自備電廠發電機勵磁系統穩定性分析及控制研究

宋永晶

（汾西礦業集團 發電廠，山西 靈石031304）

電力資源是國家重要動力能源，為企業廠礦生產活動提供動力。隨著市場經濟的不斷發展和完善，企業為實現長遠發展戰略目標，經濟逐漸趨于多元化的發展方向。一些大型企業廠礦為穩定發展，逐漸建設自備電廠為生產活動提供動力，電力系統穩定性受到企業和社會越來越多的關注，到2014年末，自備電廠的比重在我國大型企業廠礦就已經達到了20%，而且保持著較快的發展速度。不過，在自備電廠的建設使用過程中，也暴露出了一些問題。電力系統的管理不善和設備比較落后，是造成電力系統安全事故的重要因素。隨著用電量逐漸加大，大型企業廠礦自備電廠在運行中出現的問題越來越多，不但威脅企業生產安全，對區域電網的順利運行也產生了一定影響。加強自備電廠發電機系統管理及自備電廠勵磁系統的平穩性，有助于確保廠礦運行的正常穩定。

1 自備電廠發電機勵磁系統穩定性分析

目前，我國大型廠礦企業自備電廠發電機勵磁系統控制模式主要有四種，分別為恒磁力電流、恒無功、恒功率、恒機端電壓等控制模式。對于大規模的廠礦自備電廠發電機勵磁系統，為了給勵磁系統提供穩定的保障，通常會實施恒機端電壓控制模式。而對于規模較小的自備電廠發電機勵磁系統，通常會實行恒功率或者恒無功控制模式。總而言之，在選取勵磁控制模式上必須結合自身的實際情況。

恒無功控制模式和恒功率控制方式在企業廠礦中的應用比較廣泛，要對自備電廠發電機勵磁系統穩定性進行分析，應該從這兩種勵磁控制模式出發，采取展開構建模型的手段，而且詳細分析廠礦企業曾經出現過的安全事故。但是，由于這種模型僅僅能對自備電廠發電機系統和勵磁接口進行分析，并不能分析恒功率以及其它磁控模式。因此，為了有效分析自備電廠發電機勵磁系統的平穩性，在分析中得出了兩個控制圖表（見圖1、圖2）。

圖1 恒無功勵磁附加控制

圖2 無刷旋轉交流勵磁控制框

借助于對控制圖表的分析，得出了具體的線性化系統公式，利用線性化系統公式對矩陣特征進行分析，可以判斷出自備電廠發電機勵磁系統的穩定性。恒功率因數控制方式與恒無功控制方式分析模型相似，所以，不再對恒功率勵磁控制方式展開全面分析。

2 自備電廠發電機勵磁系統穩定性的影響因素

勵磁系統的相關參數對電力系統有重要影響，因此，在分析勵磁系統穩定性影響因素的時候，必須建立相關參數，采用合理的方法對這些參數進行綜合分析，根據分析結果找出不同參數變化下的系統根軌跡（圖3所示）。

參數分析可以看出，相關參數增大會導致最右側的特征根實部增大，當參數過大的時候，電力系統可能會出現正實部的特征根。由此可見，自備電廠發電機勵磁系統穩定性受參數的影響比較大，在整定參數的時候，必須綜合考慮控制系統的性能要求和參數對系統整體穩定性的影響，在給定參數發生變化，且在變化范圍內的時候，系統機電暫態模式對應的特征根實部應該始終為負數，只有這樣才能保證仿真軟件的分析與電力穩定相符。為了保證廠礦企業自備電廠安全運行，必須根據實際情況采用有效的方法消除這些影響因素。

圖3 不同參數變化下系統根軌跡

2.1 運行方式對勵磁系統穩定性的影響

在運行方式的影響下，系統會出現正實部的特征根，系統在擾動下會出現不穩定的現象。因此，在對勵磁系統參數進行優化的時候，必須充分考慮運行中可能存在的最惡劣運行方式，只有這樣才能及時提高整定參數的適應性。在對實際勵磁系統參數進行整定的時候，應該由勵磁廠家根據實際需求提供相關參數的取值范圍，然后根據最惡劣的運行方式，建立相關的狀態矩陣，利用合理的分析方法對系統無正實部特征根時的各項參數進行合理范圍內的分析，將兩者的交集作為整定系統參數優化的依據，通過這種方式，可以使整定參數充分滿足系統控制的性能，也可以最大限度降低勵磁系統受到的干擾，確保企業廠礦自備電廠運行的安全穩定。

2.2 仿真分析

對自備電廠發電機勵磁系統穩定性進行分析，應該建立在實際運行上。所以，在分析勵磁控制模式的時候，要根據仿真復現出振蕩現象，并將振動頻率與小擾動的分析結果進行比較，其比較結果證實了通過仿真復現出來的振蕩并不是機電振蕩模式，產生這種現象的原因是勵磁系統自身失穩。所以，在分析系統相關參數的時候，要注意區分仿真復現出來的振蕩和機電振蕩模式，進而保證分析結果的準確性。另一方面，在自備電廠發電機勵磁系統采用恒電壓控制方式的時候，電力系統在受到負荷沖擊和三相短路故障的影響下依然可以保持穩定運行，這與電力系統實際運行中改變勵磁控制模式后不發生振蕩故障相符。所以，在自備電廠發電機勵磁控制系統更改控制模式的時候，應該依據實際情況進行仿真分析，在仿真分析中系統可以保持穩定運行，才能使實際勵磁控制系統在擾動條件下可以保持穩定運行，這是維護電力系統穩定運行的有效措施。

3 優化發電機勵磁系統穩定性的有效措施

通過對影響勵磁控制模式因素的分析可以發現，要保證自備電廠的電力系統安全運行，必須充分考慮其最惡劣的運行方式，并結合廠家提供的參數要求，制定出相應的有效措施，建立全面系統的狀態矩陣，最大限度提高勵磁系統的適應性，為自備電廠發電機勵磁系統穩定運行提供有效保障。適時采用仿真分析的方法，保障電力系統安全運行。

4 結語

綜上所述，隨著我國社會經濟的不斷發展，也為電力事業提供了良好的機遇，自備電廠逐漸增多，保證自備電廠安全運行，可最大限度預防電力安全事故的出現，減輕企業的經濟損失，促進企業經濟效益和社會效益的提高。企業在建設自備電廠的時候，應當詳細分析自備電廠發電機勵磁系統的穩定性，并且制定出具體可行的防范措施，及時解決電力系統出現的故障，從而保障電力系統的安全運行。

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