CN103001555B - 一种同步电机电枢过电流限制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同步电机电枢过电流限制方法，首先根据电机工况计算电枢电流限制相关的三个浮动门槛定值，包括限制动作定值、限制调节定值和限制返回定值，比较实测电枢电流与限制动作定值，当实测电枢电流大于限制动作定值时，计算电机发热量，当电机发热量达到电机允许上限时，即按调节定值进行励磁调节，维持电机实测电枢电流等于限制调节定值；当人工调整同步电机磁场电流以降低电枢电流，直至实测电枢电流小于信号返回定值后，电枢过电流限制信号返回。此方法可确保在任何工况下，同步电机励磁系统都能够合理地启动电枢过电流限制功能，并安全稳定地限制电枢过电流，保护同步电机运行安全。

Description

一种同步电机电枢过电流限制方法

技术领域

本发明属于电机励磁领域，特别涉及一种同步电机电枢过电流限制方法。

背景技术

同步电机包括电枢绕组和磁场绕组，通常情况下，电枢绕组为3相交流静止绕组，故也称为定子绕组，电枢电流也称为定子电流，磁场绕组为直流旋转绕组，也称为转子绕组，磁场电流也称为转子电流，为准确起见，本发明中一律称为电枢电流和磁场电流。同步电机运行时，电机电枢电流增加引起电机内部铜损增加，进而导致同步电机电枢内部温度上升，当同步电机电枢电流越过上限后，温度上升速度与电枢电流呈反时特性，电枢电流越大，电枢温度上升越快，允许该电枢电流运行时间越短。如果不能实时而准确地控制电机电枢的过电流水平，当电枢温度超过同步电机电枢允许的温度上限后，会导致同步电机电枢过热损坏，造成巨大的直接经济损失和间接经济损失。

在同步电机实际运行中，同步电机励磁调节是同步电机电枢过电流限制的主要手段。同步电机励磁系统是给同步电机提供并调节磁场电流的所有设备的总称，同步电机励磁系统一般配置同步电机电枢过电流限制功能（有的小型同步电机励磁系统或年代久的励磁系统没有配置），电枢过电流限制过程如下：励磁调节器实时测量同步电机电枢电流，与预先整定的电枢过电流限制定值比较，当实际电枢电流大于限制定值时，启动电枢过电流限制，如果同步电机无功功率大于0（向电网发出无功功率），则减小同步电机磁场电流，从而降低同步电机电枢电流，达到过电流限制的目标；如果同步电机无功功率小于0（从电网吸收无功功率），则增加同步电机磁场电流，从而降低同步电机电枢电流，达到过电流限制的目标。

上述电枢过电流限制功能在同步电机正常工况（额定电压，有功功率不超过额定值）下，都能正常工作，但在某些特殊运行工况时，经常发生电枢过电流限制功能动作时，电机磁场电流、无功功率、电枢电压会大幅振荡的现象，经过工程经验总结，有的技术工作者注意到，当同步电机无功功率较小时，会发生这种现象，因此，大多数同步电机励磁系统中在同步电机电枢过电流限制功能中会附加无功功率条件，当无功功率大于某一阈值，才会启动同步电机电枢过电流限制。但有运行实践证明，增加无功功率条件，不能从本质上解决上述现象。

综上所述，本发明人致力于研究及完善同步电机电枢过电流限制功能，解决电枢过电流限制功能启动同步电机磁场电流、无功功率、电枢电压会大幅振荡的现象及问题，需要解决的问题可归纳为以下几点：

（1）研究电枢过电流限制功能启动同步电机磁场电流、无功功率、电枢电压会大幅振荡的现象及问题的本质原因；

（2）研究出针对性的方法，提供一种从根本上解决电枢过电流限制功能启动同步电机磁场电流、无功功率、电枢电压会大幅振荡的现象及问题的方法；

（3）研究出切实可行的技术方案，提出同步电机电枢过电流限制功能的实现方法及动作模型。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种同步电机电枢过电流限制方法，其可确保在任何工况下，同步电机励磁系统都能够合理地启动电枢过电流限制功能，并安全稳定地限制电枢过电流，保护同步电机运行安全。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种同步电机电枢过电流限制方法，首先根据电机工况计算电枢电流限制相关的三个浮动门槛定值，包括限制动作定值、限制调节定值和限制返回定值，比较实测电枢电流与限制动作定值，当实测电枢电流大于限制动作定值时，计算电机发热量，当电机发热量达到电机允许上限时，即按调节定值进行励磁调节，维持电机实测电枢电流等于限制调节定值；当人工调整同步电机磁场电流以降低电枢电流，直至实测电枢电流小于信号返回定值后，电枢过电流限制信号返回。

