一种基于发电机静态稳定极限的最小励磁电流限制方法

摘要

本发明公开了一种发电机最小励磁电流限制方法。目前，发电机最小励磁电流限制采用固定阀值的方法，根据发电机运行时的静态稳定分析，发电机允许励磁电流的最小值与发电机和电网参数以及运行工况相关。固定阀值的最小励磁电流限制方法无法适应发电机工况的变化，无法全范围保证发电机安全运行。本发明采用基于发电机静态稳定极限的特性分析，根据发电机型式、电气参数和电网参数获得发电机不同工况下的最小励磁电流允许值，以此为基础，整定设计发电机各种工况下的最小励磁电流限制阀值，采用闭环调节的方法保证发电机励磁电流不小于最小励磁电流限制阀值，达到全面防止发电机失步的目标，提高了发电机、励磁系统等设备的安全、可靠运行水平。

说明书

技术领域

本发明涉及发电机励磁系统中最小励磁电流限制的整定设计、调节控制领域，具体地说 是一种基于发电机静态稳定极限、用于防止发电机由于励磁电流过小而失步的最小励磁电流 限制方法。

背景技术

发电机并网发电的前提条件是磁场绕组中有足够大的励磁电流，才能将机械能转化为电 能输送至电网，励磁系统即是供给发电机励磁电流的设备。励磁系统输出电流的大小由励磁 调节器决定，励磁调节器实时测量发电机运行状态和系统状态，经过计算输出发电机运行所 需要的励磁电流。一旦励磁调节器测量的运行状态有误或发电机出现一些异常运行情况，就 可能会发生励磁电流过小而导致发电机失步及跳闸，因此，需要一种限制发电机励磁电流过 小的方法。

目前，国内外通常的做法为：预先设定一个单一的最小励磁电流阀值，正常时，励磁调 节器根据发电机和电网运行状态及需求，实时调节励磁系统输出电流，同时，也实时检测发 电机励磁电流，当检测到发电机励磁电流小于预先设定的阀值，励磁调节器即中断正常的调 节方式，改为以发电机励磁电流为调节目标，将励磁电流维持在预先设定的阀值。

但根据现场工程实际运行结果显示，采用该方法虽然发电机励磁电流能限制在预先设定 的阀值，但有时仍会发生发电机失步跳闸的事故，表明只确定一个单一的最小励磁电流阀值 的限制方法，无法保证发电机在任何工况下的安全运行，需要发明一种适用于发电机不同状 态和运行工况的发电机最小励磁电流限制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有方法存在的技术缺陷，提供一种可以根据发 电机运行状态变化的、能够保证发电机任何工况下均不会发生失步的发电机最小励磁电流限 制方法，以解决目前大型发电机组的励磁系统配置的最小励磁电流限制方法不能适应发电机 工况变化的问题。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于发电机静态稳定极限的最小励磁电流限制 方法，其步骤如下：

1)根据发电机型式、电气参数和电网参数计算得到发电机静态稳定极限下的发电机最小 励磁电流理论特性曲线；

2)将发电机最小励磁电流理论特性曲线转换为多个由有功功率和最小励磁电流组成的数 据对；

3)根据最小励磁电流限制阀值安全裕度的计算方法，将步骤2)中的数据对整定为由有 功功率和与有功功率对应的最小励磁电流限制阀值组成的数据对，并由这些数据对形成一条 与有功功率对应的允许运行最小励磁电流限制折线；

4)励磁调节器实时检测发电机有功功率和励磁电流，根据步骤3)确定的与有功功率对 应的允许运行最小励磁电流限制折线，计算当前实际有功功率对应的最小励磁电流限制阀值；

5)比较发电机当前实际励磁电流和步骤4)中所述当前实际有功功率对应的最小励磁电 流限制阀值，当实际励磁电流小于当前实际有功功率对应的最小励磁电流限制阀值时，励磁 调节器调节励磁系统输出，保证发电机实际励磁电流不会小于当前实际有功功率对应的最小 励磁电流限制阀值。

进一步，步骤1)中，最小励磁电流和有功功率的对应关系如下：对于隐极式发电机有： I_fmin＝P_ex_d，对于凸极式发电机有：其中：P_e为发电机有功功 率，I_fmin为发电机最小励磁电流，δ₀为对应于最小励磁电流的发电机功率角；x_d,x_q为发电 机纵轴阻抗和横轴阻抗，对于隐极式发电机，两者相等。

进一步，步骤3)中，最小励磁电流限制阀值安全裕度的计算方法如下：

$I_{f\min .\mathrm{set}}=\left(\begin{array}{cc}{k}_1{I}_{f\min }+k_2& I_{f\min }\ge 0\\ k_2& I_{f\min }<0\end{array}\right)$

其中：I_fmin.set为最小励磁电流限制阀值，I_fmin为步骤2)中的最小励磁电流；k₁,k₂为裕 度系数。

本发明采用基于发电机静态稳定极限的特性分析，根据发电机型式、电气参数和电网参 数获得发电机不同工况下的最小励磁电流允许值，以此为基础，整定设计发电机实际运行中 各种工况下的最小励磁电流限制阀值，采用闭环调节的方法调节励磁系统输出，保证发电机 励磁电流不小于最小励磁电流限制阀值，达到全面防止发电机失步的目标，提高了发电机、 励磁系统等设备的安全、可靠运行水平。

