三峡左岸电站机组励磁控制系统分析张英概要.docx
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三峡左岸电站机组励磁控制系统分析张英概要
三峡左岸电站机组励磁控制系统分析
张 英,李天智
（三峡水力发电厂,湖北省宜昌市443133
摘要:
结合三峡电厂机组励磁系统的调试工作,介绍了三峡左岸电站励磁系统的组成,为提高励磁系统的可靠性所做的改进,并对大型机组励磁控制系统的原理与功能进行了探讨。
关键词:
三峡左岸电站;励磁控制系统;发电机组中图分类号:
TV734.4
收稿日期:
2006-12-08;修回日期:
2007-03-07。
0 引言
长江三峡工程是当今世界上最大的水利枢纽工程,其功能包括防洪、发电和航运等。
随着三峡电站的投产发电,我国将以三峡电站为核心,形成以北、中、南三大送电通道为主体,南北网间多点互联、纵向通道联系较为紧密的全国电网互联的基本格局。
在这样的互联电网格局中,三峡电站的安全稳定运行对于电力系统运行的稳定性无疑将起着至关重要的作用。
因此,如何保证三峡发电机组安全可靠运行,减少机组运行对电网的冲击,是三峡发电机组控制系统（包括调速系统、励磁系统和其他自动控制系
统设计与应用的关键。
同步发电机励磁系统是同
步发电机的一个重要组成部分,它直接影响发电机的运行特性[1],本文分析和探讨三峡左岸电站机组励磁系统的运行方式和功能。
1 机组励磁系统概述
三峡左岸电站安装有14台水轮发电机,每台发电机配有一套励磁系统,包括励磁变压器、整流功率柜、励磁调节器、灭磁及过电压保护装置、起励装置、电气制动装置以及保护、测量和信号设备等。
其原
理接线如图1所示[2]
。
图1 三峡左岸电站机组励磁系统原理接线
三峡左岸电站的14台水轮发电机均采用静止可控硅自并励励磁系统,励磁功率电源由接于发电
机机端的励磁变压器T101提供。
整流功率柜采用
晶闸管整流装置,晶闸管整流装置采用三相全控桥式结线,整流桥并联支路数为5,各支路串联元件数为1;晶闸管采用强迫风冷方式。
励磁变压器T101
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第31卷 第2期
2007年4月20日
Vol.31 No.2Apr.20,2007
由3个单相环氧树脂密封的干式变压器组成,接线方式为Y,d11。
灭磁电阻采用碳化硅非线性电阻。
励磁系统可控硅整流桥的触发脉冲由接于励磁变压器低压侧的同步变压器T501和T502提供同步信号。
电制动励磁功率电源由接于机组动力盘Ⅱ段上的制动变压器T100提供。
励磁调节器设计为完全冗余的2套设备（每一套励磁调节器都有自己独立的I/O接口,可以完全独立工作,现地操作时,可以通过自己的操作面板进行调节控制。
励磁系统采用他励起励方式,起励电源由接在动力盘Ⅰ段上的起励变压器T122提供[3]。
为提高励磁系统运行的可靠性,三峡电站机组励磁调节系统设计为全冗余结构。
从电流互感器TA1,TA2和电压互感器TV1,TV2至调节通道,均采用双系统,它们功能相同,以热备用方式运行,正常时主备两系统均投入,同时接收输入信号并产生操作与调节指令,但仅工作通道的输出指令有效。
励磁调节器控制硬件采用可编程控制器SIMADYN-D,编程软件采用基于UNIX系统下的STRUC-G功能块语言,调试程序为基于WIN98/UNIX系统下的IBS软件。
灭磁方式采用正常停机时逆变灭磁,事故灭磁时直接跳磁场断路器配合碳化硅电阻移能灭磁,在磁场断路器拒动时,启动交流灭磁开关配合碳化硅电阻移能灭磁。
转子过电压保护采用晶闸管跨接器,励磁控制和电气制动采用合一方式,最大限度地节省了投资,减少了设备及占地面积,是一种经济、合理的模式[4-5]。
2 机组励磁系统运行方式
2.1 自动电压调节（AVR模式
正常情况下,励磁系统自动运行在AVR模式下,励磁系统的2套励磁调节器是全冗余的,因此其AVR模块也是完全冗余的,当主用通道的调节模块故障时,系统将自动切换至另一套调节器运行;给定值包括发电机电压给定值和其他可能的附加给定值。
这些信号之和与机端电压实际值比较之后送入功率放大器。
与有功电流或无功电流成比例的信号可以叠加到定子电压实际值上。
放大后的差信号经过最大值选择器后加到Ⅰ控制器上[6]。
2.2 无功功率调节模式
当励磁调节器选择在自动状态,并且发电机已并网,无功功率调节器可以从监控系统启动。
在无功功率控制方式下,对于无功功率给定值和实际值之间的偏差,在达到无功功率上、下限值之前,发电机电压可以在90%~110%的最大范围内变化。
控制操作是通过向发电机电压给定值发送增、减磁命令来实现的。
在无功功率控制方式下,无法通过外部按钮改变发电机机端电压给定值,无功功率给定值也只能通过增、减磁按钮来改变。
当切回自动模式（AVR或手动模式（励磁电流调节（ECR时,无功功率控制就会退出。
如果机组空载,就会自动切换到AVR模式。