上述电枢电流限制浮动门槛定值的计算公式是：

F(z)=max(I_g.s.p,f(P,U))

$f(P,U)=(k+a)*\frac{P}{U}+b$

其中，F(z)为实际应用的电枢电流限制定值，I_g.s.p为预先整定定值，f(P,U)为浮动门槛值；P为有功功率；U为电枢电压；k,a,b为浮动门槛系数。

采用上述方案后，本发明利用浮动门槛技术，实时检测同步电机的有功功率、电枢电压和电枢电流，实时生成电枢电流限制动作定值、电枢电流限制调节定值和电枢电流限制返回定值，保证电枢电流限制动作定值、电枢电流限制调节定值和电枢电流限制返回定值均在同步电机电枢电流调节有效区，保证电枢电流电限制稳定工作，从而抑制同步电机安全稳定运行。

本发明的有益效果是：与以往的同步电机电枢过电流限制功能相比，本发明通过首次提出同步电机电枢电流调节失效区的概念及其产生本质原因，通过实时检测同步电机有功功率、电枢电压和电枢电流，计算同步电机电枢电流调节有效区，通过浮动门槛技术，解决同步电机电枢过电流限制进入无效调节区而引起电枢电流、励磁电流大幅波动的难题，最大范围内保护同步电机安全稳定运行，创造良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的模块示意图；

图2是本发明的动作示意图；

图3是同步电机电枢电流与有功功率的关系示意图；

图4是同步电机不可调节区受有功功率影响的示意图；

图5是同步电机电枢电流位于限制失效区的工作示意图。

具体实施方式

根据同步电机工作原理，同步电机电枢电流主要受三个参数影响：一是同步电机有功功率，对于同步发电机而言，有功功率指发电机发出的有功功率，其大小由发电机大轴传来的机械功率确定，汽轮发电机与进汽量相关，水轮发电机与进水量相关，燃气发电机与燃气量相关；对于同步电动机而言，有功功率指电动机消耗的有功功率，其大小由电动机转轴传送出的机械功率确定，与电动机拖动负载相关。二是同步电机无功功率，同步电机与电网交换的无功功率由同步电机内电势、电网电压及联系阻抗确定，当内电势大于电网电压时，同步电机向电网发出无功功率，同步电机磁场电流越大，同步电机向电网发出的无功功率越大；当内电势小于电网电压时，同步电机从电网吸收无功功率，同步电机磁场电流越小，同步电机从电网吸收的无功功率越大，在电网电压水平与联系阻抗一定时，同步电机无功功率受同步电机磁场电流控制，即调节同步电机磁场电流，可以调节同步电机无功功率。三是同步电机电枢电压，同步电机与电网联系为一个整体，影响同步电机电枢电压的因数较多，有电机容量、电网容量、联系阻抗等等，当电网容量与联系阻抗一定时，同步电机电枢电压与同步电机电枢电流的乘积仅与同步电机容量相关。

从上述三个因数来看，同步电机励磁调节直接影响同步电机无功功率，间接影响同步电机电枢电压，但不影响同步电机有功功率，也就是说，对同步电机进行励磁调节，可以在一定程度上控制同步电机电枢电流，而不能完全地控制同步电机电枢电流至任意值。如图3所示，对于带有一定有功功率的同步电机，不论励磁如何调节，电枢电流不会低于图3中相应有功功率对应的分界线的电枢电流，而分界线以上的电枢电流则由同步电机磁场电流确定，分界线以下的部分为励磁不可调节区，分界线以上的部分为励磁可调节区。

