火力发电厂发电机励磁调节系统故障及对策研究
时间：2023-02-28 11:20:07 来源：千叶帆 本文已影响人
吴妮娜
（国能浙江北仑第一发电有限公司，浙江 杭州 315800）
火力发电机最重要的组件是励磁系统，其不仅影响电能生产的稳定性，也影响企业的健康成长［1-2］。本研究对火力发电厂发电机励磁系统的常见故障进行剖析，为我国火力发电厂发电机励磁系统的维修及维护提供参考。
1.1 主要功能
在火力发电过程中，励磁系统发挥着控制电压、提高电力设备安全性及增强电力系统稳定性等作用［3］，其最重要的组成部分是励磁功率单元及励磁调节器。其中，励磁功率单元是将励磁电流输送给发电机转子，励磁调节器则控制励磁功率单元的输出［4］。输出功率一方面要结合实际的输入信号，另一方面则基于具体的调节算法［5］。此外，励磁系统还负责部分接口电路模块的信号输入及输出。
1.2 基本结构
励磁系统由励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流器和起励灭磁单元组成［6］。励磁电流调节、同步发电机端电压等功能均由可控硅整流器来实现［7］。本研究以舟电4号机励磁系统为例，介绍自并励励磁系统的结构（见图1）。
2.1 PID调节及算法
PID调节器虽能通过减少比例来对系统的惯性时间常数加以控制，但在一定程度上会影响系统的稳定性。为了消除稳态误差，火力发电厂采用微分调节的方式，通过放大调节的倍数比例，让系统的稳定性得到提升。PID调节的具体值见式（1）。
式中：E（t）=Ug-UC，Ug、U C为电压给定值和电压测量值；
Y（t）与Kp分别为控制输出与比例系数；
与消除静态误差相关的e（t）及Ki分别为机端的电压偏差信号及积分常数；
Kd为改善系统静态误差相关的微分常数；
d为具体输出量。
2.2 PSS电力系统稳定器
发电机闭环励磁调节器处于稳定状态时，发电机端的电压反馈量显示为负。一旦发生转子功率角振动，转子功率角的电流相位便会领先励磁系统所提供的励磁电流，而当该频率达到限界时，将导致滞后角度超出180°。此时，系统将因转子功率振荡而产生“负阻尼”，而原本的反馈由负反馈转变为正反馈。
图2为PSS电路通用框图，隔直电路中n=1或2。放大单元的输入值可改善加速功率偏差（ΔPa）、频率偏差（Δf）、转速偏差（Δω）、电功率偏差（ΔPe）中的一个信号或几个信号。V为速度，Tω为隔值环节时间常数，K为放大倍数，T1-T4为超前滞后环节的时间常数，R1、R2为半径常数。
若使用PID调节器进行控制，并辅以发电机的电压偏差信号进行调节励磁，可改善发电机的静态和动态稳定性。当发电机动态及静态励磁足够稳定时，励磁系统将提供超前相位输入，从而对励磁电流的滞后相位进行补偿，最终达到解决负转矩的效果。此外，因为PID调节系统控制电压的形式是持续不断地对电压偏差进行调节，故系统并不能自主识别阻尼转矩当前值是正或负，导致电压调节无法估计阻尼转矩为正值时的相位需求。对此，火力发电站在自动电压调节的基础上采用PSS电力系统稳定器，选择转速、功率及频率偏差中的一种或两种信号作为附加控制。
图1 舟电4号机自并励磁系统图
舟电4号机励磁系统采用南瑞科技生产的NES6100励磁调节器，该调节器提供双输入型PSS2B模型及多频段控制型PSS4B模型（IEEE Std.421）。
图2 PSS电路的通用框图
3.1 软件系统
人机界面与监控程序是励磁调节器系统的重要组成部分。其中，基于人机界面交互可对各项试验数据及参数进行修改，监控负责调控整个发电励磁系统。如图3所示。
3.1.1 系统初始化。系统初始化是调节器在运行前对基础系统程序进行配置，将计算机及接口模块还原为初始状态，系统根据所设置的具体值进行调节，当调节后的程序符合起励要求时，系统便会进行控制状态。
3.1.2 开中断。调节器在满足开机条件后会自动进入调节与控制状态。此时，调节器将新增程序中断功能。此外，在调用中断程序执行中断指令时，只用执行中断主程序即可。当中断程序执行完毕后，系统将再度返回主程序。
