功能 使用機組較全、15F較全、14F很全、21F較全其余機組1只哈爾濱廠 2只 KZF-3表1-7 大江電廠滅磁系統(tǒng)配置表 滅磁開關(guān)型號 制造廠家 滅磁方式 過壓保護方式

45、使用范圍 單斷口+SiC三斷口+SiC DM4-1600 立新開關(guān)廠 雙斷口+ZnO 跨接器、14F 跨接器、21F 跨接器+ZnO 其余機組1 葛洲壩電廠勵磁方式勵磁方式，就是指勵磁電源的不同類型。一般分為三種：直流勵磁機方式、交流勵磁機方式、靜止勵磁方式。靜止勵磁方式是指采用半導體整流的勵磁方式，又分為自并勵和自復勵，常用的自復勵有交流側(cè)串聯(lián)和直流側(cè)并聯(lián)兩種，具體分類如下：1-8和圖1-9Y UCB SCR ZB 圖1-8 陽極電源基本接線 圖1-9 可控硅陽極電壓相量圖 由接線圖及相量圖可知:UY=UZB+UCB=Ut/KZB+jItXu而： Ud1.35UYCOS式中： U Y可控硅整

46、流橋陽極電壓； KZB整流變變比；UZB并聯(lián)變壓器二次側(cè)電壓； It發(fā)電機定子電流；UCB串聯(lián)變壓器二次側(cè)電壓； Ut發(fā)電機定子電壓；Xu串聯(lián)變互感抗； Ud整流橋輸出電壓。因此，交流側(cè)串聯(lián)型自復勵的可控硅陽極電壓，不僅反映了發(fā)電機機端電壓的水平，而 14且也同時反映了發(fā)電機實際負載情況，其整流輸出電壓不僅與陽極電壓和控制角有關(guān)，而且也與機組工況密切相關(guān)。特別是，當發(fā)電機機端發(fā)生三相短路，盡管機端電壓下降了，造成UZB變小，但短路電流的上升，卻使UCB變大，其結(jié)果可以維持較高的可控硅整流橋陽極電壓U Y，從而保證勵磁裝置的強勵能力。葛洲壩電廠采用交流側(cè)串聯(lián)型自復勵勵磁方式，是基于設(shè)計時的系統(tǒng)結(jié)

47、構(gòu)和設(shè)備制造水平，并考慮下面兩個原因：第一，當系統(tǒng)發(fā)生短路時，機端電壓下降，勵磁強勵能力受到影響。特別是機端三相短路而又長時間未被切除，自并勵方式不能保證強勵。第二，如果上述原因造成短路電流迅速衰減，帶時限的繼電保護裝置可能會拒動。隨著勵磁技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電設(shè)備制造水平的提高，特別是發(fā)電機封閉母線的使用，新建的大中型發(fā)電廠都采用自并勵勵磁方式。葛洲壩大江電廠20F21F也在這種背景下采用了自并勵勵磁方式。二江電廠整流變和串聯(lián)變壓器的參數(shù)見表1-8。對于三相可控硅整流電路來說，由于串聯(lián)變壓器的存在，使得陽極回路的總電抗增大，從而造成換相缺口大，過電壓很高。過高的換相電壓，使轉(zhuǎn)子電壓和陽極電壓的過電

48、壓毛刺尖峰極高，最高峰峰值高達4000V，不僅損害電氣設(shè)備的絕緣，還加重可控硅阻容保護的負擔，這一切都使得勵磁系統(tǒng)主回路設(shè)備極易損壞。按照目前葛洲壩電廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護水平，在適當?shù)臅r候取消串聯(lián)變壓器是可能的。表1-8 整流變、串聯(lián)變主要技術(shù)參數(shù)型 號 容 量 高 壓 側(cè)電 壓2一3 3一4 4一5高壓側(cè)電流(一次側(cè)) 低壓側(cè)電壓(二次側(cè)) 低壓側(cè)電流(二次側(cè)) 強勵電流一次 強勵電流二次 絕緣等級 相 數(shù) 冷卻方式 制造廠整 流 變 ZSG2400/13.8ZSG2000/13.8串 聯(lián) 變31000KVA 正常一次側(cè)電壓29V 正常一次側(cè)電壓80V接線方式一一一一12三相 三相 三相