附图说明

图1为同步发电机运行相量图。

图2为本发明最小励磁电流理论特性曲线图(图2a为隐极式，图2b为凸极式)。

图3为本发明与有功功率对应的允许运行最小励磁电流限制折线图(图3a为隐极式，图 3b为凸极式)。

图4为本发明发电机最小励磁电流限制原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

同步发电机分为隐极式和凸极式，同步发电机运行相量图1所示，在假设机端电压额定 下，可以计算同步运行有功功率和励磁电流为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_e=\frac{E_q}{x_d}\sin \delta +(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})\sin \delta \cos \delta \\ I_f=E_q=\frac{P_e{x}_d}{\sin \delta }-(\frac{x_d}{x_q}-1)\cos \delta \end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：P_e为发电机有功功率；

E_q为发电机内电势；

I_f为发电机励磁电流；

δ为发电机功率角；

x_d,x_q为发电机纵轴阻抗和横轴阻抗，对于隐极式发电机，两者相等。

当发电机为隐极式时，式(1)可以转化为：

$I_f=\frac{P_e{x}_d}{\sin \delta }\Rightarrow I_{f\min }=P_e{x}_d---\left(2\right)$

则隐极式发电机最小励磁电流理论特性曲线如图2a所示。

当发电机为凸极式时，式(1)中励磁电流到达最小时的条件为：

$\frac{{\mathrm{dI}}_f}{\mathrm{d\delta }}=0\Rightarrow -\frac{P_e{x}_d\cos \delta }{{\sin }^2\delta }+(\frac{x_d}{x_q}-1)\sin \delta =0$

$(\frac{x_d}{x_q}-1){\sin }^3\delta =P_e{x}_d\cos \delta \Rightarrow {\sin }^3\delta =\frac{P_e{x}_d{x}_q}{x_d-x_q}\cos \delta$

${\left({\sin }^2\delta \right)}^3+{\left(\frac{P_e{x}_d{x}_q}{x_d-x_q}\right)}^2{\sin }^2\delta -{\left(\frac{P_e{x}_d{x}_q}{x_d-x_q}\right)}^2=0$

记：$k={\left(\frac{x_d{x}_q}{x_d-x_q}\right)}^2$则上式为：

${\left({\sin }^2\delta \right)}^3+k{P}_e^2\times {\sin }^2\delta -k{P}_e^2=0---\left(3\right)$

式(3)一元3次方程的有效解为：

$\left(\begin{array}{c}{\sin }^2{\delta }_0=\\ \sqrt[3]{1/18}\times (\sqrt[3]{\sqrt{81k^2\times P_e^4+12k^3\times P_e^6})+9k\times P_e^2+}-\sqrt[3]{\sqrt{81k^2\times P_e^4+12k^3\times P_e^6}-9k\times P_e^2})\end{array}\right)$

${\delta }_0=\arcsin {(\sqrt[3]{1/18}\times (\sqrt[3]{\sqrt{81k^2\times P_e^4+12k^3\times P_e^6})+9k\times P_e^2+}-\sqrt[3]{\sqrt{81k^2\times P_e^4+12k^3\times P_e^6}-9k\times P_e^2}))}^{0.5}$

则对应该有功功率下的励磁电流最小值为：

$I_{f\min }=\frac{P_e{x}_d}{\sin {\delta }_0}-(\frac{x_d}{x_q}-1)\cos {\delta }_0---\left(4\right)$

则凸极式发电机最小励磁电流理论特性曲线如图2b所示。从图中可知，当有功功率小于 一定值后，凸极式发电机最小励磁电流小于0，这说明，当有功功率小于一定值后，即使励 磁系统不输出电流，凸极式发电机也可以稳定运行，即此时不需要作最小励磁电流限制。

根据发电机型式、电气参数、电网参数和静态稳定极限条件，绘制最小励磁电流理论特 性曲线后，可以确定运行中允许的最小励磁电流限制折线，限制折线与理论曲线之间保留一 定的安全裕度，同时理论曲线上励磁电流小于0的曲线以0计算。安全裕度计算方法如下：

$I_{f\min .\mathrm{set}}=\left(\begin{array}{cc}{k}_1{I}_{f\min }+k_2& I_{f\min }\ge 0\\ k_2& I_{f\min }<0\end{array}\right)---\left(5\right)$

式(5)中I_fmin.set为最小励磁电流限制阀值；

I_fmin为公式(2)或(4)计算得到的最小励磁电流；

k₁,k₂为裕度系数。

按式(5)计算的最小励磁电流限制折线如图3所示。

发电机最小励磁电流限制折线确定后保存在励磁调节器中，发电机励磁系统运行时，励 磁调节器实时检测发电机有功功率和励磁电流，根据有功功率和限制折线计算出当前有功功 率下的最小励磁电流限制阀值，将发电机实际励磁电流与最小励磁电流限制阀值比较，如果 发电机实际励磁电流小于最小励磁电流限制阀值，励磁调节器调节励磁系统输出，输出增加 励磁电流的命令，保证发电机励磁电流不小于最小励磁电流限制阀值，发电机最小励磁电流 限制原理如图4所示。