發電機勵磁系統強勵功能分析與核算

吳跨宇，陳新琪，孫維真，王 超，樓伯良

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江電力調度控制中心，杭州 310007）

0 引言

勵磁系統強勵是發電機并網運行時因遭受較大擾動（如線路短路故障）導致發電廠高壓母線和發電機機端電壓大幅降低時，勵磁調節器快速控制功率整流橋全開放以輸出最大勵磁電流的特殊運行方式。發電機強勵可以在系統電壓跌落后通過大量輸出無功功率來迅速抬升發電機機端電壓和主變高壓側母線電壓，對保證發電機有功功率送出以提高電力系統暫態穩定性、維持系統電壓水平并在故障切除后加快母線電壓的恢復速度以提高電力系統電壓穩定性有重要作用，同時也為繼電保護裝置正確判斷并切除故障提供條件[1]。

隨著全國聯網的逐步推進，特大型交直流互聯電網需要考慮的系統問題越來越多。其中，由于快速微機勵磁系統的大量應用而得到改善的機組暫態穩定問題也再度引起重視。如果大型機組由于線路故障而暫態失穩進入失步運行，則由于其有功功率和無功功率的大幅波動，將給系統帶來非常不利的影響，甚至可能引發系統振蕩和其他不良聯鎖反應。因此，通過核查工作來檢查確認各發電機組實際具有的強勵能力，比對標準規定對不符合要求的機組進行整改來確保所有機組都具有滿足標準要求的強勵能力，對保障大電網系統運行的穩定性具有積極意義。

1 強勵的要求與限制因素

1.1 標準中有關強勵的要求

強勵電壓和電流用于表征勵磁系統的強勵能力，電壓響應時間和標稱響應用于表征勵磁系統強勵的動態性能，即發生電壓跌落后，勵磁系統輸出強勵電壓的速度。

國家標準[2]規定勵磁頂值電壓倍數（即強勵電壓倍數），應根據電網情況及發電機在電網中的地位確定。強勵電壓的一般要求可以概括為：采用自并勵勵磁的汽輪發電機為2.25倍，采用勵磁機勵磁的汽輪發電機為2倍，采用自并勵勵磁的水輪發電機為2～2.5倍。而強勵電流的一般要求概括為汽輪發電機2倍10 s，水輪發電機2倍20 s。

1.2 強勵能力的限制因素

忽略運行和故障工況影響，勵磁系統的強勵電壓倍數主要由勵磁變二次側電壓或勵磁機定子電壓決定。強勵電流的大小主要取決于強勵電壓和勵磁主回路設備的過電流能力。在系統暫態過程中，較高的強勵電壓對暫態穩定有利，但是過高的強勵電壓會帶來以下問題：

（1）強勵電壓高，意味著整流橋交流側電壓高，而發電機轉子繞組實際承受的勵磁電壓需要考慮的換相尖峰電壓一般應按1.5～2倍的交流電壓峰值考慮，過高的整流橋交流側電壓將使轉子繞組承受的暫態尖峰電壓接近甚至超過其允許耐壓值。標準[2]規定，當勵磁電流小于1.1倍額定值時，勵磁繞組兩端所加的整流電壓最大瞬時值應不大于規定的勵磁繞組出廠試驗電壓幅值的30%。

（2）三相可控整流橋交直流電壓關系式為[3]：

式中：UE為整流橋輸出直流電壓；Uppt2為額定勵磁變二次電壓；α為觸發角。

由式（1）可見，在控制觸發角精度確定時，提高整流橋交流側電壓將同比增加勵磁電壓控制步長，勵磁電壓控制步長增大，會使發電機運行平穩性下降。

（3）強勵電壓倍數高，對勵磁變、勵磁機的容量和絕緣水平要求更高，提高強勵電壓倍數相應也提高了整流橋交流側阻容吸收回路和可控硅及其阻容保護等主回路相關元器件的耐壓水平、容量要求。