49、三相 空氣自冷 沈陽變壓器廠空氣自冷 沈陽變壓器廠空氣自冷 沈陽變壓器廠空氣自冷 沈陽變壓器廠2 葛洲壩電廠功率柜原理葛洲壩電廠勵磁整流柜即功率柜，全部采用可控硅三相全控橋電路，其接線特點是六個橋臂元件全都采用可控硅管，共陰極組的可控硅元件及共陽極組的可控硅元件都要靠觸發(fā)換流。它既可工作于整流狀態(tài)，將交流變成直流；也可工作于逆變狀態(tài)，將直流變成交流。正是因為有逆變狀態(tài)，勵磁裝置在正常停機滅磁時，就不需要跳滅磁開關(guān)，可以大大減輕了滅磁裝置的工作負擔。三相全控橋整流電路原理接線見圖1-10，這里，六個可控硅按+A、-C、+B、-A、+C、-B順序輪流配對導通，在一個360度周期內(nèi)，每個可控硅導通1

50、20度。KRD是快速熔斷器，起保護可控硅的作用。RC是可控硅阻容保護，主要吸收可控硅換相時的過電壓，可限制可控硅兩端的電壓上升率，有效防止誤導通。運行實踐表明，RC對勵磁系統(tǒng)過電壓毛刺的影響最大，選擇合理的參數(shù)非常重要。YGK表示三相電源刀閘或電動開關(guān)，由于功率柜都是先切脈沖后跳開關(guān)，再加上使用電動開關(guān)后的維護工作量較大，現(xiàn)在一般都使用刀閘。目前，二江電廠功率柜都使用刀閘，大江電廠大功率柜也是使用刀閘，只有原來的功率柜使用的是開關(guān)，運行情況很不好。ZDK表示直流輸出刀閘。國內(nèi)生產(chǎn)的功率柜都裝有輸入輸出刀閘，而國外幾乎都不裝設(shè)，比如大江電廠20F21F功率柜。其原因一方面我國勵磁規(guī)程講究功率柜故

51、障后的退柜運行，另一方面是國產(chǎn)功率柜的質(zhì)量較差，故障率較高。FL和A表示檢測電流的分流器和直流電流表，所謂分流器就是一個大電流低阻值的分流電阻，當規(guī)定的額定電流通過時，它產(chǎn)生75毫伏的電壓，該電壓驅(qū)動相應的電壓表滿量程。圖1-10是葛洲壩電廠大功率柜的原理接線，它沒有裝設(shè)電抗器。電抗器的作用主要是限制通過可控硅的電流上升率，可降低可控硅的換流過電壓。另外，在多個功率柜并聯(lián)的情況下，電抗器還可改善功率柜的均流，即讓每個功率柜的輸出盡量保持一樣。正是由于大功率柜沒有使用電抗器，其均流情況不好，且可控硅的RC阻容負擔較重，電阻功率過載，溫度很高?；谶@種分析，大功率柜阻容保護的參數(shù)要不同于常規(guī)設(shè)計，

52、要滿足安全、合理、有效的要求，目前，二江電廠正在進行大功率柜阻容參數(shù)的試驗和改造，也在探討功率柜采用集中式過電壓保護的技術(shù)問題。在圖1-10中，整流輸出電壓Ud（平均電壓）同陽極電壓Uy（線電壓有效值）和控制角的關(guān)系式：Ud=1.35 UyCOS，這里的范圍一般是20120度。整流電流的平均值Id同陽極線電流有效值Iy的關(guān)系式：Iy=0.817Id。值得注意的是，電流關(guān)系的這種表達式，只在全控橋外接大電感和大電容負載情況下存立，比如發(fā)電機轉(zhuǎn)子負載。對于全控橋帶電阻負載，電流表達式還與有關(guān)系。葛洲壩電廠功率柜的冷卻方式都是強迫風冷，二江電廠采用專用風道將熱風吸出來并排向廠房外，冷卻效果好且非常方

53、便功率柜的除塵，其缺點是將廠房內(nèi)的空氣排向廠房外，使整個廠房內(nèi)的空調(diào)效果變差；大江電廠功率柜采用盤頂風機，單獨的冷卻效果并不好，但同盤后冷風機結(jié)合后，冷卻效果好；大江電廠大功率柜采用專用風道將熱風吹出來并排向廠房內(nèi)，冷卻效果也好。大江電廠功率柜非常不方便除塵清灰，加大了維護工作量。從上可見，采用二江電廠功率柜專用風道結(jié)構(gòu)再配上大江電廠勵磁盤后的冷風機，這才是一種理想的功率柜冷卻方式。大江電廠功率柜配置情況見表1-6，二江電廠功率柜配置情況見表1-9。表1-9 二江電廠功率柜配置情況一覽表機組號 整流柜型號 可控硅型號1F1650/42003F1650/4200KGLF1600/800KPX16

