CN109586629A - 一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于双轴励磁发电机控制技术领域，尤其涉及一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制方法，包括：在转子d、q轴上各设置一套励磁绕组，其均匀分布在转子表面且结构对称，绕组轴线相互垂直，两套励磁绕组分别通入直流电流产生两个励磁基波磁动势，在保持合成励磁磁动势不变的情况下通过调节两个励磁基波磁动势的比例来改变气隙合成磁动势相对于转子的位置，进而增加双轴励磁汽轮发电机的静态稳定极限。本发明的双轴励磁汽轮发电机在相应的励磁控制下能够运行在任意转速下，实现发电机的同频异步运行，有效的提高了发电机的抗干扰能力，保证了关键区域的供电可靠性。

Description

一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制方法

技术领域

本发明属于双轴励磁发电机控制技术领域，尤其涉及一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制方法。

背景技术

随着大规模联合电力系统的发展，电网的结构和运行方式越来越复杂多变，尤其是远距离大功率输电线路、“强直弱交”电网结构以及新能源并网等运行方式给电力系统的稳定运行带来巨大的安全风险，电力系统的可靠性面临极大的挑战，因此如何提供电力系统稳定性和可靠性变得十分重要。

同步发电机作为电力系统的重要元件，其稳定运行能力对于电力系统的稳定性具有重要的影响。传统同步发电机转子上只有一套励磁绕组，其励磁磁动势的方向只能固定在转子d轴上，这限制了发电机的稳定运行极限，不利于电力系统的稳定性。转子上具有三套绕组的双轴励磁发电机一套绕组作为阻尼绕组，另外两套绕组作为励磁绕组，转子表面开槽没有充分利用导致励磁绕组安匝数及合成励磁磁动势减小，发电机容量降低。

发明内容

为了提高双轴励磁发电机的稳定运行能力，本发明提供了一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制方法，包括：

在转子d、q轴上各设置一套励磁绕组，其均匀分布在转子表面且结构对称，绕组轴线相互垂直，两套励磁绕组分别通入直流电流产生两个励磁基波磁动势，在保持合成励磁磁动势不变的情况下通过调节两个励磁基波磁动势的比例来改变气隙合成磁动势相对于转子的位置，进而增加双轴励磁汽轮发电机的静态稳定极限。

所述调节两个励磁基波磁动势具体包括：

d轴励磁绕组单独通入额定电流，增加发电机输出有功功率使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值达到90°；

在保持合成励磁磁动势不变的情况下，逐渐增加q轴励磁电流至额定并减小d轴励磁电流至零，即增大励磁合成基波磁动势与d轴的夹角θ，使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值增大至180°；

反向增加d轴励磁电流至额定并同时减小q轴励磁电流至零，使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值增大至270°；

反向增加q轴励磁电流至额定并同时减小d轴励磁电流至零，使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值增大至360°，从而实现双轴励磁汽轮发电机的静态稳定极限的增加。

所述两套励磁绕组分别通入励磁电流i_fd和i_fq时，产生的气隙基波磁动势分别为F_fd和F_fq，当两套励磁绕组同时通入励磁电流i_fd和i_fq时，产生的励磁合成基波磁动势F_f大小满足：

双轴励磁汽轮发电机的电磁功率P_M为：

式中，U为双轴励磁汽轮发电机的机端电压有效值，E_f为励磁合成基波磁动势在定子绕组中感应的电动势有效值，X为同步电抗。

当双轴励磁汽轮发电机并网运行在γ等于γ₀和θ等于θ₀的初始工况时，系统发生扰动，通过调节d、q轴励磁电流的大小和方向来改变θ的大小，以使得气隙合成基波磁动势F_f能够实时跟踪励磁合成基波磁动势F_δ的变化，即F_f与F_δ之间的相位差满足：0<(γ-θ)<90°，从而使得双轴励磁汽轮发电机及系统快速恢复稳定运行。

当d、q轴励磁绕组正负交替通入直流电流的频率为f_D时，励磁合成磁场相对于转子的转速n_r为：

式中，p为双轴励磁汽轮发电机的极对数；此时，转子转速n为：

式中，f₁为电网频率。

本发明的有益效果为：

通过独立调节双轴励磁同步发电机转子上的两套对称的励磁绕组中直流电流的大小可以改变励磁磁动势的方向，从而增加励磁控制的自由度，使其在稳态运行时可实现有功、无功的解耦控制，一方面通过增加双轴励磁汽轮发电机的静态稳定性，从而大大提高电力系统的稳定性；另一方面在系统扰动过程中使得励磁磁场能够实时跟随气隙磁场的变化，从而减少系统振荡时间促使系统快速恢复稳定运行。

本发明的双轴励磁汽轮发电机在相应的励磁控制下能够运行在任意转速下，实现发电机的同频异步运行，有效的提高了发电机的抗干扰能力，保证了关键区域的供电可靠性。

附图说明

图1为本发明设计的300MW双轴励磁汽轮发电机转子的二维界面示意图。

图2为双轴励磁汽轮发电机的磁场矢量图。

图3为双轴励磁汽轮发电机转子一套绕组施加空载励磁电流时气隙磁密波形，以及两套绕组均通入控制励磁电流时的气隙磁密波形。

图4为d轴单独施加励磁电流时，双轴励磁汽轮发电机的功角特性曲线。

图5为在图4基础上，保持励磁合成磁动势不变，逐渐减小d轴励磁电流同时正向增加q轴励磁时，双轴励磁汽轮发电机的功角特性曲线。

图6为在图5基础上，保持励磁合成磁动势不变，逐渐减小q轴励磁电流同时反向增加d轴励磁时，双轴励磁汽轮发电机的功角特性曲线。

图7为在图6基础上，保持励磁合成磁动势不变，逐渐减小d轴励磁电流同时反向增加q轴励磁时，双轴励磁汽轮发电机的功角特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明提供一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制策略，在转子表面均匀开槽并放入两套励磁绕组，两套励磁绕组结构相同，且轴线在空间上相互垂直，定子绕组结构与传统同步电机相同。