（4）自并勵勵磁系統一旦出現發電機空載誤強勵，較高的強勵電壓使發電機具有更大的磁場儲能，要求滅磁電阻有更大的能容量。同時，過高的反向誤強勵電壓增加了滅磁過程中的換流難度，從而對滅磁開關的弧壓提出更高的要求。

因此，在滿足標準要求的前提下，應根據實際情況確定合理的強勵電壓、電流倍數，而不宜單從提高勵磁系統強勵水平和電力系統穩定的角度一味追求過高的強勵能力。

2 強勵功能分析核算

2.1 發電機轉子過電流能力

發電機本體安全是勵磁系統和繼電保護的控制、限制和保護功能的主要出發點。因此，強勵核算首先應考慮發電機轉子繞組的過電流和過負荷能力。

標準[4]規定的發電機轉子過電流能力按式（2）定義：

式中：C為發熱常數；If為勵磁電流；Ifn為額定勵磁電流，電流的取值按額定勵磁電流為基值標幺化；T為過流熱積累時間。

由式（2）可見，轉子繞組過負荷一般以熱積累常數形式表達，其參數一般可在發電機技術規范書中找到，如果廠家沒有提供，則在核算過程中推薦采用典型熱積累常數33.75或2.09倍10 s作為參考值。

同時，標準[2]規定，勵磁系統頂值電流應不超過2倍額定勵磁電流。

2.2 勵磁系統強勵能力

2.2.1 勵磁功率柜輸出能力

強勵電壓和強勵電流大小主要受到勵磁系統主回路的耐壓和通流能力的影響。這里的主回路主要是指自并勵和有刷勵磁機勵磁的大功率整流橋、無刷勵磁系統的旋轉整流二極管。

根據標準[2]要求，功率整流裝置退出運行一個柜或一個并聯支路后，應具有完全的強勵能力和1.1倍額定勵磁電流的連續運行能力。

在設計選型階段，強勵能力核算還應考慮整流元件與快熔的配合，滅磁開關的電流連續運行和短時過流能力。

2.2.2 勵磁變輸出能力

在采用自并勵勵磁或主勵磁機的勵磁電源來自機端勵磁變壓器的勵磁方式中，勵磁系統可控整流橋由機端勵磁變供電，整流橋的允許運行電壓和電流在滿足強勵電壓和強勵電流要求后，勵磁系統實際強勵能力由勵磁變決定。

勵磁變容量應滿足1.1倍額定勵磁電流下長期運行，在計算勵磁變容量要求時還應考慮整流柜元件和外接電纜等的壓降、諧波損耗、換相過程的損耗等，勵磁變在勵磁系統強勵時具有的短時容量應滿足發電機和勵磁系統的強勵電流和持續時間要求。

2.2.3 頂值限制與過勵限制及其參數設定

勵磁系統過勵限制（Over Excitation Limit，OEL）是為保護發電機轉子繞組過電流后的熱積累導致繞組溫度過高而設立。即將勵磁電流限制到額定勵磁電流或長期允許運行勵磁電流，正確的過勵限制反時限計算方法應該與發電機轉子過電流公式一致，從而正確反映熱積累的過程。

發電機機端電壓突然大幅下降后，勵磁系統將輸出最大勵磁電壓即強勵頂值電壓。假設轉子繞組直流電阻不受溫度影響，由于勵磁電壓為直流量，因此不受限制的勵磁電流最終將增長到勵磁電壓倍數同樣的值。以圖1中曲線為例，如果強勵頂值電壓不超過2倍，則強勵電流穩定保持與強勵電壓同樣的倍數，頂值限制不動作，對應圖1中情況一。如果強勵頂值電壓超過2倍，則勵磁電流亦將超過2倍，勵磁系統中的頂值限制應在勵磁電流增長到2倍時瞬時動作，降低勵磁電壓，控制勵磁電流持續在2倍額定勵磁電流運行，對應圖1中情況二。而在強勵的整個過程中，發電機轉子繞組過勵限制始終在正常工作，當勵磁電流因頂值限制而達到2倍穩定強勵后，經過反時限的延時（例如10 s）或勵磁電流未達到頂值，但是熱積累同樣達到OEL設定值，則OEL動作并降低勵磁電壓將勵磁電流限制到額定勵磁電流或允許長期運行勵磁電流值（例如1.05Ifn），勵磁系統正常完成強勵過程。

