新型灭磁在自并励发电机上应用研究

1新型灭磁在自并励发电机上应用研究陈贤明王伟吕宏水刘国华朱晓东国电自动化研究院电气控制研究所南京323信箱,210003摘要：文献[1]讨论了非线性电阻和电容器并联后，跨接到磁场绕组两端的新型灭磁方案，主要是利用磁场开关主触点分断后，由电容器和磁场绕组产生谐振，导致电容器电压上升，当电容器电压上升到超过或等于非线性电阻残压时，非线性电阻即投入，电容器上电压不再上升，这种灭磁的方法，对灭磁开关的开断弧压要求降低了，本文进一步探讨自并励水轮发电机空载误强励下，用新方案灭磁的情况，这里利用了在d,q轴坐标下同步电机Park方程，考虑了阻尼绕组和发电机空载特性饱和的影响，进行了仿真，得到了予期的结果。关键词：水轮发电机，自并励，灭磁，电容器，非线性电阻AnApplicationStudyofaNewDe-ExcitationMethodforGeneratorwithSelf-ShuntExcitationChen,XianmingWang,WeiLu,HongshuiLiu,GuohuaZhuXiaodong(NanjingAutomationResearchInstitute,P.O.Box323Nanjing210003)Abstract:Anewde-excitationmethod,inwhichcapacitorswithparallelconnectedvaristorareconnectedtobothterminalsoffieldwindingdescribedinliterature[1].Itutilizesresonanceproducedbetweencapacitorsandfieldwinding,soonafterfieldbreakeropening.Theresonancecausesvoltageriseofthecapacitors.VaristorwillputintooperationwhenvoltageofthecapacitorsriseshigherthanthresholdvalueofthevaristorThenvoltageofthecapacitorsnolongrises.Requirementforarcvoltageoffieldbreakeropeninginthiscaseisdecreased.Inthepaper,withthenewde-excitationmethod,de-excitationaself-shuntexcitedno-loadgeneratoraftermal-forcedexcitationisstudied.Parkequationsind,qaxisofsynchronousgeneratorwithdampingwindinginrotorareused.Besidesinfluenceofsaturationofno-loadcharacteristicofgeneratorisaccounted.Finallyanexamplesimulationisimplementedandthepredictedresultsareobtained.Keywords:HydraulicGenerator,Self-shuntexcitation,De-excitation,Capacitor,Varistor0.前言文献[1]探讨了用电容器并联于非线性电阻的传统灭磁电路进行了分析，其主要目的是为了降低对磁场开关开断弧压的要求，但并没有结合同步发电机的实际情况，本文将研究自并励水轮发电机空载误强励的情况下，新型灭磁方案灭磁的效果，为了尽量接近实际情况，考虑水轮发电机转子上阻尼绕组以及发电机空载特性饱和的影响，同步发电机的数学模型是按照d,q坐标轴下的park微分方程组建立。考虑到当前多数发电机组都采用维护方便，结构简单可靠，动态响应快的自并励励磁系统，因此本文也是有针对性地研究自并励水轮发电机在一种典型的严重故障情况，即空载误强励下的灭磁。本文利用Matlab/Simulink的软件，针对三峡左岸电厂的700Mw水轮发电机进行了上述情况的仿真。最后本文将研究新型灭磁方案下，对磁场开关开断弧压的要求，以及合理选择的原则，这也是本方案最终的目标。1.同步发电机park微分方程为了个简单起见，现在只列出同步发电机空载时在d,q轴坐标内的park微分方程.注意空载时定子电流的d,q轴分量id=iq=0,定子q轴磁链ψq=0电压方程：定子：ddpU(1)pUdq(2)磁场：ffffpriU(3)阻尼绕组：dddpir1110(4)2磁链方程：:定子：dadfaddddiLiLiL1(5)磁场：dadffdadfiLiLiL1(6)阻尼绕组：ddfaddaddiLiLiL1111(7)同时考虑发电机在同步速旋转，即Pθ=2πf，再将磁链方程代入电压方程后得)(1dadfaddiLiLSU(8)fiLiLUdadfadq2)(1(9))(1ffdadfffiLiLSirU(10))(01111ddfadddiLiLSir(11)其中微分算子S=d/dt=p按Simulink习惯书写。方程(8)至(11)便是水轮发电机空载的微分方程组。图1是自并励发电机的主线路，Tr是晶闸管整流桥，EPT是励磁变压器，它的起励和运行需要励磁调节器(AVR)进行闭环控制。图1发电机的自并励励磁系统众所周知同步发电机空载特性是非线性的，应该指出,在经济和技术方面合理设计的水轮发电机，其在标幺制中的空载特性不应和下述常规空载特性Uo=f(if)(标幺制)相差太大。表1常规空载特性(前2行)Uo00.551.01.211.331.4if00.51.01.52.02.5Uo'00.551.01.1941.3221.4121单位励磁电流if对应机端额定电压(Uo=1单位电压)为在仿真计算中便于计及空载特性的非线性，采用了文献[2]推荐的表达式：如if=Ib则Uo=Lif,(12)如ifIb则Uo=(M*if)/(N+if),(13)其中Ib是上述2个函数交点的励磁电流.