同步發電機疊加強勵勵磁系統的強勵特性分析研究

， ， ，，

(1.四川大學錦城學院新能源工程系，四川 成都 611731； 2.四川大學電氣工程系, 四川 成都 610065；3.中國長江電力股份有限公司, 湖北 宜昌 443002)

同步發電機疊加強勵勵磁系統的強勵特性分析研究

劉念1，謝馳1，趙欣2，潘榮超2，黃大可3

(1.四川大學錦城學院新能源工程系，四川 成都 611731； 2.四川大學電氣工程系, 四川 成都 610065；3.中國長江電力股份有限公司, 湖北 宜昌 443002)

研究同步發電機疊加強勵勵磁系統的強勵能力，建立疊加強勵勵磁系統的仿真模型，并與傳統自并勵勵磁系統進行對比分析，然后構造具有疊加強勵勵磁系統的發電機35 kV電纜輸電線路模型。仿真分析結果表明疊加強勵勵磁系統的強勵能力優于傳統自并勵勵磁系統，且強勵過電壓不會對發電廠輸電電纜絕緣造成影響。

疊加強勵；自并勵系統；強勵特性；仿真模型

0 引 言

同步發電機的勵磁系統對電力系統穩定起著重要的作用，優良的勵磁系統不僅可以保證發電機安全運行，提供合格的電能，而且還能改善電力系統的穩定條件[1-3]。而傳統的采用功率整流橋的自并勵勵磁系統，為滿足機端電壓下降的情況得到足夠的強勵，勵磁系統晶閘管整流器必須處于深度控制狀態，其承受較大的換相電壓，特別在強勵方式下，傳統的自并勵勵磁系統的運行效率非常低[4]。隨著發電機組的容量不斷增大、輸電距離不斷增長和電網電壓等級的提高，發電輸電系統更加重視勵磁系統的高頂值倍數[5-6]。

現代疊加強勵勵磁系統，即一種具有疊加強勵能力的自并勵勵磁系統，更加符合發電和輸電的安全性、可靠性和節能環保要求[7-8]。 針對疊加強勵勵磁系統的強勵特性，重點研究同步發電機疊加強勵勵磁系統的強勵能力，建立疊加強勵勵磁系統的仿真模型，并與傳統自并勵勵磁系統進行對比分析，最后構造具有疊加強勵勵磁系統的發電機及35 kV電纜輸電線路模型，完成35 kV電纜輸電線路在發電機疊加強勵勵磁系統產生誤強勵下的過電壓仿真分析計算。

1 疊加強勵勵磁系統工作原理

疊加強勵勵磁系統的結構如圖1所示。與傳統自并勵勵磁系統相較而言，在其基礎上將勵磁變壓器ZLB由雙繞組改為3繞組，并引入強勵變壓器QLB。通過電子開關K和勵磁變壓器ZLB第3繞組連接，將事故強勵部分采用疊加方式進行投入，并將不太常用的強勵功能轉為離線備用。

圖1 疊加強勵勵磁系統的結構

發電機額定工況時，勵磁變壓器ZLB的二次繞組提供勵磁電，三次繞組側空載，主勵磁回路整流橋G1工作，強勵回路主流橋G2不工作，即強勵未投入運行，整個勵磁回路的工作回路與傳統自并勵勵磁回路一致，可通過調節主橋的觸發角來適當調整機端電壓。

當系統出現較大擾動如三相接地短路時，發電機機端電壓將會產生大幅度的降落。為了維持電力系統的電壓穩定必須對同步發電機進行強行勵磁。此時需投入強勵變壓器QLB，并聯的二極管D截止，主橋G1和強勵橋G2串聯運行，二者的電壓疊加輸出勵磁電壓，提供比原傳統自并勵勵磁方式更高的頂值電壓(強勵電壓)倍數；并避免了原傳統方式的主橋觸發角深控問題，且降低了勵磁變壓器的容量，具有較高的經濟效益[8]。

