同步發(fā)電機(jī)新型疊加強(qiáng)勵勵磁回路二極管故障和電容并聯(lián)作用

同步發(fā)電機(jī)新型疊加強(qiáng)勵勵磁回路二極管故障和電容并聯(lián)作用分析王利來1，劉念1，潘榮超1，黃大可2，李建1，李順1（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,成都610065；2.中國長江電力股份有限公司葛洲壩電廠,湖北宜昌443002）摘要：針對同步發(fā)電機(jī)新型疊加強(qiáng)勵勵磁系統(tǒng)的可行性，本文重點(diǎn)研究了新型疊加強(qiáng)勵疊加回路的二極管故障以及并聯(lián)電容對波形的影響。通過Matlab仿真結(jié)果表明，二極管故障對勵磁系統(tǒng)會造成很大影響，尤其是主回路并聯(lián)二極管出現(xiàn)短路故障時，強(qiáng)勵疊加將導(dǎo)致失敗，必須給予重視。同時，經(jīng)過整流后的電流在并聯(lián)一個電容進(jìn)行處理時，并不能對轉(zhuǎn)子電流波形產(chǎn)生平波作用，因此在工程上不需要這種平波方式。關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)；疊加強(qiáng)勵；自并勵系統(tǒng)；二極管故障；并聯(lián)電容中圖分類號:TM93文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1001-1390（2014）00-0000-00AnalysisoftheStrongExcitationCircuitDiodeBreakdownofStrongExcitationCircuitofSynchronousGeneratortheNewTypeSuperpositionStrongExcitationSystemfortheSynchronousGeneratorandtheFunctionofShuntCapacitanceWANGLi-lai1,LIUNian1,PANRong-chao1,HUANGDa-ke2,LIJian1,LIShun1(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SichuanUniversity,Chengdu610065,China.2.YangtzePowerofGezhoubaHydroelectricPowerPlantofChina,Yichang443002,Hubei,China)Abstract:Inordertostudythefeasibilityofthenewsuperpositionstrongexcitationsystemforthesynchronousgenerator,newsuperpositionstrongexcitationsystemoftheself-shuntexcitationsystem,thisessaypaperfocusedonthediodebreakdownofthenewtypesuperpositionstrongexcitationcircuit,andtheeffectsofshuntcapacitanceeffectsofonthewaveform.ThroughthematlabTheMatlabsimulationresultsshowedthattheinfluenceofdiodebreakdownwouldhavegreateffectsinstrongexcitationcircuitontheexcitationsystem,isverybad,andespeciallywhenshort-circuitfaultsoccurredonthemaincircuitparalleldiode,takesplaceshort-circuitfault,superpositionstrongexcitationwillwouldberesultinfailure,soweitmustpayshouldbepaidspecialattentionto.it.Andtherectifiedcurrentflowingofrotorthroughashuntcapacitorcouldnotproduceanyflowingofrotorthroughashuntcapacitorhasnoapparenteffectonthefunctionofsmoothingwaveform.Sothissmoothingwaveformmethodisnotusedinontheengineering.andtheory,thiskindofsmoothingwaveformmethodisnotused.KeyWords:synchronousgenerator;,superpositionstrongexcitation;,self-shuntexcitationsystem;,diodebreakdown;,shuntcapacitance0引言同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)起著重要的作用，優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，提供合格的電能，而且還能改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定條件[1-4]。