200MW汽轮发电机励磁控制系统改进设计

安治贤1,苗禄1,孙辅晨2

(1.丰镇发电厂,内蒙古丰镇012100;

2.哈尔滨亚源电力有限责任公司,黑龙江哈尔滨150090)

[摘　要]　本文阐述了200MW汽轮发电机励磁控制系统改进设计方案、改进设计原理和主要技术参数的计算方法。文中还简要介绍了改进后的励磁系统动态稳定性分析和运行状况。

[关键词]　励磁控制系统;动态响应;暂态响应;标称响应

[中图分类号]T M761　　[文献标识码]B　　[文章编号]100023983(2003)022*******

Modification of the Excitation Control System for200MW Turbogenerator

AN Zhi2xian1,MI AO Lu1,S UN Fu2chen2

(1.Fengzhen P ower Plant,Fengzhen012100,China;

2.Harbin Aisa P ower E lectric C om pany Limited,Harbin150090,China)

Abstract:　This paper discusses the m odification scheme of the excitation contral system for200MW tur2 bogenerator,its principle and the calculation method of main technical parameters.The paper als o de2 scribes the dynamic stability and the operating condition of the m odified system.

K ey w ords:　excitation control system;dynamic response;transient response;nominal response

1　前言

我国生产的QFS N220022型汽轮发电机全采用同轴交流励磁机带静止二极管整流器励磁控制系统(简称:三机励磁控制系统)。该系统是在20世纪60年代研制开发的,70年代后广泛应用在大型汽轮发电机组上,经数十年的运行证明该型励磁控制系统性能稳定、运行可靠。基于近十几年来,我国电力系统迅速发展,对大型同步发电机的励磁控制系统提出了更高的要求,不但要求励磁系统具有高的动、暂态性能,还要求具有齐全的附加功能,进一步提高电力系统稳定性。20世纪80年代前,为200MW汽轮发电机配套的励磁系统在这方面存在着不足,较难满足近代电力系统对大型同步发电机励磁系统的要求。本文重点阐述200MW汽轮发电机励磁系统的改进设计原理、方法及其取得的成效。

2　励磁系统改进设计原则

200MW汽轮发电机励磁系统改进设计仍采用三机励磁系统,应遵守下列原则:

(1)同轴主励磁机、副励磁机(永磁发电机)不进行改设,保证机组轴系稳定性。

(2)提高励磁系统动态响应速度,以实现快速励磁调节作用。

(3)提高励磁系统暂态特性,当强励顶值电压倍数为2时,标称电压响应提高到3.0p.u./s以上。

(4)自动励磁调节器改设成新型调节器,提高系统性能指标并完善励磁系统附加功能,提高机组运行可靠性。

3　励磁系统改进设计原理和措施

3.1　提高动态小偏差时励磁系统响应速度的原理和措施

200MW汽轮发电机励磁系统简单框图见图1

。

图1　200MW汽轮发电机励磁系统简单框图

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2003.№2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大电机技术

从图中可知发电机励磁控制是通过具有1～2s 时

间常数的主励磁机实现的,实质属于惯性控制系统,难已借助快速励磁调节器,提高小偏差时的励磁响应的快速性。在改进设计中,采用新型调节器,加入主励磁机时间常数补偿回路,即在励磁回路并联硬负反馈环节,反馈信号取自主励磁机磁场电流即相当取自发电机励磁电压信号,见图2

。

图2　改进设计的励磁系统简单框图

从图2可看出当并联硬负反馈环节后,主励磁仍然为一非周期环节但是等效的时间常数和增益降低了,改变反馈增益K H ,可以达到所要求的等效时间常数。由自动调节原理可知,在惯性环节并联硬负反馈后,其等效的时间常数为

T 3

E =

T E

1+K H K E

(1)

式中:T E ———主励磁机工作点的时间常数;

　K E ———励磁机增益,当取标幺值时,K E =1。主励磁机相应增益将下降到:

K 3

e

=

K E

1+K H K E

(2)