3.1.3 故障检测设置。检测程序不仅会检测励磁系统是否存在故障，也会判别出许多故障类型，如TV是否存在断线、电源电压是否稳定以及硬件检测信号是否正常等。
3.1.4 终端显示和微机接口命令。借助终端显示器可随时获取发电机与调节器的运行状况，通过微机的接口命令能实时写出参数，并开展动态试验。此外，在调解程序运行期间，主程序将循环执行接口命令，此时定时器也会产生中断信号，并中断当前正在执行的程序，之后是否继续执行负载程序主要是由开关状态而定。
3.1.5 控制调节程序。控制调节程序主要用于对判别程度加以限制，并对电压调解程序进行检查，检查的内容包括发电机端电压、PID计算、计算调差等。
3.2 限制流程
图3 主程序示意图
励磁调节器搭载的各类限制器是为了限制励磁系统运行时的各项数值，使其保持在合理的范围，以免对系统的稳定性产生影响。如发电机空载V/F限制、滞相无功限制、无功限制及反时限强励定值限制等。
3.2.1 低励限制器。低励限制用于限制同步发电机进相运行时的无功功率，防止深度进相造成发电机不稳定运行。低励限制曲线由有功功率和对应的无功功率限制值组成，曲线形状与发电机的定子电压值有关，当发电机电压变化时，限制曲线也随之发生偏移。
3.2.2 过励限制器。过励限制器是在保证励磁绕组不过热的前提下，充分利用励磁绕组短时过载的能力，尽可能在系统需要时提供无功功率，支持系统电压恢复，即保证强励能力。
3.2.3 励磁电流限制器。励磁电流限制器包括最大励磁电流瞬时限制和负载最小励磁电流限制。最大励磁电流瞬时限制可设定三段励磁电流限制值。当励磁电流超过设定的限制值并持续到动作时间后，最大励磁电流瞬时限制动作会把励磁电流降至安全的数值。负载最小励磁电流限制可避免机组深度进相导致失磁。该限制器为瞬时动作，要设定的参数为负载最小励磁电流限制值。发电机进相运行时，励磁电流将被限制在给定励磁电流限制值以上。
3.2.4 V/Hz限制。发电机空载端电压与所连磁通成正比，为避免发电机组和励磁变压器铁芯发生过磁通饱和的现象，励磁调节器设有V/Hz限制器。如果发电机机端电压超过某一频率的电压限制值，在设定动作时间后，限制器将发出V/Hz限制动作信号，降低机端电压给定值至当前频率下的电压限制值，同时发出增磁禁止信号。
3.3 自检、自诊断功能
电机励磁系统所具有的自检与自诊断功能是在系统出现电源电压低、电源消失及超出上下限等故障时发出故障信号，并进行备用通道切换。舟电4号机组励磁系统NES6100具有功率柜同步电压相序及相位检测、发电机机端电压相序及相位检测等功能。
为保证火电机组稳定运行，当励磁系统发生故障时，必须采取措施解除故障，否则将对电网运行和设备安全造成重大影响［10］。
4.1 发电机无法起压故障处理措施
发电机励磁系统发生故障极有可能导致发电机无法起压，从而对发电机的稳定运行产生影响［11］。对此，维护人员先对励磁线路的连线情况进行检查，在确认励磁线路连线正确的前提下，方可进行回路恢复。待回路恢复后，维护人员还要进行运行测试，确保发电机运行稳定。
4.2 发电机失磁故障处理措施
发电机失磁故障会降低电网电压，从而对供电质量产生影响［12］。对此，为避免威胁用户的用电安全，要及时处理失磁故障，并对故障设备进行停机处理，再将故障设备脱离出发电机组进行维护检修，避免对其他机组的稳定运行产生影响。
4.3 汽轮发电机转子两点接地故障处理措施
汽轮发电机的转子两点接地故障具有较大的危害性。可采用以下两种改善方式。一是加强日常的机组巡检及维护，避免两点接地故障发生。二是在发电机励磁回路中安装绝缘检测装置，确保在最短时间内处理好发电机接地现象，避免危害范围进一步扩大。此外，为保障发电器设备的安全运行，并提升其作业的稳定性，要定期对发电机的转子接地现状进行评估。
综上所述，火力发电厂的发电机励磁系统不仅关乎电能生产的稳定性，也将决定企业能否健康成长。因此，火力发电厂必须对发电机励磁系统的维修及维护给予高度重视，采取合理的检修处理措施来降低磁力系统的故障概率，以此方能维护企业的健康成长，继而为我国社会经济的稳定发展做出贡献。
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