在大型水電機(jī)組中，靜止勵磁系統(tǒng)已成為唯一可選擇的主流勵磁方式[5-8]。近年來我國工業(yè)化的快速發(fā)展，電力需求越來越高，在這種背景下，柔性交流輸電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活快速的適時控制，大幅提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[9]。而傳統(tǒng)的勵磁系統(tǒng)，為滿足在機(jī)端電壓下降的情況能夠得到足夠的強(qiáng)勵，晶閘管整流器必須處于深度控制狀態(tài)[10]，在正常運(yùn)行的情況下，這種運(yùn)行效率非常的低。隨著大機(jī)組大電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)更加強(qiáng)調(diào)高頂值倍數(shù)，其直接后果就是勵磁變壓器容量越配越大，投資成本、運(yùn)行損耗和維護(hù)成本隨之增長。各種問題隨之出現(xiàn)，如波形畸變，諧波損耗嚴(yán)重，處于深度控制狀態(tài)的晶閘管面臨更高的換相電壓。為了滿足柔性交流輸電的要求以及克服傳統(tǒng)自并勵系統(tǒng)勵磁變壓器的缺陷，有關(guān)專家開始研究大型水電機(jī)組第三代勵磁系統(tǒng)，第三代勵磁系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)更加安全，更加經(jīng)濟(jì)，更加高效，更加穩(wěn)定，更加節(jié)能環(huán)保[11-12]。本文主要研究了同步發(fā)電機(jī)自并勵疊加強(qiáng)勵部分的二極管故障分析，利用Matlab仿真分別對整流橋的一個二極管出現(xiàn)故障和主回路中并聯(lián)的兩個二極管故障進(jìn)行分析，結(jié)果表明二極管故障對勵磁系統(tǒng)有較大影響。其次研究電容對整流波形的影響。由于經(jīng)過整流橋整流過的電流波形是波動，而這種波動如果太大會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)單相橋整流經(jīng)過電阻后的波形與整流后經(jīng)過一個電阻與并聯(lián)電容時，波形的振動幅度會變的小些。通過仿真探討在勵磁回路中并聯(lián)電容對整流后的波形是否具有平波作用。1新型疊加強(qiáng)勵勵磁回路工作方式該型勵磁方式在原有同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了勵磁變壓器第三繞組強(qiáng)勵勵磁方式和備用電源強(qiáng)勵勵磁方式，如圖1所示。圖1新型疊加強(qiáng)勵勵磁回路仿真圖Fig.1SimulationofthenewsuperpositionSstrongexcitationcircuitofnewtypesuperpositionsimulationfigure當(dāng)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓由Source1跌至Source2時，如果下跌幅度超過控制角的調(diào)控范圍或下跌速度過快，則先將廠用電Source3疊加進(jìn)去。若疊加后仍不能滿足強(qiáng)勵要求，則再將備用電源（勵磁變壓器第三繞組）疊加上。此種勵磁方式會將勵磁整流橋的觸發(fā)角α由70°~80°提高至50°左右甚至更小?？刂祈憫?yīng)快，且并未對原有勵磁回路進(jìn)行大的修改，極好的滿足了柔性交流輸電的要求。2新型疊加強(qiáng)勵勵磁回路二極管故障分析主回路中的整流橋故障已有前人分析[13]，此篇文章中就不予以考慮了。主要分析疊加強(qiáng)勵時強(qiáng)勵整流橋二極管和主回路二極管故障對勵磁系統(tǒng)的影響。2.1強(qiáng)勵整流橋二極管斷路故障先以強(qiáng)勵整流橋二極管出現(xiàn)斷路故障進(jìn)行仿真。假設(shè)強(qiáng)勵疊加后15s時，強(qiáng)勵疊加橋D5出現(xiàn)斷路故障，仿真結(jié)果如圖2和圖3：圖2強(qiáng)勵疊加15s時二極管D5出現(xiàn)斷路故障轉(zhuǎn)子電流波形Fig.2TherotorcurrentwaveformwhenthediodeD5openscircuitbreaksdownonthe15softhestrongexcitationsuperimposingsuperposition圖3強(qiáng)勵疊加15s時二極管D5出現(xiàn)斷路故障轉(zhuǎn)子電壓波形Fig.3TherotorvoltagewaveformwhenthediodeD5openscircuitbreaksdownonthe15softhestrongexcitationsuperimposingsuperposition當(dāng)二極管D5出現(xiàn)斷路時，強(qiáng)勵整流橋整流出來的波形會由六脈波變成四脈波。