一般地，同步电机电枢电流限制值以额定电枢电流为依据，再附加一定的裕量，该电枢电流大于额定有功功率对应的电枢电流，如图4所示，图中，P_g为同步电机有功功率，P_N为同步电机额定有功功率，I_a为同步电机电枢电流，I_alim为同步电机电枢过电流限制值，I_apn为同步电机有功功率为额定值时对应的不可调节电流值。从图4中可知，当正常工况时，同步电机有功功率P_g小于额定有功功率P_N，其对应不可调节电枢电流小于同步电机电枢过电流限制值I_alim，而电枢过电流限制区域在电枢过电流限制值I_alim的上方区域，与不可调节区没有重叠区，电枢过电流限制功能均能正常工作。但当发生某些特殊工况下，同步电机有功功率可能超过额定有功功率，图4中不可调节区随同步电机有功功率增加而增加，当电枢过电流限制区与不可调节区重叠区后，重叠区即为限制失效区，只要励磁调节试验将电机电枢电流调节至限制失效区，同步电机磁场电流、无功功率及电枢电压就会出现大幅振荡的现象。虽然有些励磁系统在电枢过电流限制中增加无功功率阈值的条件，该条件只是减小电枢过电流限制动作的可能性，没有从本质上解决问题，一旦满足无功功率条件，就会启动电枢过电流限制功能，励磁调节就会进入限制失效区，就会发生同步电机磁场电流、无功功率及电枢电压就会出现大幅振荡的现象。

根据前文分析，在一定的有功功率条件下，同步电机电枢电流与电枢电压成反比关系，电枢电压降低，则电枢电流和不可调节电流均随之上升，下面研究在同步有功功率不超过额定电功功率条件下的电枢过电流动作特性。如图5所示，图中，U_a为同步电机电枢电压，U_N为额定电枢电压，I_a为同步电机电枢电流，I_alim为同步电机电枢过电流限制值，当电枢电压为额定电压时，电枢过电流限制值I_alim的上方区域为限制有效区，此时电枢过电流限制有效，但当电枢电压下降后，电枢励磁不可调节电流上升到大于电枢过电流限制I_alim时，励磁不可调节与限制就会出现重叠区，即限制失效区，只要励磁调节试验将电机电枢电流调节至限制失效区，同步电机磁场电流、无功功率及电枢电压就会出现大幅振荡的现象。

综上分析，电枢过电流限制时出现同步电机磁场电流、无功功率及电枢电压就会出现大幅振荡的现象及问题的本质原因为电枢过电流限制值进入限制失效区，那么解决该现象及问题的有效方法就是实时调整电枢过电流限制整定值，避免电枢过电流限制进入限制失效区，即电枢过电流限制浮动门槛定值方法，本发明所研究的浮动门槛定值方法如下：

电枢电流限制动作定值、电枢电流限制调节定值和电枢电流限制返回定值均采用浮动门槛技术，浮动门槛技术函数为：

F(z)=max(I_g.s.p,f(P,U))

$f(P,U)=(k+a)*\frac{P}{U}+b$

式中：F(z)为实际应用的电枢电流限制定值；I_g.s.p为预先整定定值，f(P,U)为浮动门槛值；P为有功功率；U为电枢电压；k,a,b为浮动门槛系数。

对于不同的浮动门槛定值（限制调节、限制返回、限制动作），浮动门槛系数各不相同。

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种同步电机电枢过电流限制方法，包括电气测量模块、3个浮动门槛计算模块和电枢过电流限制模块，其中，电气测量模块根据输入的同步电机电压信号和电流信号，计算出同步电机的电枢电压、电枢电流和有功功率数值；根据同步电机的有功功率和电枢电压，3个浮动门槛计算模块分别计算限制调节浮动门槛定值、限制返回浮动门槛定值和限制动作浮动门槛定值；电枢过电流限制模块根据3个浮动门槛定值和同步电机电枢电流，进行同步电机电枢过电流限制计算，确定同步电机运行状态和电枢过电流动作状态。

限制调节浮动门槛定值计算原理如下式：

F_lim(z)=max(I_glim.s.p,f_lim(P,U))