根据双轴励磁汽轮发电机的动态运行工况，当发电机双轴励磁时，将两套绕组接直流电源，通过改变直流电流的大小和方向调节励磁合成磁动势的方向，从而使得励磁合成磁动势能够跟随气隙磁场的变化，使电机始终稳定地运行。

实施例：

根据本发明技术方案设计了一台300MW双轴励磁汽轮发电机，该发电机的转子横截面如图1所示，转子为两极隐极式结构，转子上的两套绕组在空间互相垂直；单轴励磁时，d轴励磁绕组通入直流电流，q轴励磁绕组开路；双轴励磁时，两套绕组分别通入直流电流。磁场的矢量图如图2所示。

当双轴励磁汽轮发电机仅有一套励磁绕组施加空载励磁电流时，不计铁心饱和时的气隙磁密波形和气隙磁密基波分量，如图3所示，气隙磁密基波幅值为0.8944T。当双轴励磁汽轮发电机两套励磁绕组均通入空载励磁电流时，不计铁心饱和时的气隙磁密波形和气隙磁密基波分量，如图3所示，气隙磁密基波幅值为1.1892T，由于线性情况下基波磁动势与其产生的基波磁密成正比，因而上述磁密对应的磁势满足公式其中，F_fd和F_fq分别为当第一套和第二套励磁绕组通入空载励磁电流产生的气隙基波磁动势幅值。

当双轴励磁汽轮发电机单轴励磁时，功角增加到90度时就达到静态稳定极限(励磁方式I)，如图4所示；此时，逐渐增加q轴励磁同时减小d轴励磁，但保持励磁合成磁动势不变，电机的静态稳定极限(γ)可增加到180度(励磁方式II)，如图5所示；此时，逐渐减小q轴励磁同时反向增加d轴励磁，但保持励磁合成磁动势不变，电机的静态稳定极限(γ)可增加到270度(励磁方式III)，如图6所示；此时，逐渐减小d轴励磁同时反向增加q轴励磁，但保持励磁合成磁动势不变，电机的静态稳定极限(γ)可增加到360度(励磁方式IV)，如图7所示。在双轴励磁汽轮发电机运行过程中，根据γ的大小选择四种励磁方式，增大双轴励磁汽轮发电机的静态稳定极限。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种双轴励磁汽轮发电机的励磁控制方法，其特征在于，包括：

在转子d、q轴上各设置一套励磁绕组，其均匀分布在转子表面且结构对称，绕组轴线相互垂直，两套励磁绕组分别通入直流电流产生两个励磁基波磁动势，在保持合成励磁磁动势不变的情况下通过调节两个励磁基波磁动势的比例来改变气隙合成磁动势相对于转子的位置，进而增加双轴励磁汽轮发电机的静态稳定极限。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述调节两个励磁基波磁动势具体包括：

d轴励磁绕组单独通入额定电流，增加发电机输出有功功率使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值达到90°；

在保持合成励磁磁动势不变的情况下，逐渐增加q轴励磁电流至额定并减小d轴励磁电流至零，即增大励磁合成基波磁动势与d轴的夹角θ，使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值增大至180°；

反向增加d轴励磁电流至额定并同时减小q轴励磁电流至零，使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值增大至270°；

反向增加q轴励磁电流至额定并同时减小d轴励磁电流至零，使得气隙合成基波磁动势与d轴的夹角γ的极限值增大至360°，从而实现双轴励磁汽轮发电机的静态稳定极限的增加。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述两套励磁绕组分别通入励磁电流i_fd和i_fq时，产生的气隙基波磁动势分别为F_fd和F_fq，当两套励磁绕组同时通入励磁电流i_fd和i_fq时，产生的励磁合成基波磁动势F_f大小满足：

双轴励磁汽轮发电机的电磁功率P_M为：

式中，U为双轴励磁汽轮发电机的机端电压有效值，E_f为励磁合成基波磁动势在定子绕组中感应的电动势有效值，X为同步电抗。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，当双轴励磁汽轮发电机并网运行在γ等于γ₀和θ等于θ₀的初始工况时，系统发生扰动，通过调节d、q轴励磁电流的大小和方向来改变θ的大小，以使得气隙合成基波磁动势F_f能够实时跟踪励磁合成基波磁动势F_δ的变化，即F_f与F_δ之间的相位差满足：0<(γ-θ)<90°，从而使得双轴励磁汽轮发电机及系统快速恢复稳定运行。

5.根据权利要求1～4任一所述方法，其特征在于，当d、q轴励磁绕组正负交替通入直流电流的频率为f_D时，励磁合成磁场相对于转子的转速n_r为：

式中，p为双轴励磁汽轮发电机的极对数；此时，转子转速n为：

式中，f₁为电网频率。