由于脈波的缺失，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流的下降和電壓的波動，如圖2和圖3所示。尤其是轉(zhuǎn)子電壓，在15秒后出現(xiàn)巨大波動。但轉(zhuǎn)子電流因?yàn)檗D(zhuǎn)子電感的平波作用減小了波動幅度。2.2強(qiáng)勵整流橋二極管短路故障當(dāng)二極管D5在15s出現(xiàn)短路故障，仿真結(jié)果如圖4和圖5。圖4強(qiáng)勵疊加15s時二極管D5出現(xiàn)短路故障轉(zhuǎn)子電流波形Fig.4TherotorcurrentwaveformwhenthediodeD5shortscircuitoccursonthe15softhestrongexcitationsuperpositionsuperimposing圖5強(qiáng)勵疊加15s時二極管D5出現(xiàn)短路故障轉(zhuǎn)子電壓波形Fig.5TherotorvoltagewaveformwhenthediodeD5shortscircuitoccursonthe15softhestrongexcitationsuperpositionsuperimposing當(dāng)二極管D5在強(qiáng)勵疊加后15s時出現(xiàn)短路故障時，轉(zhuǎn)子電壓會劇烈的波動，而且在某時還出現(xiàn)瞬間的負(fù)值。對變壓器而言，當(dāng)D5出現(xiàn)短路故障時會造成強(qiáng)勵疊加變壓器的二次側(cè)兩相短路，也就是說出現(xiàn)短路故障比出現(xiàn)斷路故障對勵磁系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重。2.3主回路并聯(lián)二極管故障在15s時并上勵磁變壓器第三繞組進(jìn)行強(qiáng)勵時，流過主回路二極管的電流波形如圖6。圖615s時疊加強(qiáng)勵經(jīng)過主回路二極管電流波形Fig.6Themaincircuitdiodecurrentwaveformwhenthesuperpositionstrongexcitationsuperimposespassesthroughthemaincircuitonthe15s如圖6所示，當(dāng)強(qiáng)勵在15s疊加上去時，經(jīng)過主回路二極管D7和D8的電流為零。故這兩個二極管的設(shè)置是為了防止強(qiáng)勵疊加時強(qiáng)勵部分出現(xiàn)環(huán)流短路。當(dāng)勵磁系統(tǒng)正常工作時，務(wù)必確保D7和D8不能同時斷開。當(dāng)強(qiáng)勵疊加時，要保證D7和D8任意一個不能出現(xiàn)短路故障。3二極管故障處理方案在傳統(tǒng)勵磁方案中，為防止整流二極管出現(xiàn)以上故障，整流柜中采用幾個整流橋并聯(lián)在一起進(jìn)行整流，如果哪個二極管出現(xiàn)故障，則它所在的整流橋整體退出運(yùn)行，并報警。為防止強(qiáng)勵整流橋出現(xiàn)二極管故障可借鑒傳統(tǒng)方式，但由于強(qiáng)勵部分極少用到，故實(shí)際運(yùn)行中建議采用兩個強(qiáng)勵整流橋并聯(lián)提供強(qiáng)勵電流。由于在運(yùn)行的線路中增加或切除器件時會造成電流與電壓的波動，甚至?xí)斐芍C波的出現(xiàn)。這些現(xiàn)象都會威脅正常運(yùn)行線路的安全。為減少繼電器等設(shè)備的投入和保證勵磁回路的正常運(yùn)行，現(xiàn)討論主回路二極管的設(shè)計方案：設(shè)二極管出現(xiàn)短路和斷路的故障概率均為0.01，二極管個數(shù)為n，則，即（1）求最優(yōu)設(shè)計，令等式右邊求導(dǎo)等于零，即（2）求得，當(dāng)取和時，安全運(yùn)行概率均為0.98。但實(shí)際運(yùn)行時，取值1是顯然不合理的，因?yàn)椴还艹霈F(xiàn)任何故障，都嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行甚至造成停運(yùn)。故取，當(dāng)任意一個發(fā)生故障時，可以通過繼電保護(hù)將故障二極管退出并報警。4并聯(lián)接地電容對整流波形的影響交流經(jīng)過整流橋整流成直流時，整流后的直流波形是波動的。而當(dāng)整流后并聯(lián)一個電容或串聯(lián)一個電感再接到電阻負(fù)載時，波形就會變的平滑很多。以下分別對勵磁變壓器第三繞組疊加強(qiáng)勵15s時在強(qiáng)勵整流橋的ab端和轉(zhuǎn)子繞組的cd端并聯(lián)一個電容（20μF）進(jìn)行仿真觀察轉(zhuǎn)子電流的波形變化。圖7強(qiáng)勵疊加15s時在疊加橋并聯(lián)一個電容時轉(zhuǎn)子電壓波形圖Fig.7Therotorvoltagewaveformwhenashuntcapacitorisconnectedwiththesuperpositionrectifieronthe15s圖8強(qiáng)勵疊加15s時在轉(zhuǎn)子并聯(lián)一個接地電容時轉(zhuǎn)子電壓波形圖Fig.8Therotorvoltagewaveformwhenashuntgroundedcapacitorisconnectedwiththerotoronthe15s由圖7可知，在強(qiáng)勵整流橋ab端并聯(lián)一個電容時，并沒有對轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生平波作用。