2 誤強勵時勵磁系統仿真分析

同步發電機機組機端電壓在正常范圍內運行，機組強行進行勵磁，致使機端電壓過高，這一強勵過程當屬異常強勵過程即誤強勵。 在圖1電路的基礎上，構建的疊加強勵勵磁系統誤強勵回路與傳統自并勵勵磁系統誤強勵回路如圖2和圖3所示。

在Matlab中進行仿真，仿真過程中，將仿真時間設置為40 s，前20 s保持正常狀態運行，機端電壓保持不變，即6.3 kV，主橋陽極電壓300 V，當20 s時，將整流橋觸發角由60°降至10°，機組開始強行勵磁即出現模擬的誤強勵環境，至40 s結束，仿真后可得到勵磁繞組的勵磁電壓和勵磁電流。

圖2 疊加強勵勵磁方式誤強勵勵磁主回路

仿真得到的兩組勵磁繞組電壓和勵磁電流放在同一坐標系下進行對比分析，如圖4、圖5所示。其中線段A是疊加強勵勵磁系統，線段B是傳統自并勵勵磁系統，可以看出疊加強勵勵磁系統發生誤強勵磁時，在主橋無故障的情況下能夠將勵磁電壓進行回調，仍然能保持機端電壓穩定；且誤強勵時勵磁電壓和勵磁電流均比傳統自并勵勵磁方式小的多。這說明疊加強勵勵磁系統在誤強勵時的風險比傳統自并勵勵磁系統更小，這也是疊加強勵勵磁系統的優點之一。

圖3 傳統自并勵勵磁方式誤強勵勵磁主回路

圖4 勵磁繞組勵磁電壓(部分時間段)

圖5 勵磁繞組電流

3 誤強勵導致輸電線路過電壓的分析

為了研究勵磁方式對輸電線路的影響，對實際線路進行了仿真，建立了發電機輸變電線路模型，如圖6所示。根據圖6所給出的模型，在Matlab軟件下進行仿真，在空載和負載情況下測量發電機勵磁、機端和電纜上的電壓，并檢驗35 kV電纜能否能承受由于疊加強勵導致的過電壓。

圖6 發電機35 kV電纜輸電線路模型

當35 kV電纜輸電線路空載運行時，對于疊加強勵，采用等效代替法。假設模型起初的運行情況為自并勵運行，初始頂值電壓倍數為1，故障發生后，頂值電壓倍數可達到2倍，并以此電壓強勵倍數作為新的頂值電壓倍數加在勵磁繞組上。對于空載情況是最簡單的情況，當發電機機端電壓標幺值為1時，其轉子電壓標幺值也為1。仿真時間為50 s，假設10 s后發生誤強勵，30 s后誤強勵截止，50 s后仿真結束。仿真結果如圖7至圖9所示。

圖7 發電機空載時勵磁電壓

圖8 發電機空載時機端電壓

圖7中，起初勵磁電壓為1 p.u.，誤強勵后勵磁電壓上升至2 p.u.，直至30 s后誤強勵去除，勵磁電壓逐漸放回到1 p.u.。圖8中，機端額定電壓為6.3 kV，當發生誤強勵后，機端電壓達到11.6 kV，過電壓倍數為11.6/6.3=1.84。圖9中，電纜額定電壓為35 kV，當發生誤強勵后，電纜線電壓達到68.1 kV，過電壓倍數為68.1/35=1.84。

圖9 發電機空載時35 kV電纜電壓

當35 kV電纜輸電線路負載運行時，增添的負載為P= 2×106W，Q= 1×106var，Vf=1.067 01 p.u.，在誤強勵的情況下進行仿真，仿真結果如圖10至圖12所示。

圖10 發電機負載時勵磁電壓

圖11 發電機負載時機端電壓

圖10中，一開始，勵磁電壓為1.067 01 p.u.，誤強勵后勵磁電壓上升至2.134 02 p.u.，直至30 s后誤強勵去除，勵磁電壓逐漸放回到1.067 01 p.u.。從圖11可知，誤強勵導致發電機機端電壓升高，機端電壓過電壓倍數為10.9/6.3=1.72。從圖12可知，誤強勵導致電纜電壓升高，過電壓倍數為62.7/36=1.72。