如果实际的空载特性己知，就可用试凑法逐步确定合适的系数L,M,N。对常规空载特性可采用以下值:L=1.1,M=1.95,N=0.95.将它们代入(12),(13)中可得Ib=0.823.表1中的下2行为替代的空载特性U0’。替代空载特性U0’和常规空载特性U0的误差很小，在工程应用中完全允许。对应于发电机空气隙主磁链的直轴互感Lad当if=Ib=0.823则：Lad=λL(14)当ifIb=0.823则Lad=λUo/fi,亦即,Lad=λM/(N+fi)=1.95λ/(0.95+fi)(15)系数λ是用来求Lad的实际值，亨利2.灭磁方程图2新型灭磁方案图2表示了作者们提出的新型灭磁方案[1]，本方案中用了磁场开关FMK的常闭触头，以防止发电机正常运行时，整流输出的磁场电压中负值谐波电压经电容器产生负向电流。二极管D是在利用LfCr谐振灭磁时，防止磁场绕组流过反向电流。初看起来灭磁时，在磁场开关断开瞬刻的发电机转子电路方程应为：Uf-Uk=rf×if+S(Lf×if+Lad×i1d)(16)Uk为磁场开关开断弧压。但进一步分析可知：A).当磁场开关FMK常闭触头先合上、常开主触头未分开时，加于电容器C两端的励磁电压Uf为正，电容器电路因二极管D的单向性而不导通。B).当主触头分开时，产生了弧压Uk，如加于电容器C两端的Uf-Uk为负值时(注意开断弧压Uk必须大于Uf+ΔU,ΔU是二极管D的管压降)，电容器电路接通，且电容器接通初瞬相当于短路，磁场电流if立即转移到沿着电容器C、二极管D的电路，使流过磁场开关常开主触头的电流迅速降至零，导致磁场绕组和励磁电源Uf断开，这时式(16)不再成立，而变成：3rf×if+S(Lf×if+Lad×i1d)+Ux=0(17)和ic+i1=if(18)其中ic为电容器电流，i1为非线性电阻上的电流，它们可分别表示为：ic=dtdUCc(19),i1=1)(kUx(20)注意因电容器C和非线性电阻R是并联的Uc=Ux。由于磁场开关FMK常开主触头断开到磁场绕组被电容器C短路时间十分短，因此上述方程(17)～(20)就应是水轮发电机空载用本方案灭磁的基础。3.仿真结构图图5是自并励发电机空载或空载误强励灭磁仿真的Simulink总结构图，子模块SGmdl是包括灭磁方程(17)～(20)在内的同步发电机空载下在d,q轴下方程(8)～（11)的数学模型，子模块PID是自并励发电机调节器（AVR）的核心，它的输入有电压给定Ref，和反馈量In1,即端电压U0(额定相电压=11547v)的测量值的标幺值。开关Switch2及定时器Timer用于控制空载误强励的瞬刻，这里误强励假定因端电压测量值出错，降至0.9额定值引发，PID输出是用于三相全控整流桥晶闸管的触发控制角α，它经Cos取值后，和来自端电压U0及励磁变压器变比及有关整流系数相乘后，得到了自并励系统的励磁电压，后者经开关Switch4送到开关Switch1去进入磁场绕组，Uf0=5v是自并励系统的点火电压。定时器Timer1是用来控制灭磁瞬刻的，Switch4开关可用来控制灭磁瞬刻磁场绕组和励磁电源断开后，加上的零电压。图5自并励发电机空载误强励灭磁仿真用Simulink总结构图图6是图5中”SGmdl”子模块的d,q坐标下空载同步发电机及灭磁模型。上部”de-ex”子模块是灭磁模块，其结构图如图7所示。其上部为求ic和i1的方程(18)，(19)，(20)，下部为计算灭磁后非线性电阻，磁场绕组，d轴阻尼绕组和电容器吸收的磁能,W,Wr,Wdp,Wc。开关SW是在非线性电阻的电流i1=0时，将电容器电压Uc切到零值，clk是灭磁起动信号。图6下部带分积分器1/S的电路代表方程（11）,上部带分积分器1/S的电路代表方程(10)，右下部为方程(8)，和(9).其中方程(8)中的微分算子S=du/dt在这用差分代替，以免状态突变时无解。模块Inductance1用来考虑受发电机空载特性饱和影响的d轴电感的参数，其中计及了式（14）,（15）注意这里对饱和起作用的除了if外，还有i1d。4.仿真结果现以ABB公司为三峡左岸水电厂提供的水轮发电机数据为例，其主要数据如下：额定功率700Mw4图6.空载同步发电机在d,q轴和灭磁模型SGmdl图7“de-ex”灭磁子模块额定电压20kv(相电压11547V)额定转速75转/分额定功率因数0.9额定励磁电压、电流475.9V、4158A空载额定电压下励磁电压，电流191.8V、2352A，采用静止自并励系统。sTdo1.10sTd2.3295.0/315.0dx(不饱和值/饱和值)835.0/939.0dx2.0/24.0''dxsTa28.0和)130(1144.0Crofd本仿真中转子磁场绕组电阻采用空载时的和130°C的平均值即：rfd=(191.8/2352+0.1144)/2=0.098Ω空载励磁电压用计算值Uf0=2352*0.098=230.5v磁场绕组自感计算Lf='0dfdTr0.098*10.1=0.99H假设磁场绕组漏感Lfs[3]Lfs=0.187H在本例中，假定ABB的水轮发电机空载特性为常规特性，用替代特性，即表1中第2，3行表示，此空载特性的转折点为Uo=0.905,if=0.823仿真中用到的发电机其它参数可参考文献[3]。在本例中假定非线性电阻是氧化锌α=0.046,额定励磁电流下灭磁时反压为2Kv其非线性系数k=1363。另外假定电容器C取1000微法。图5中各数字表表示了自并励发电机空载起励到额定电压的仿真结果，用来检验所给发电机参数的正确性，表1列出了发电机空载的实际给定值与仿真结果值，可看出两者十分接近。表1结果对比端电压U0(