由上述分析可看出,采用硬负反馈并联校正环节可以降低励磁机的时间常数,而增益的减小可以借助于提高未被硬负反馈环节包围环节的增益得到补偿,使系统增益满足设计要求。

采用主励磁机时间常数补偿环节,有效地提高了励磁系统的动态响应速度和200MW 发电机静态稳定极限,可将人工稳定角提高到110°。需要指出,当励磁系统大扰动时,如强行励磁,各环节已处于饱和状态,系统处于非线性控制状态,励磁机的时间常数得不到补偿。

200MW 发电机改设的励磁系统,如图2所示,加

装了主励磁机时间常数补偿回路,将主励磁机的时间常数补偿到0.05s ,经运行证明收到了预期效果。3.2　提高暂态响应速度原理及措施

所谓励磁系统暂态响应,是指励磁系统在大扰动时如强行励磁,发电机磁场电压响应速度通常以标称电压响应的数值或电压响应时间来评价励磁系统暂态响应速度。

现将200MW 汽轮发电机的原励磁参数和暂态性能给出:

发电机额定磁场电压:V FD =445V DC ;发电机额定磁场电流:I FD =1763A DC ;发电机空载额定磁场电压:V FDO =130V DC ;发电机空载额定磁场电流:I FDO =672A DC ;

磁场电阻:R FD =0.2367

Ω(75℃);强励顶值电压倍数:K C =2　　(设计值);标称电压响应:RR =1.8p.u./s (设计值);主励磁机的数据及特性曲线略;

永磁发电机数据及特性曲线略;

原励磁系统永磁机为Δ形连接,发电机额定工况下:V P =101V AC ,I P =100.88A AC

标称电压响应为

RR =4[1-2T E (1-e 21

2T E )][V FDC -V FD ]/V FD

(3)

式中:T E ———对应发电机额定工作点的主励磁机时间常数;

　V FD ———发电机额定工况励磁电压;　V FDC ———发电机强行励磁电压。

计算结果RR 为1.8p.u./s ,从式(3)看出,要将

RR 提高到3.0p.u./s 以上,关键是降低T E ,最简单措

施在其励磁绕组回路串接附加电阻,同时增加了副励

磁容量,在技术上可行,但在实施时困难很大。在改进设计工作中,采用提高主励磁机磁场强励电压的措施来提高励磁电流速率从而实现提高标称电压响应的目的,具体措施是将永磁机Δ形连接改成Y 形连接,强励时,将主励磁机的磁场电压提高到5.1倍,当其励磁电流达到相对应的主励磁机电枢电压相当发电机强励时的磁场电压时,瞬时加以使发电机的强行励磁电压在设定时间T L 达到顶值。

采用此措施的基本考虑是,在同一励磁时间常数

T E 下,如在励磁机磁场上加不同倍数的强励电压,则

可得到不同起始的主励磁机磁场电流的响应速度。

26200MW 汽轮发电机励磁控制系统改进设计　　　　　　　　　　　　　　2003.№2

下面计算改进设计的励磁系统RR 值:励磁机工作点的时间常数为

T E =T d 0

工作点斜率气隙线斜率

发电机额定工况下:

励磁机励磁电流I EF =130A DC 工作点斜率=0.857气隙线斜率=2.2

则T E =1.61

0.857

2.2

=0.63(s )强励时,α=10°

V EFC =1V DC

额定时,α=77.4°

V EF =388V DC

滑环电压按2V 考虑。电压响应时间为

T R =0.95T E

K C -1K M -1

式中:K C ———主励磁机磁场电流倍数;

　K M ———主励磁机磁场电压强励倍数。按图3计算T R 为

K C =268

130

=2.06K M =

1-2

38.8-2

=5.1

T R =0.63×0.95×

2.06-1

5.1-1

=0.155(s )

　　标称电压响应的计算,由于利用初始特性,可以按线性特性计算,则式(3)简化成式(4),即:

RR =4×(1-T L )V FDC -V FD

V FD

(4)

