大中型火电机组励磁系统主备励无冲击切换研究
——超前补偿法及其应用吴龙　刘为群　李国辉　杨一文　雷秀生摘　要　大中型火力发电机组励磁系统运行时，如果进行励磁调节器（AVR）与备用励磁切换操作，发电机组瞬间会出现很大的无功冲击。为了实现发电机组主备励之间无扰动切换，在建立新的数学模型的基础上，提出了超前补偿法。经过珠江发电厂1号和3号机组的实际应用，证明了超前补偿法有效地解决了机组的无功冲击。
关键词　励磁调节器　励磁系统　超前补偿　备用励磁
分类号　TM712RESEARCHONON-LINE-SWITCHINGBETWEENAVRANDRESERVEEXCITATIONWITHOUTPERCUSSIONINEXCITATIONSYSTEMOFLARGE-MEDIUM-SCALEFOSSILFUELGENERATORUNIT
——Advance-RetrievalMethodandItsApplicationWuLong,LiuWeiqun
(NanjingAutomationResearchInstitute,210003,Nanjing,China)
LiGuohui,YangYiwen,LeiXiusheng
(GuangzhouZhujiangPowerPlant,511458,Guangzhou,China)Abstract　Thereexistsmomentaryreactivepowerpercussionwhenon-line-switchingiscompletedbetweenAVRandreserveexcitationinexcitationsystemoflarge-medium-scalefossilfuelgeneratorunit.Inordertorealizeon-line-switchingwithoutanyreactivepowerpercussionbetweenAVRandreserveexcitation,thispaperestablishesanewmathematicalmodelofexcitationsystemandprovidesadvance-retrievalmethod.ThepracticalapplicationofthemethodtoNo1andNo3unitofZhujiangPowerPlantinChinaindicatesthattheadvance-retrievalmethodsolvesreactivepowerpercussionofgeneratorunitssuccessfully.
Keywords　AVR　excitationsystem　advance-retrieve　reserveexcitation1　发电机主备励切换的必要性及存在问题
　　我国大中型火电机组三机励磁系统的构成如图1所示，其中永磁机输出经励磁调节及整流后供给交流励磁机励磁，交流励磁机的输出经不可控的二极管整流后供给发电机转子励磁。图1　励磁系统主接线图
Fig.1　Themainconnectiondiagramofexcitationsystem　　因常规励磁调节器在性能、工作稳定性、可靠性上已不能满足现代电网对电能质量的要求，我国众多使用模拟励磁调节器的大中型火电机组均面临励磁系统更新改造的问题，而励磁系统更新改造的任务主要是励磁系统核心——励磁调节器的更新改造。随着国内外微机励磁技术的日益成熟，将原模拟励磁调节器更新为微机励磁调节器已成为励磁系统技术改造的主要方向。
　　因为火力发电机组在我国电力系统中有特殊重要的地位，所以电力系统对火力发电机组正常运行的可靠性有极高的要求。考虑到模拟励磁调节器调节性能的局限，目前我国200Mvar及以上容量的汽轮发电机组励磁系统均设置由感应调压器、隔离变压器和二极管整流桥组成的备用励磁装置。
　　由图1可知，由于主励机励磁电源为永磁机，其电源电压在发电机正常运行时与发电机运行工况没有关系，在汽轮机转速不变时是一个恒压源。可以证明，三机励磁系统开环控制是稳定的^［1］。备用励磁的输出仅和副励磁机的定子电压与感应调压器的输出位置有关，对发电机组励磁系统而言，备用励磁是发电机励磁开环人工控制。在开环控制下，发电机励磁电流不受系统电压及发电机运行工况（如发电机所带负荷、变送器测量精度）的影响，虽然备用励磁无法达到动态响应要求，但因其结构简单，因而故障率极低。
　　电力系统的备用容量（热备用与冷备用）或电力不足概率（LOLP）是电力系统安全运行的重要指标。目前我国电力系统备用容量仍不是很充分，因此励磁系统在更新改造后保留原来的备用励磁功能，使励磁系统在微机励磁调节与备用励磁调节共同作用下将故障停运率降到最低，无论对提高电力系统的备用容量或降低电力不足概率，还是对降低发电厂故障停运率、提高经济效益，都是非常必要的。
　　既然保留备用励磁装置，就必须保证发电机运行中能安全地、无冲击地进行自动励磁与备用励磁的切换。因此，更新改造完成后的微机励磁调节装置除了必须具备全部正常调节功能外，还必须保证能对发电机正常运行中的主备励切换（自动励磁与备用励磁切换）进行稳定调节。实际上，对于高起始响应励磁系统，由于励磁调节器处于深控状态，励磁系统主备励切换过程中无功冲击一直是励磁调节装置存在的主要问题之一。目前国内各发电机组主备励切换主要分为2种方式：联跳式与并列式。本文提出的超前补偿法专门针对并列式（转移负荷法）主备励切换。本文论述中在没有附加说明主备励切换方式时提及的主备励切换专指并列式主备励切换方式。联跳式主备励切换实现发电机无功无冲击比较容易，本文不做讨论。2　发电机主备励切换无功冲击的根本原因与补偿原理
2.1　主回路变换导致励磁电压波形突变
　　由图1可知，当备励开关（K₂）闭合之前，即主备励并列运行前，主励磁机励磁主回路为微机励磁调节器控制的可控硅全控整流桥，整流桥直流侧输出波形如图2所示，直流侧电压平均值解析计算公式为：U_Ld=1.35U_FLcosα(1)式中　U_Ld为直流侧电压平均值；U_FL为可控硅整流桥交流侧电压有效值；α为触发角。图2　主备励并列前主控励磁电压波形
Fig.2　WaveformofexcitationvoltagebeforeappositionofAVRandreserveexcitation　　主备励并列（K₂闭合）后，二极管整流桥并在全控桥直流侧，则主励磁机励磁电源主回路变为由可控硅组成并带有续流二极管的全控桥，整流桥直流侧输出波形由图2转变为图3所示的波形，直流侧电压平均值解析式变为：U_Ld′=1.35U_FL［1 cos(β 60°)］(2)式中　U_Ld′为直流侧电压平均值；β为触发角。图3　主备励并列后励磁电压波形
Fig.3　WaveformofexcitationvoltageafterappositionofAVRandreserveexcitation　　从上面的分析可知，在主备励并列瞬间，主励磁机励磁电压的波形发生突变，从波形图上可看出，波形负半波的突然丢失必然导致励磁电压（直流平均电压）上升，随后发电机励磁电流、发电机无功相应上升，导致发电机无功冲击；从整流桥输出直流侧计算解析式可知，在主备励并列瞬间，微机励磁调节装置输出控制角保持不变，即α=β，则直流侧电压平均值的变化值为：ΔU_Ld=U_Ld′-U_Ld=
1.35U_FL［1 cos(α 60°)-cosα］　　(3)由式（3）可知，当α>60°时，1 cos(α 60°)>cosα，即ΔU_Ld>0，主励机励磁电压发生突变，与波形图分析一致。
2.2　发电机励磁系统滞后调节特性
　　图1所示的微机励磁调节系统的数学模型如图4所示。[1][2][3]下一页