而圖8可以看出，在轉(zhuǎn)子cd端并聯(lián)一個電容時，不僅不能起到平波濾波作用，反而會使轉(zhuǎn)子電壓震蕩。這是由于轉(zhuǎn)子電感本身具有平波作用，所以沒有必要在疊加強(qiáng)勵橋并聯(lián)一個電容來平波。而在轉(zhuǎn)子并聯(lián)電容時，會形成LC震蕩回路，使LC電壓出現(xiàn)巨大的震蕩，嚴(yán)重的威脅勵磁系統(tǒng)。所以不需要在勵磁回路中并聯(lián)電容。5結(jié)束語通過對新型疊加強(qiáng)勵勵磁回路中強(qiáng)勵疊加部分二極管和主回路二極管故障以及并聯(lián)電容對勵磁電流的影響仿真可以得到如下結(jié)論：(1)當(dāng)強(qiáng)勵疊加部分出現(xiàn)二極管故障時，勵磁電流會出現(xiàn)巨大的波動，尤其是出現(xiàn)短路故障時，轉(zhuǎn)子電流的波動范圍會大于10%，遠(yuǎn)超過工程中的規(guī)定。而主回路中的二極管D7和D8若發(fā)生全部斷路故障，則直接導(dǎo)致勵磁的失敗。若發(fā)生短路故障，不僅強(qiáng)勵疊加部分出現(xiàn)變壓器二次側(cè)短路，還會導(dǎo)致強(qiáng)勵失敗。因此必須對二極管出現(xiàn)的故障給予足夠的重視；(2)由于轉(zhuǎn)子電感的存在，它對經(jīng)過整流后的電流波形已經(jīng)具有很好的平波作用。增加并聯(lián)電容，不僅平波作用不明顯，若并聯(lián)位置不適還可能會造成轉(zhuǎn)子電壓的波動，且還要對電容出現(xiàn)擊穿或接地故障增加保護(hù)設(shè)備。因此，不需要采用這種方式進(jìn)行平波。參考文獻(xiàn)[1]丁志東,劉國海.同步發(fā)電機(jī)勵磁對穩(wěn)定性影響的研究[J].大電機(jī)技術(shù),2007,(4):60-64.DINGZhi-dong,LIUGuo-hai.ResearchofInfluenceofSynchronousGeneratorExcitationonPowerSystemStability[J].LargeMotorTechnology,2007,(4):60-64.[2]丁爾謀.發(fā)電廠勵磁調(diào)節(jié)[M].中國電力出版社,1988,4.[3]GEBao-jun,XINPeng,LVYanling.TheExcitationSystemSimulationofHugeHydro-generator［J］.IEEEPowerandEngineeringConference.Asia-Pacific,2010,(3):28-31.[4]GURRALAG,SENI.Powersystemstabilizersdesignforinterconnectedpowersystems[J].IEEETransonPowerSystems,2010,25(2):1042-1051.[5]趙小瑩.廖虹煒.發(fā)電機(jī)勵磁變壓器幾個關(guān)鍵問題的分析[J].變壓器,2011,48(6):49-52.ZHAOXiao-ying,LIAOHong-wei.KeyProblemsofExcitationTransformerofGenerator[J].TRANSFORMER,2011,48(6):49-52.[6]李基成.大型水電機(jī)組勵磁變壓器設(shè)計特點(diǎn)及絕緣方式的選擇[J].水電站機(jī)電技術(shù),2012,1(35):1-6.LIJi-cheng.Large-scalehydropowerunitsexcitationtransformerdesigncharacteristicsandinsulationmodechoice[J].Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation,2012,1(35):1-6.[7]黃大可,邵顯鈞.勵磁系統(tǒng)大功率整流器的增容設(shè)計[J].大電機(jī)技術(shù),2006,(6):56-62.HUANGDa-ke.SHAOXian-jun.Up-GradingDesignoftheHighPowerRectifierofExcitationSystem[J].DADIANJIJISHU,2006,(6):56-62.[8]彭煒東,薛福文.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)及其在三峽機(jī)組的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù),2004,(4):67-73.PengWeidong.XueFuwen．Powersystemstabilizer(PSS)anditsapplicationintheThreeGorgesunit[J].ElectromechanicalTechnologyofHydropowerStation,2004,(4):67-73．[9]