其中:T L ———主励磁机电流达到268A 的时间,其计算值为

T L =

T R 0.95=0.155

0.95

=0.163(s )　　则RR 为

RR =4×(1-0.163)×

2-1

1

=3.35(p.u./s )忽略交流电磁时间,主励磁机的励磁电流I EF 与时间的关系同主励磁机电枢电压与时间的关系是一致的,见图3所示

。

图3　I EF =f (t )曲线

改进设计后的励磁系统的暂态特性接近于高起始响应特性,这对改善电力系统动态稳定性,提高电网的输送能力是很重要的。3.3　自动励磁调节器的选择及励磁控制系统模型

200MW 汽轮发电机改进设计的励磁控制系统的自动励磁调节器(AVR ),采用了引进技术国产化型的调节器HWT A —20型,励磁控制系统数学模型见图4。

改计后励磁系统的附加功能齐全,满足现代电力系统对励磁系统的要求。附加功能种类受篇幅所限予以省略。

4　改进后励磁控制系统动态稳定分析和运行

情况简介

4.1　动态稳定分析简介

励磁控制系统动态稳定分析是采用经典自动调节

原理频率和根轨迹法进行的,下面给出其计算结果:

　　　开环增益K A 　　　304p.u.　　　增益裕量H M 14.1dB 　　　相角裕量ΦM 69.9°　　　谐振峰值M P 1.0869　　　频带宽度ωb 6.8r/s

从计算数据可看出,改进设计的200MW 汽轮发电机励磁控制系统的调节精度小于±1%,超量小于10%,而且有着较大的稳定裕量,这对机组的稳定运行

是十分有利的。

3

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2.T.C.C为主励磁机时间常数补偿回路

3.K为功率放大倍数

4.K M为综合放大器增益

5.K C为电流调节器增益

6.K E、T E为电压偏差检测器增益和时间常数

7.K D为DC/DC变换器增益　8.N G1

D G

为AVR发电机的传递函数　9.

C1S

D G

为P.S.S.发电机的传递

函数　10.S E为主励磁机饱和函数　11.V T、ωS为发电机端电压和同步角速度

图4　励磁控制系统模型

　　按照根轨迹计算出P.S.S的参数如下:

K S=10～20

T1=T2=0.15s

T3=T4=0.025s

信号复归电路的时间约20s。

在预投入P.S.S回路时,一定要测量励磁控制

系统在机组有功功率拢动时的频率特性,确定系统阻

尼弱的频率ωx,再进行领前2滞后时间常数的调整,选

择最佳参数,以保证投入P.S.S的有效性。

4.2　改进设计的励磁系统运行情况简介

改进设计的200MW汽轮发电机的励磁系统首台

应用在丰镇发电厂200MW机组上,经十几台机年的运

行证明,改进设计的励磁控制系统运行可靠、稳定,各项技术指标均满足设计要求,性能指标优于原励磁系统,其性能技术指标对比参见表1。

表1　励磁系统技术指标对比

技术指标原励磁系统改进设计的励磁系统调节精度(%)±(1-3)%±1%

超调量(%)<15%<10%

调节时间(s)<10<3.5

顶值倍数 2.0 2.0标称响应(p.u./s)

1.8 3.35

附加功能基本附加功能齐全

5　结论

(1)励磁系统改进设计所采用的理论和计算方法是正确的,可以作为大型发电机组设计人员的参考;

(2)改进设计所采用的技术措施是成功的,

可以进行推广应用;

(3)200MW机组改进设计的励磁系统完全满足现代电力系统对大型发电机组励磁系统的要求,励磁控制系统各种和保护功能齐全,用户可以根据实际情况进行选择应用;

(4)按照本文提供的数学模型自动励磁调节器选用数字型更为理想,同时提高了机组的自动化程度,可以同电厂的监控系统实现通讯联系。

[收稿日期]2003-01-07

[作者简介]

　安治贤(19-),男,内蒙古丰镇人,1985年

毕业于华北电力大学电力系统自动化系,现

从事电力系统自动化工作,工程师。

　苗禄(1966-),男,内蒙古丰镇人,2000年毕

业于内蒙古电视大学电力系统自动化控制

专业,现从事大型发电机组自动控制技术工

作,工程师。

46山口水电站调速器液压部分改造　　　　　　　　　　　　　　2003.№2