趙+欣1+++劉念++黃大可++潘榮超++李順

摘 要：文章針對同步發(fā)電機新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的可行性，重點研究了誤強勵下，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力。在MATLAB中，建立了誤強勵下新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)進行了對比分析，結果表明誤強勵下新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的強勵能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

關鍵詞：新型疊加強勵勵磁；傳統(tǒng)自并勵；誤強勵；過電壓

Abstract： In order to study the feasibility of the new superposition strong excitation system for the synchronous generator， this paper focuses on the ability of the strong excitation under the faulty forced excitation. In MATLAB，we build up one model of the new superposition strong excitation system， and compare to the traditional self-shunt excitation system. The simulation result shows the new superposition strong excitation system is better than the traditional under the faulty forced excitation.

Keywords： new superposition strong excitation； traditional self-shunt excitation； faulty forced exciation； faulty forced excitation

引言

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機中最為主要的組成結構，它不僅能直接影響勵磁電流的變化，對發(fā)電機的可靠運行以及電網的穩(wěn)定具有重要影響[1-4]。而傳統(tǒng)的采用功率整流橋的自并勵勵磁系統(tǒng)，機端電壓下降的情況得到足夠的強勵勵磁電壓，晶閘管整流器將會承受較大的換相電壓[5]，在額定運行工況下，這種強勵方式的運行效率非常低下，隨著機組的容量不斷增大，此方式將會帶來更大的損耗。

長江電力有關專家就此開始研究了大型水電機組新型勵磁系統(tǒng)，新型勵磁系統(tǒng)相比傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)在安全、經濟、效率方面有了明顯提高[6-7]。由于此前已提出一種新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)，且正常故障即機端電壓降低情況的強勵能力已有分析[8-9]。而誤強勵引起的超高機端電壓會嚴重危害發(fā)電機的安全運行[10-12]，造成嚴重的影響，因此勵磁系統(tǒng)承受誤強勵的能力尤為重要，而文獻[13]中對誤強勵時的新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)已有簡單的分析，而本文通過疊加勵磁回路引入回調觸發(fā)信號，并在模擬不同誤強勵環(huán)境的情況下，對比分析傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)和新型疊加勵磁系統(tǒng)的勵磁電流、電壓尤其是對二者的諧波研究，來分析比較哪種勵磁方式在誤強勵下更為優(yōu)越。

1 新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)工作結構及原理

新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的結構如圖1所示，與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)相較而言，在其基礎上將勵磁變壓器ZLB由兩相改為三相，并引入強勵變壓器QLB，通過電子開關K和勵磁變壓器ZLB第三繞組連接，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避免了原方式的主勵磁回路整流器深控換相電壓高的問題，將觸發(fā)角由70°～80°提高了50°左右甚至更小[14]。

圖1 新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的結構

Fig1 The structure of the new new superposition strong excitation system

發(fā)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G1單獨運行，即強勵未投入運行，整個勵磁回路的工作回路與傳統(tǒng)自并勵勵磁回路一致。

發(fā)電機機組發(fā)生故障時，機端電壓降低，主勵磁回路G1運行使得電壓有一定幅度升高，同時疊加勵磁回路G2投入與原回路電壓進行疊加從而拉高機端電壓，此種方式在之前的研究中已得到證明不僅可以降低變壓器容量，提高勵磁變壓器的效率，還能解決整流器的深控問題。

當發(fā)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。值得注意的是，此時強勵變壓器QLB因強行投入運行，使得主勵磁回路G1和強勵磁回路G2疊加輸出勵磁電壓，使得機端電壓升高，將嚴重影響電網穩(wěn)定。而本文將模擬誤強勵環(huán)境對此進行研究，進一步分析新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)越性。

2 誤強勵時勵磁系統(tǒng)仿真分析

2.1 誤強勵時勵磁繞組電壓和電流

由于本文只針對勵磁系統(tǒng)的疊加進行研究，為了簡化分析，因此將發(fā)電機簡化為一恒定電壓源，將勵磁繞組簡化為R與L串聯(lián)，即不考慮發(fā)電機內部的電磁耦合，通過改變整流橋的觸發(fā)角來進行對勵磁系統(tǒng)的控制，仿真總時長為10s，前5s系統(tǒng)回路正常運行，5s時，主勵磁回路整流橋觸發(fā)角由60度降至較小于60的度數，疊加勵磁回路整流橋仍保持60度，即開始模擬系統(tǒng)出現(xiàn)誤強勵，此時主勵磁回路和疊加勵磁回路同時投入運行，使得勵磁電壓大幅度升高，同時7s時，疊加勵磁回路的整流橋開始進行調整至較大度數，進行回調作用。通過上述分析理論在MATLAB中構建的新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)誤強勵回路與傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)誤強勵回路的仿真圖如圖2、圖3所示。仿真過程中，將主勵磁回路整流橋觸發(fā)角由60度分別降至30度、20度、10度，模擬不同的誤強勵環(huán)境仿真可得到勵磁繞組的勵磁電壓和勵磁電流。

