水电厂发电机励磁系统控制

刘福鼎

摘要：励磁系统控制对于水电站安全、稳定运行至关重要。抽水蓄能机组在运行和启动上较常规水电机组灵活和多样，因此其励磁控制也就更为复杂。因此本文基于该现实，就其各种情况下的励磁控制进行研究,以期为所有类型的水电厂可靠运行提供借鉴。

关键词：水电厂；发电机；励磁系统；控制

1励磁系统

1.1励磁系统的概述

供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。

1.2励磁系统的作用

(1)根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值。(2)控制并列运行各发电机间无功功率分配。(3)提高发电机并列运行的静态稳定性。(4)提高发电机并列运行的暂态稳定性。(4)在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。(5)根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

1.3励磁系统的分类

1.3.1直流分类

直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四类。

1.3.2整流分类

(1)旋转式励磁又包括直流交流和无刷励磁。

(2)静止式励磁包括电势源静止励磁机和复合电源静止励磁机。

(3)按发电机励磁的交流电源供给方式可以分为：交流励磁(他励)系统由与发电机同轴的交流励磁机供电。系统又可分为交流励磁机(磁场旋转)加静止硅整流器(有刷)、交流励磁机(磁场旋转)加静止可控硅整流器(有刷)、交流励磁机(电枢旋转)加硅整流器(无刷)以及交流励磁机(电枢旋转)加可控硅整流器(无刷)；全静态励磁(自励)系统采用变压器供电，当励磁变压器接在发电机的机端或接在单元式发电机组的厂用电母线上,称为自励励磁方式,把机端励磁变压器与发电机定子串联的励磁变流器结合起来向发电机转子供电的称为自复励励磁方式。这种结合方法可分为直流侧并联、直流侧串联、交流侧并联以及交流侧串联。

2基于抽水蓄能机组的励磁控制

一般，抽水蓄能机组的运行态势可用平面四象限表示，如图1所示。其中:I、IV象限表征发电机运行态(输出有功）;II、III象限表征电动机运行态(吸收有功)。各象限运行时会受到各类发电机工况的限制。

图1 抽水蓄能机组各种运行方式的关系示意图

2.1电动负载情况下的励磁控制

在实际运行过程中机组会受不同因素的影响，经常会处于不同的状态，当机组处于电动负载状态时，励磁系统在具体运行过程中可以采用的控制方式的种类有很多，比较常见的控制方式有恒机端电压、恒无功、恒励磁电流、恒功率因数等，不同的方式在实际应用过程中，其应用范围也会有存在一定的差异性，这也是相关工作人员在实际工作中需要特别注意的一项内容。

2.1.1恒机端电压

恒机端电压的特点是依据系统对无功情况的具体实时需求，利用对励磁电流的情况进行规整，通过该方式，完成对励磁电流的吸收或输出一定数量的无功，从而实现对电压稳定情况的确定，确保各项设施运行的稳定性。具体适用情况：电网无功的需求相对来说较高。此外，如果机组在进行背靠背启动时，要采取指定的方式，在机组运行一定时间稳定后，再对采用的方式切换，确保其在运行过程中始终都能处于一个稳定的状态。

2.1.2恒无功调节

恒无功调节的特点是电机的运行功率和励磁电流都处于变大阶段。适用情况：同步电机在具体运行过程中，负载的变化幅度大，因此，在其运行过程中，要加强对各项内容的重视。

2.1.3恒励磁电流

恒励磁电流的使用特点是发电厂在具体运行过程中，同步电机负载波动对相对来说较小，并不会造成较为严重的不良影响。需要注意到的内容：发电机辅助环节通常都是依托恒机端电压方式完成，如果其在具体运行过程中，对恒励磁电流控制方式进行应用，势必会导致部分辅助功能丧失，这将会对电厂在实际运行过程中的安全性造成一定影响，会造成较为严重的经济损失。

2.1.4恒功率因数调节

恒功率因数调节在具体应用过程中特点是随着系统在具体运行过程中的负载和电压的变动情况，来进行励磁电流的增加和减少，通过该方式，确保电动机在运行过程中的功率因数是一个恒值，不会发生变化，从而提高系统在运行过程中的经济性，并且能够达到节约能源消耗，保护环境的目的。适用情况：该方式主要是应用在系统低谷负载情况。

2.2电力系统稳定器

在实际运行过程中抽水蓄能机组，有功具有对称性，因此，在设计电力系统稳定器时，应当充分考虑发电工况和电动工况两种不同情况。具体方法如下：让电力系统稳定器在不同的工况下，输出相位相差180°。

2.3四象限无功限制

励磁调节器的低励限制器和过励限制器在具体应用过程中，应当对发电机的模式和电机的模式进行统筹分析。在对励磁调节器进行分析时，要对机组的运行模式进行判断，当其运行功率大于零时，其进行发电，反之则处于电动状态；再对其是处于滞相还是进相进行判断；最后在实际输出无功的基础上，对给定参考的比较，对过励限制还是欠励限制加以明确。

2.4设置PID

随着科技的不断发展，电力电子技术也取得了显著进步，通过静态变频器对启动同步电机在许多场合中都得到了广泛应用，并且，从实际应用情况来看也取得了不错的效果。静态变频器启动初始阶段的具体特点如下：励磁电流的具体变化情况决定了机端电压的变化大小。因此，在实际控制过程中，应当确保励磁调节执行单元对于励磁电流的具体大小能够给出定值的快速响应，从而避免由于检测因转位置存在较大误差，造成变频启动失败情况。基于上述考量，可以设置用于静态变频器启动的比例-微积分控制环节，当发电机在运行过程中，机电电压处于稳定，并且达到了90%的额定值，此时，励磁控制器将会转变为主环PID模型。通过上述操作，不仅能够保证机组的频繁启动不会出现不稳定情况，而且也使机组在不同情况下运行的安全性得到了保障。

3结束语

水电厂是重要的电力供应源头，对电力系统调峰、填谷以及事故备用等作用巨大。水力发电机组是水电厂的核心，针对水力发电机的运行情况来看，励磁系统控制的稳定性会对机端电压稳定性，以及机组间无功的合理分配造成直接影响。因此，在水电厂运行过程中，为了确保水电厂运行的安全性、可靠性，以及水电厂中发电系统的作用可以得到充分发挥，应当加强对电厂励磁系统的研究。

参考文献

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