自动跟踪功能实现各种运行模式之间的无扰动切换[7]。
2.3 ECR模式
正常情况下,励磁系统工作在AVR模式下,而不是ECR模式。
ECR模式只是为在励磁系统调试及紧急情况下设计的,这也是远方计算机监控系统不能选择ECR模式的原因。
只有在以下2种情况下,系统才会切换至ECR模式:
1在现地控制方式下,手动切换至ECR模式。
2在远方控制方式下,当主用通道的AVR模式发生故障,同时备用通道的调节器有故障报警时,系统将紧急切换至ECR模式。
在远方控制方式下,系统运行在ECR模式时,系统通过调节励磁电流设定值来调整机端电压,此时,励磁系统只能通过增、减指令来进行励磁电流的设定,增、减指令可以由监控系统来实现,也可以由同步装置自动控制。
在ECR模式下,励磁电流的调节范围设计为:
1空载运行时:
10%If0≤If≤110%If0（If0为空载励磁电流;
2负载运行时:
10%IfN≤If≤110%IfN（IfN为额定励磁电流。
如果想要通过输入具体的励磁电流设定值来调整励磁电流,则只能在调试模式下或在现地控制方式下手动给定励磁电流设定值。
手动模式所有的开环和闭环控制功能均在SIMADYN-D处理器模块的软件中实现。
手动通道将励磁电流控制在20%If0~110%IfN这一范围内的某一点上。
如果发电机没有并网,励磁电流上限将被调低至110%If0;如果并网,该上限又调回110%IfN。
当从自动模式切换到手动模式时,立即将手动通道电流的输出设置成励磁电流的实际值。
允许在任何时候进行无扰动切换。
3 机组励磁系统限制器功能
励磁系统限制器的主要作用是:
当机组运行在一些不稳定的区域（深度进相等,或者机端母线发生短路等故障,或者由于系统的波动（系统电压、频率的变化造成机组运行工况很恶劣时,保护机组及主变压器的安全。
发电机安全运行区见图2[5]。
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水电站运行与水库调度技术交流会论文选 张 英,等 三峡左岸电站机组励磁控制系统分析
图2 发电机安全运行区及限制线
励磁系统设计有下列限制器:
过励限制器、强励限制器、低（欠励限制器、定子电流限制器、V/f限制器。
3.1 过励限制器
当有倒闸操作或者系统发生短路故障,以及系统电压降低要求机组增加无功功率时,励磁调节器将增加励磁电流以维持机端电压的恒定;若线电压大幅度降低,如果电压设定值没有及时减小,或者主变的变比（分接头没有调整到合适的位置时,将导致转子过载。
过励限制器的作用就是在上述情况下,自动限制发电机励磁电流,降低发电机机端电压。
过励限制器必须允许机组在限制设定值（正常允许电流值与强励电流值之间设定范围内能正常运行,以保证机组在电力系统出现电压短时下降时维持系统稳定。
当励磁电流If>110%IfN时,过励调节器启动;经过设定的延时之后,励磁电流限制在正常范围以内,过励限制器即退出。
过励限制器的动作曲线是一个反时限的动作过程,其中,最大限制电流（强励电流的设定值为2.085IfN,ALSTOM机组的允许运行时间为10s（VGS机组为20s;最小限制电流的设定值可以根据需要进行设定,一般为110%IfN,限制线也可以设定得更小些,过励限制曲
线见图3[8]
。
图3 过励限制特性曲线
3.2 强励限制器
励磁电流由分流器R110进行测量,通过变送器U105/U106变换后将实际值送入通道1-A100/
通道2-A200的输入模块中。
强励电流的限值在正常工作及1个整流功率柜退出运行时为2.085IfN,当2个整流功率柜退出运行时为1.15IfN,空载时为1.1If0。
3.3 低励限制器
低励限制器的任务是限制无功功率,使机组在进相运行时不超过如图4所示的限制曲线ABC,因为当机组超出了允许的运行范围时,失磁保护将动作停机。
为了保证机组的稳定运行,低励限制器必须在机组超过限制区之前将定子电压升高,以使机组运行点回到允许范围内
。
图4 低励限制特性曲线
低励限制特性曲线是可以调整的,励磁调节器允许以此曲线为模板进行平移调整,这种调整必须与机组保护相配合才能最终起作用,即保护优先。
机组的进相深度根本达不到设计的最大进相点。
从调试及运行的情况看,在发电机机端电压为20kV的情况下,最大进相深度很难到-150Mvar;在发电机机端电压为94%UN的情况下,最大进相深度为-130Mvar~-140Mvar。
限制特性的设置保存在软件特性模型中,该模型将无功电流作为有功电流的函数,并输出适当的无功电流值。
特性曲线上与有功电流相对应的无功电流与实测的无功电流之差被送进比例放大器。
当实际值下降低于特性曲线时,放大后的差动信号导致励磁电流增加。
为了调试方便,特性曲线按电感负载提供一个镜像,这样允许控制信号在2个方向动作,并闭锁发电机的设定值被改变。
3.4 定子电流限制器
励磁系统中的发电机定子电流限制器在工作时,为了电网稳定的需要,允许定子电流短时过流运行。
对励磁系统而言,定子电流限制器只能减少发电机电流的无功分量,对有功分量则无能为力。