勵磁系統瞬時動作的頂值限制、反時限動作的過勵限制和反時限的轉子過負荷或勵磁變過電流保護的正確配合，既保證了發電機在系統故障狀態下獲得最大的持續強勵電流，又保護了勵磁變、勵磁機、勵磁功率整流橋和發電機轉子繞組不會過電流和過負荷。

2.2.4 強勵相關保護及其配合

與勵磁系統強勵有關的保護主要有勵磁變過流速斷保護、過流定時限保護、過流反時限保護、轉子過負荷保護等。

圖1 強勵及其限制動作過程曲線

其中勵磁變速斷過流保護及其后備保護過電流定時限保護一般用于保護勵磁變相間或勵磁整流橋等主回路短路，其整定下限一般按照躲過系統故障過程中勵磁回路感應的暫態電流和區外不對稱短路發電機強勵時，勵磁變兩相工作最大電流計算。強勵核查過程應對勵磁變過流定值與折算到交流的強勵電流值進行比較，保證強勵過程中保護不會誤動。

過流反時限和轉子過負荷動作特性應與發電機轉子繞組允許過熱特性相同，采用式（2）形式，整定參數保證保護在過熱水平達到轉子繞組最大允許值前動作。但應與勵磁系統過勵限制參數進行配合，在勵磁系統完成強勵后保護動作前，應讓勵磁系統有足夠的時間將強勵電流控制到長期允許運行電流水平，保持發電機和勵磁系統繼續運行，防止在大的系統振蕩過程中，過多地切除發電機導致系統徹底崩潰。

2.3 影響三機勵磁強勵能力的重要因素

三機勵磁系統在近端短路時，不存在整流橋交流側電壓降低問題，強勵倍數容易得到保證。但是短路瞬間由于發電機轉子繞組感應的暫態電流流過主勵磁機電樞繞組，暫態電抗的存在會使主勵定子電壓下降。感應電流越大，強勵初期主勵定子電壓下降越大，影響強勵電壓倍數。

無刷勵磁系統由于無法測量發電機轉子繞組勵磁電流，一般使用勵磁機勵磁電流作為頂值限制和過勵限制的參考量，并根據主勵磁機的空載和負載特性折算到發電機轉子側。

三機無刷勵磁系統強勵電壓和強勵電流輸出能力主要由副勵磁機和主勵磁機的電壓、容量及其旋轉整流二極管等綜合決定。強勵電流核算應綜合考慮旋轉整流二極管的額定電流及與之串聯的快熔參數匹配。其強勵電壓則主要由主勵磁機定子電壓輸出能力決定，而主勵電壓輸出能力又涉及到主勵轉子電壓即副勵磁機定子電壓和電流輸出能力的影響。

3 浙江電網發電機強勵功能存在的主要問題

3.1 1 000 MW級機組強勵能力不足

根據浙江電網發電機強勵核查結果，目前投運的采用三機無刷勵磁系統的1 000 MW級汽輪發電機組實際可用強勵倍數均只有1.5倍。限制其強勵能力的主要原因為配套的主勵磁機和副勵磁機容量不足。反應出在機組的設計選型和招投標過程中，忽視對強勵參數的要求，制造廠對發電機及其配套的勵磁機和勵磁系統參數遵守相關標準的意識不強。

3.2 某勵磁系統OEL計算公式存在的問題

在大型發電機組中有大量應用的某型號勵磁系統，其反時限過勵限制（OEL）的時間t為：

式中：P1303為強勵電流倍數；P1301為過勵限制啟動值；P1305為強勵時間；If為勵磁電流。

由式（3）可見，用于熱積累積分的輸入值為電流差的平方，實際的熱積累過程是電流平方的差，兩者存在明顯差別。

采用標準[4]規定的計算式（2）和計算式（3）在不同參數下的過電流限制特性曲線如圖2所示，可見，當采用式（3）時，雖然強勵參數正確整定為2倍10 s，曲線2與曲線1卻在約1.8倍額定勵磁電流時出現交叉，即大于1.8倍額定勵磁電流時，過勵限制與發電機過電流允許時間配合正確；小于1.8倍額定勵磁電流時，過勵限制反時限動作時間要大于發電機過電流允許時間，不利于發電機轉子繞組的安全運行。