圖3 誤強勵時傳統(tǒng)自并勵勵磁方式勵磁回路

Fig3 The circui of traditional self-shunt excitation excitation

under the faulty forced excitation

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，可以看出發(fā)生無論發(fā)生大小不同的誤強勵磁時，在主勵磁回路無故障的情況下，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)和傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)因為強行勵磁使得勵磁電壓、勵磁電流均升高，均且能在另一個電壓、電流等級保持穩(wěn)定，但不同的是，從勵磁電壓來看，如圖4所示，新型疊加勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓在誤強勵后，由于疊加強勵勵磁回路有一個回調的信號作用，使得電壓升高后會出現(xiàn)一個回調，則其穩(wěn)定狀態(tài)時的勵磁電壓和勵磁電流均比傳統(tǒng)自并勵勵磁方式小，即升高的幅度降低。勵磁電流也同樣如此。這說明新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)在誤強勵時，由于具有疊加勵磁回路，且其有一定的回調作用，使得強勵發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)電壓，電流相比傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)更小，使電網的安全風險在一定范圍內降低，也進一步說明其承受誤強勵的能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，這也是新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點之一。

框圖區(qū)局部放大：

圖4 不同誤強勵下勵磁繞組電流

Fig4 The excitation wingding current

2.2 誤強勵時勵磁繞組諧波分析

由于諧波引起的正弦電壓和電流的波形畸變已成為危害電能質量的主要原因之一[15-17]，因此可對傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)和新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)誤強勵下的繞組電壓、電流進行諧波分析，選取圖中強勵角度為10度時的誤強勵情況為例，并把二個系統(tǒng)的諧波分析結果放在同一坐標下如圖6、圖7所示，來驗證誤強勵下哪個系統(tǒng)對電網的影響更小，更為優(yōu)越。

同時將所得到的繞組諧波的數據進行處理，定義相對畸變率=傳統(tǒng)勵磁諧波占比/新型勵磁諧波占比（相同畸變次數下），若畸變率大于1，則說明傳統(tǒng)勵磁的某次諧波含量大于新型勵磁，反之亦然，如此則取11組數據進行如此處理后則得表1。

由上述圖6、7可直觀得出新型疊加系統(tǒng)的直流含量高于傳統(tǒng)勵磁，傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)的諧波含量曲線高于新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)，進一步處理后由表1可知，在誤強勵的情況下，11組不同諧波頻率下的繞組電壓和繞組電流的相對畸變比均大于1，則進一步證明了傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)的各次諧波高于新型疊加勵磁系統(tǒng)，同時，繞組電壓的各次諧波相對畸變率均高于繞組電流，說明在誤強勵情況下，繞組電壓受到的影響較深。綜上可知，在誤強勵的情況下，新型疊加強勵勵磁系系統(tǒng)對諧波的抑制情況強于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，對電網影響較小，也進一步說明了新型疊加強勵勵磁系系統(tǒng)其承受誤強勵的能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

3 結束語

本文對傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)和新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)在誤強勵情況下，對比分析了各自的勵磁能力，可知：

（1）不同誤強勵情況下，由于新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)具有回調功能的疊加勵磁回路，使得回調穩(wěn)定后的電壓、電流升高幅度均低于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，使得電網的安全風險在一定范圍內降低，說明其承受誤強勵的能力優(yōu)于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

（2）誤強勵時，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)繞組電壓、電流中的諧波含量低于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)，抑制諧波的能力強于傳統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)。

（3）誤強勵時，新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)中，繞組電壓的諧波畸變比大于繞組電流。

參考文獻

[1]丁爾謀.發(fā)電廠勵磁調節(jié)[M].中國電力出版社，1988，4.

Ding Ermou. Excitation regulation of power plant[M].China Electric Power Press，1988，4.