$f_{\lim }(P,U)=(k_1+a_1)*\frac{P}{U}+b_1$

式中：F_lim(z)为实际应用的电枢过电流限制调节定值；I_glim.s.p为电枢过电流限制调节整定定值，f_lim(P,U)为电枢过电流限制调节浮动门槛值；P为有功功率；U为电枢电压；k₁,a₁,b₁为限制调节浮动门槛系数。

限制返回浮动门槛定值计算原理如下式：

F_rtn(z)=max(I_grtn.s.p,f_rtn(P,U))

$f_{\mathrm{rtn}}(P,U)=(k_2+a_2)*\frac{P}{U}+b_2$

式中：F_rtn(z)为实际应用的电枢过电流限制返回定值；I_grtn.s.p为电枢过电流限制返回整定定值，f_rtn(P,U)为电枢过电流限制返回浮动门槛值；P为有功功率；U为电枢电压；k₂,a₂,b₂为限制返回浮动门槛系数。

限制动作浮动门槛定值计算原理如下式：

F_act(z)=max(I_gact.s.p,f_act(P,U))

$f_{\mathrm{act}}(P,U)=(k_3+a_3)*\frac{P}{U}+b_3$

式中：F_act(z)为实际应用的电枢过电流限制动作定值；I_gact.s.p为电枢过电流限制动作整定定值，f_act(P,U)为电枢过电流限制动作浮动门槛值；P为有功功率；U为电枢电压；k₃,a₃,b₃为限制动作浮动门槛系数。

如图2所示，是本发明中同步电机电枢过电流限制动作示意图，图中I_gn为同步电机额定电枢电流；I_g为同步电机实测电枢电流；F_act(z)为电枢过电流限制动作定值；F_rtn(z)为电枢过电流限制返回定值；F_lim(z)为电枢过电流限制调节定值；C_h为电枢绕组加热热容；C_c为电枢绕组冷却热容；C_max为电枢绕组最大热容；K_act为电枢过电流限制动作信号；T_rtn为返回动作时间；ΔI_glim作为控制量输出至励磁调节器控制同步电机磁场电流。

电枢过电流限制动作工作原理如下：判断实测电枢电流I_g与额定电枢电流I_gn及限制动作定值F_act(z)之间大小关系，当I_g小于I_gn，同步电机电枢绕组进入冷却状态，其冷却热容逐渐增加；当I_g大于F_act(z)，同步电机电枢绕组进入加热状态，其加热热容逐渐增加；当加热热容C_h与冷却热容C_c之差大于电枢绕组允许最大热容C_max后，则判断电枢过电流限制动作，K_act置为1。

电枢过电流限制返回工作原理如下：判断实测电枢电流I_g与限制返回定值F_rtn(z)之间大小关系，当I_g小于F_rtn(z)时，进行延时计时，当计时时间大于预置时间T_rtn后，则判断电枢过电流限制信号返回，K_act置为0。

电枢过电流限制调节工作原理如下：当K_act置为1后，将实测电枢电流I_g与限制调节定值F_lim(z)之差输出至励磁调节器，控制同步电机磁场电流，保持同步电机实测电枢电流I_g与限制调节定值F_lim(z)相等，保证同步电机电枢电流不发生过流，保护电枢绕组安全。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种同步电机电枢过电流限制方法，其特征在于：首先根据电机工况计算电枢电流限制相关的三个浮动门槛定值，包括限制动作定值、限制调节定值和限制返回定值，比较实测电枢电流与限制动作定值，当实测电枢电流大于限制动作定值时，计算电机发热量，当电机发热量达到电机允许上限时，即按调节定值进行励磁调节，维持电机实测电枢电流等于限制调节定值；当人工调整同步电机磁场电流以降低电枢电流，直至实测电枢电流小于限制返回定值后，电枢过电流限制信号返回；

所述电枢电流限制相关的三个浮动门槛定值的计算公式是：

F(z)＝max(I_g.s.p,f(P,U))

$f(P,U)=(k+a)*\frac{P}{U}+b$

其中，F(z)为实际应用的浮动门槛定值，I_g.s.p为预先整定定值，f(P,U)为浮动门槛值；P为有功功率；U为电枢电压；k,a,b为浮动门槛系数。