現代成熟的微機繼電保護裝置0.1 s即能完成動作過程，后備保護一般也能在4 s內完成動作過程切除故障點。因此，4.7 s的強勵時間足以讓繼電保護包括后備保護正確動作，切除故障。而強勵倍數直接影響系統穩定性，其重要性要遠大于強勵時間。在該型勵磁系統OEL計算公式得到正確修正前，推薦對應曲線3的一組臨時設置參數，保持2倍的強勵倍數，適當降低反時限延時時間至4.7 s，并設置啟動電流為1倍。在該組參數下，雖然強勵時間降低到4.7 s，但是保障了2倍的強勵電流輸出，且在過電流低段過勵限制可以和發電機允許過電流能力正確匹配。

圖2 不同公式下的反時限曲線

4 強勵功能核查工作的重點

提高發電機-勵磁系統的強勵能力最簡單的方式是提高主設備和勵磁主回路相關元器件的容量和絕緣水平，但是這需要增加大量的投資。因此，首先應保證發電機和勵磁系統設備各參數的合理匹配，各限制、保護參數的合理整定。在滿足相關標準規定的前提下，提高強勵能力并保證發電機及其勵磁系統安全穩定運行。

（1）勵磁系統的整流橋、勵磁變、勵磁機和滅磁開關等設備輸出能力應大于發電機轉子繞組過電流能力。

（2）強勵電壓倍數大于2倍的應設置頂值電流瞬時限制功能，頂值限制值一般為2倍。

（3）勵磁系統過勵限制應采用與發電機轉子繞組過負荷一致的反時限熱積累計算公式。限制啟動值應整定為等于或略小于發電機長期允許運行電流。2倍強勵電流點的時間應略小于發電機允許時間，且其時間差能滿足強勵返回和過負荷保護動作時間配合要求。

（4）勵磁系統過勵限制的返回值宜采用額定勵磁電流或某一小于發電機允許長期運行電流的值，以保證機組在強勵返回后，轉子繞組反向熱積累釋放熱量，保證繞組安全。

（5）勵磁系統強勵返回后，勵磁控制系統中應有相應的轉子繞組反向熱積累積分計算過程。一旦在強勵返回后的一個較短時間內再次強勵，則其允許時間由上述反向熱積累計算后得到的當前已有熱積累量與允許熱積累量的差值決定，確保特殊情況下發生連續多次強勵時，轉子繞組熱積累量始終不會超過允許值。

（6）與發電機轉子、勵磁變和勵磁機相關的保護整定參數應保證在發電機強勵時不會誤動作，且應考慮勵磁變兩相運行提供強勵電流的情況。過流反時限和轉子過負荷保護應與過勵限制之間留有時間差，保證過勵限制正常返回前不會誤動切機。同樣，考慮到保護的固有動作時間，相關保護整定時間與發電機轉子過電流允許時間也應留有時間差，保證達到轉子過流允許時間前，保護已完成切機動作。在滿足上述配合要求的基礎上，應取最大的過勵限制允許時間。

（7）三機無刷勵磁系統還應注重旋轉整流二極管及其串聯快熔的參數匹配。副勵磁機的容量應保證能提供主勵磁機定子輸出強勵電壓、電流時的轉子電流。

[1]吳跨宇.基于空載誤強勵滅磁對發電機過電壓保護整定的研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（2）：98.

[2]GB/T 74093-2007同步電機勵磁系統大、中型同步勵磁系統技術要求[S].北京：中國電力出版社，2007.

[3]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]GB/T 7064-2008隱機同步發電機技術要求[S].北京：中國電力出版社，2008.

[5]吳跨宇，竺士章，陳新琪.發電機嚴重故障工況滅磁仿真分析[J].大電機技術，2009（5）：49.