[2]曾成碧，趙莉華等.電機學[M].機械工業(yè)出版社，2009，6.

Zeng Chengbi，Zhao Lihau，ect. Electrical Machinery[M]. Machinery industry press，2009，6.

[3]張海峰.短路發(fā)電機的強勵系統(tǒng)[J].高壓電器，2014，50（08）：32-35.

Zhang Haifeng. Force-excitation System of Short Circuit Genertator[J].High Voltage Appants2014，50（08）：32-35.

[4]GE Bao -jun，XUN Peng，LV Yan-ling.The Excitation System Simulation of Hydro-generator[J].IEEE，2010.

[5]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用[J].水電廠自動化，2012，33（1）：19-23.

Li Jicheng. Design and application of modern synchronous generator excitation system[J]. Hydropower Plant Automation， 2012，33（1）：19-23.

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

Hunag Dake. Prospect of the third generation excitation system for large hydro generator. Hydropower Plant Automation， 2012，33（1）：19-23.

[7]黃大可.現(xiàn)代柔性滅磁技術[J]. 水電廠自動化，2008，29（3）： 109-112.

Huang Dake. Modern flexible demagnetization Technology[J]. 2008，29（3）： 109-112.

[8]李順.大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)新技術研究[J].東方電機，2013，5：45-49.

Lishun.The new research of the excitation system for generators[J]. Oriental Motor， 2013，5：45-49

[9]潘榮超，劉念等.新型疊加強勵勵磁變壓器的參數優(yōu)化[J].變壓器，2014，51（11）：10-13.

Pan Rongchao，Liu Nian ect.Parameter Optimization of Excitation Transformer for New Type Superposition Strong Excitation System[J].TRANSFORMER，2015，51（11）：10-13.

[10]王述仲.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)誤強勵現(xiàn)象分析與解決辦法[J].山西電力，2006，5：11-12.

Wang Shuzhong. Analysis and solution to the excitation of generator excitation system[J]. SHANXI ELETRIC POWER， 2006，5：11-12.

[11]龍俊平.發(fā)電機勵磁誤強勵原因探討[J].繼電器，2006，34（19）：71-74.

Long Junping. Discussion on causes of generator excitation excitation[J].RELAY，2006，34（19）：71-74.

[12]范琳.一起發(fā)電機勵磁系統(tǒng)誤強勵事故分析[J].電力安全技術，2013，15（6）：31-33.

Fan Lin. Analysis of an accident caused by a generator excitation system[J]. Power safety technology，2013，15（6）：31-33.

[13]潘榮超.新型疊加強勵勵磁系統(tǒng)的可行性研究[J].水電廠自動化，2015，36（1）：51-55.

Pan Rongchao.The available research of New Type Superposition Strong Excitation System[J].Hydropower Plant Automation，2015，36（1）：51-55.

[14]王利來.同步發(fā)電機新型疊加強勵勵磁回路二極管故障和電容并聯(lián)作用分析[J].電測與儀表，2014，51（17）：112-115.

Wang Lilai.Analysis of the Strong Excitation Circuit Diode Breakdown of the New Superposition Strong Excitation System for the Synchronous Generator and the Function of Shunt Capacitance[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation，2014，51（17）：112-115.

[15]張玉華.基于MATLAB的電力系統(tǒng)諧波分析[J]，電力學報，2009，24（3）：229-231.

Zhang Yuhua. Power system harmonic analysis based on MATLAB[J].JOURNAL OF ELECRIC POWER， 2009，24（3）：229-231.

[16]劉天琪.電力系統(tǒng)分析理論[M].科學出版社，2005.

Liu Tianqi. Power system analysis theory[M]. Science press，2005.

[17]劉念.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題研究[J].四川電力技術，2004，27（1）：1-6.

Liu Nian.Research on security and stability of power system[J]. Sichuan electric power technology，2004，27（1）：1-6.

作者簡介：趙欣（1992-），女，碩士研究生，主要從事大電機安全分析與監(jiān)控。

劉念（1956-），男，博士，教授，主要從事大型發(fā)電機組的運行控制及電力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等方面的教學與研究。

黃大可（1956-），男，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(fā)工作。

潘榮超（1987-），男，碩士研究生，主要從事電力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及勵磁技術等方面的研究。

李順（（1988-），男，碩士研究生，主要從事電力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及發(fā)電機勵磁方面的研究。