当发电机电流超过了限制区,如果此时机组在进相运行,则限制器动作,增加励磁电流;如果此时机组在迟相运行,则限制器动作,减少励磁电流。
不管怎
样,其结果都是调节发电机电流的无功分量,从而使
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发电机电流回到限制区以内运行。
在功率因数cosφ=1附近（±10%为调节死区,当发电机电流在这个区域内超过了限制区时,限制器将不参与调节。
之所以设置调节死区,是因为如果限制器在此区域内参与调节,将会引起机组的振动,影响机组的稳定运行;当发电机电流在死区内超过了限制区域时,将由调速器来进行调节,通过降低发电机电流的有功分量,使发电机电流回到限制区域内。
3.5 V/f限制器
V/f限制器的目的是为了保护机组及与机组相连的变压器。
当机组频率降低时,为了使机组的机端电压保持恒定,励磁系统将会增加励磁电流,此时,如果机组在低频率的情况下使机端电压保持在额定值,那么对机组及所有与机组相连的变压器（尤其是主变压器而言,将有可能出现过磁通现象,从而对机组及变压器造成损坏[9]。
4 结语
随着三峡左岸电站励磁系统运行异常情况和缺陷的不断暴露,各项技术改造措施也将不断完善,这将进一步确保机组的安全稳定运行,也为今后右岸机组的投产发电积累宝贵的经验。
参考文献
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中国电力出版
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都:
成都科技大学出版社,1993.张 英（1981—,女,从事电厂运行工作。
E-mail:
zhangying@
AnalysisofUnitExcitationControlSystemofThreeGorgesLeftBankHydropowerStation
ZHANGYing牞LITianzhi
牗ThreeGorgesHydropowerPlant牞Yichang443133牞China牘
Abstract牶BasedonthedebuggingoftheexcitationsystemoftheThreeGorgesHydropowerPlant牞thispaperintroducesthe
compositionoftheexcitationsystemoftheThreeGorgesLeftBankHydropowerStation牞andtheimprovementonthereliabilityoftheexcitationsystem牣Theprinciplesandfunctionsoflargeexcitationcontrolsystemsarealsodiscussed牣Keywords牶ThreeGorgesLeftBankHydropowerStation牷excitationcontrolsystem牷function
（上接第25页
DesignandApplicationofFloodForecastforCascadeHydropowerStationsinYuanshuiBasin
LIChunhong1牞WANGLi2
牗1牣NanjingAutomationResearchInstitute牞Nanjing210003牞China牘牗2牣WulingHydropowerDevelopmentCoLtd牞Changsha410004牞China牘
Abstract牶AfloodforecastsystemisconstructedforthecascadehydropowerstationsintheYuanshuibasin牞andthecombined
operationoffloodforecastanddispatchingisrealizedat5hydropowerstationsinthebasin牣Thefloodforecastperiodisprolonged牞helpfultothecombinedeconomicoperationofthecascadehydropowerstations牣WiththeapplicationofadigitalhydrologicalmodeltothefloodforecastoftheYuanshuibasinsince2005牞theforecastprecisionisraisedtostandardA牞whichishelpfultofloodcontrol牣
Keywords牶cascadehydropowerstations牷floodforecastanddispatching牷combinedoperation牷digitalbasin
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