54、50/42007F 串并支路 可控硅總數(shù) 3并只 2并只 2并只IdYGK圖1-10 三相全控整流橋原理接線圖3 葛洲壩電廠滅磁回路葛洲壩電廠勵磁裝置滅磁回路，在發(fā)電機投產(chǎn)發(fā)電前期，經(jīng)歷了較大的技術(shù)改進和設(shè)備換型，從最初的開關(guān)滅磁，到線性電阻放電滅磁，再到目前的非線性電阻滅磁，幾乎所有滅磁方式都在葛洲壩電廠實施過。由于勵磁裝置的滅磁主要考慮的是安全、快速的吸收轉(zhuǎn)子能量，因而滅磁方式的分類是按吸收能量的器件來劃分的。下面對葛洲壩電廠所經(jīng)歷的滅磁方式進行歸納總結(jié)：正常停機：逆變滅磁，目前仍在使用。滅磁 開關(guān)滅磁：DM2滅磁開關(guān)，以前使用過。事故停機 線性電阻滅磁：大功率電阻，以前使用過。ZnO電阻

55、：我廠多數(shù)機組使用。SiC電阻：我廠少數(shù)機組使用。 值得說明的是，盡管在目前的滅磁回路也有DM4型滅磁開關(guān)，但是其作用不同于開關(guān)滅磁中的DM2，它不能單獨滅磁，只有配合非線性電阻放電滅磁才能保證安全。對于不同的滅磁開關(guān)，一般按照是否吸收能量，以及滅弧柵結(jié)構(gòu)來分類：耗能型：一般采用短弧原理滅弧柵，如DM2型滅磁開關(guān)。滅磁開關(guān) 采用短弧原理滅弧柵，如DMX型滅磁開關(guān)。移能型采用長弧原理滅弧柵，如DM4型滅磁開關(guān)。葛洲壩電廠勵磁裝置主要采用DM4型滅磁開關(guān)轉(zhuǎn)移能量，ZnO非線性電阻吸收能量的方式滅磁。葛洲壩電廠勵磁裝置回路設(shè)備較多，按功能劃分，主要有四類：一是滅磁設(shè)備，包括滅磁開關(guān)，滅磁電阻等，在發(fā)

56、電機轉(zhuǎn)子一次回路主接線原理圖1-11中，是FMK、ZP、Rf、ZTC和RZ；二是轉(zhuǎn)子過電壓保護設(shè)備，包括跨接器，非線性電阻等，如圖1-11中的RD1、RD2、Rf 1和Rf 2；三是起勵設(shè)備，包括起勵接觸器、起勵二極管等，如圖1-11中的QLC、Z；四是轉(zhuǎn)子回路測量設(shè)備，包括分流器、電流表、保險器、電壓表等，如圖1-11中的FL、A、RD+、RD-、V。在圖1-11中，當發(fā)電機發(fā)生電氣事故需要快速滅磁時，滅磁開關(guān)在繼電保護的作用下，迅速斷開發(fā)電機磁場回路，并使轉(zhuǎn)子兩端產(chǎn)生較高的反電勢。在此反電勢作用下，高能氧化 17鋅閥片開通并轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)子儲存的磁場能量，使發(fā)電機快速滅磁。正常運行情況下，若發(fā)電機

57、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)異常過電壓時，并聯(lián)于轉(zhuǎn)子回路的非線性電阻動作，吸收轉(zhuǎn)子的過電壓，從而避免轉(zhuǎn)子遭受過電壓的侵害。圖1-11中各設(shè)備的主要作用如下：圖1-11 發(fā)電機轉(zhuǎn)子一次回路主接線原理圖FMK：發(fā)電機滅磁開關(guān)。在發(fā)電機事故狀態(tài)下斷開發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定反向電壓，使非線性電阻閥片導通，并以此吸收發(fā)電機轉(zhuǎn)子能量。Rf、ZP：發(fā)電機滅磁電阻和正向阻斷二級管。Rf是ZnO非線性電阻，起限制轉(zhuǎn)子電壓和吸收轉(zhuǎn)子磁場能量作用；ZP的作用是降低Rf在正常運行時的正向電壓，即降低Rf的正向荷電率，延緩Rf 的老化過程。Rf1、Rf2：發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護電阻，也是氧化鋅非線性電阻，其作用是吸收轉(zhuǎn)子異常尖峰過壓，保護轉(zhuǎn)子免遭過電壓侵害。它們各自串有一只反時限熔斷器，其目的是防止氧化鋅非線性電阻在運行中因性能劣化而出現(xiàn)短路情況。ZTC、Rz：發(fā)電機轉(zhuǎn)子保護電阻裝置，在發(fā)電機跳FMK滅磁后期投入，消除轉(zhuǎn)子剩余能量，主要是阻尼繞組的能量。QLC、Z：發(fā)電機起勵裝置。其作用是給發(fā)電機提供初始起勵電流，