由上述分析可見，當增添負載后，誤強勵導致的機端和電纜的過電壓倍數和空載時相比變小。

為了使研究問題一般化，采用不完全歸納法研究負載時誤強勵導致的過電壓倍數和空載時相比確實變小了。采用了3組不同的負載同空載進行比較，如表1所示。

表1 不同負載下誤強勵導致的過電壓

圖12 發電機負載時35 kV電纜電壓

由表1可知，隨著負載的增大，誤強勵導致的機端和電纜過電壓倍數越低。空載情況時，誤強勵導致的發電機機端和電纜過電壓倍數最大。為了嚴格考慮誤強勵導致電力系統的過電壓倍數，應選擇空載情況進行分析。

同時，通過對空載情況下的誤強勵仿真可以發現，在2倍的頂值電壓倍數下，誤強勵可以導致1.8倍的過電壓。對于交流耐壓試驗(頻率在20～300 Hz)， 35 kV交聯聚乙烯電纜可以在2倍的額定電壓下運行60 min。由此可見，對于疊加勵磁系統來說，2倍的頂值電壓倍數所導致的1.84倍的電力系統過電壓在20 s內不會對35 kV交聯聚乙烯電纜的運行造成不利影響。因此，2倍的強勵倍數下產生的過電壓在20 s內不會對電纜的運行造成嚴重的影響。

4 結 語

對比分析了疊加強勵勵磁系統和傳統自并勵勵磁系統在誤強勵情況下各自的勵磁能力，同時在發電機35 kV電纜輸電線路模型中仿真分析了疊加強勵勵磁系統在空載和負載情況下誤強勵時的機端電壓和電纜線路電壓過電壓。

疊加強勵勵磁主橋在誤強勵時勵磁電壓和電流升高的倍數均比傳統自并勵勵磁系統誤強勵的低，疊加強勵勵磁系統抵抗誤強勵帶來的過電壓能力優于傳統自并勵勵磁系統。

[1] 丁爾謀．發電廠勵磁調節[M]．北京：中國電力出版社,1988.

[2] 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.

[3] 孫士云，束洪春，唐嵐，等．強勵對交直流混合輸電系統暫態穩定裕度的影響[J].電網技術，2008，32(23)：35-39．

[4] 彭煒東，薛福文．電力系統穩定器(PSS) 及其在三峽機組的應用[J]．水電站機電技術，2004(4)：67-73．

[5] 李基成．大型水電機組勵磁變壓器設計特點及絕緣方式的選擇[J].水電站機電技術，2012，1(35):1-6.

[6] 尹志勤，景坤，柳溪．三峽水電廠勵磁變壓器設計分析[J]．華電技術，2009，31(6)：1-3．

[7] 黃大可，邵顯鈞. 勵磁系統大功率整流器的增容設計[J].大電機技術，2006(6)：56-62．

[8] 黃大可．大型水電機組第3代勵磁系統展望[J].水電廠自動化，2012，33(1)：19-23．

It focuses on the strong excitation ability of superposition strong excitation system for synchronous generator, and a simulation model of superposition strong excitation system is established, which is compared with the traditional self-shunt excitation system. Then the model of 35 kV cable transmission line with the superposition strong excitation system is constructed for the synchronous generator. The simulation result shows that the superposition strong excitation system is better than the traditional one under the forced excitation, and there is not any over-voltage influence on the cable insulation.

superposition strong excitation; self-shunt excitation system; strong excitation characteristic; simulation model

TM311

A

1003-6954(2017)06-0020-04

劉 念(1956)，博士、教授，主要從事高電壓技術及電力設備狀態監測與故障診斷等方面的教學與研究；

謝 馳(1956)，博士、教授，主要從事測控技術及旋轉設備狀態監測與故障診斷等方面的教學與研究；

趙 欣(1992)，碩士研究生，主要從事大電機安全分析與運行監控技術研究；

潘榮超(1988)，碩士研究生，主要從事高電壓技術及應用研究；

黃大可(1956)，教授級高工、一級勵磁專家，長期從事水電廠勵磁技術的應用開發工作。

2017-06-19)