发电机励磁系统及其参数设计方法和系统

摘要

本发明提供一种发电机励磁系统，包括励磁变压器，所述励磁变压器包括变压器铁芯及绕制于所述变压器铁芯上的变压器绕阻，还包括电抗器，所述电抗器包括与电抗器铁芯及绕制于所述电抗器铁芯上的电抗器绕阻，所述变压器铁芯与所述电抗器铁芯之间设有屏蔽元件，所述电抗器的磁力线与所述励磁变压器的磁力线相互垂直。本发明进一步提供一种发电机励磁系统参数设计方法和系统。通过增加与励磁变压器连接的电抗器，可以有效地阻止高次谐波进入励磁变压器高压侧影响发电机空载或者轻载时的端电压波形。

权利要求

1.一种发电机励磁系统，包括用于与发电机连接的励磁变压器，所述励磁变压器包括变压器铁芯及绕制于所述变压器铁芯上的变压器绕组，其特征在于：还包括电抗器，所述电抗器包括与电抗器铁芯及绕制于所述电抗器铁芯上的电抗器绕组，所述变压器铁芯与所述电抗器铁芯之间设有屏蔽元件，所述电抗器的磁力线与所述励磁变压器的磁力线相互垂直；所述电抗器绕组包括分别与所述励磁变压器三相串联连接的第一线圈、第二线圈和第三线圈。

2.如权利要求1所述的发电机励磁系统，其特征在于：所述变压器铁芯与所述电抗器铁芯沿竖直方向分层排列。

3.如权利要求1所述的发电机励磁系统，其特征在于：所述电抗器与所述励磁变压器的低压侧连接。

4.如权利要求1所述的发电机励磁系统，其特征在于：所述变压器铁芯与所述电抗器铁芯相互垂直。

5.如权利要求1所述的发电机励磁系统，其特征在于：所述励磁变压器包括变压器壳体，所述变压器铁芯、变压器绕组以及所述电抗器均设置于所述变压器壳体内。

6.一种发电机励磁系统参数设计方法，包括：

建立发电机机组仿真模型，所述仿真模型包括与母线一侧连接的发电机定子、与所述母线另一侧连接的如权利要求1-5所中任意一项述发电机励磁系统和励磁控制单元、以及与所述发电机励磁系统和所述励磁控制单元连接的发电机转子；

根据所述仿真模型获取所述发电机励磁系统的响应时间；

当所述响应时间符合预设条件时，获取所述电抗器的感抗；

根据所述感抗确定所述电抗器压降；

根据励磁变压器额定电压、励磁变压器额定电流、预设励磁倍数、发电机的额定励磁电压以及发电机的额定励磁电流获取所述电抗器的额定电流。

7.如权利要求6所述的发电机励磁系统参数设计方法，其特征在于：在所述建立发电机机组仿真模型的步骤之后，还包括：根据所述励磁变压器副边电压以及所述励磁变压器短路阻抗，获取所述励磁变压器压降；

根据所述电抗器压降、所述励磁变压器压降以及所述发电机的额定励磁电压，获得所述发电机励磁系统的强励倍数。

8.如权利要求6所述的发电机励磁系统参数设计方法，其特征在于：所述预设条件是指所述发电机励磁系统电压的上升时间和下降时间符合预设的范围。

9.一种发电机励磁系统参数设计系统，包括：

仿真模块，用于建立发电机机组仿真模型，所述仿真模型包括与母线一侧连接的发电机定子、与所述母线另一侧连接的如权利要求1-5所中任意一项述发电机励磁系统和励磁控制单元、以及与所述发电机励磁系统和所述励磁控制单元连接的发电机转子；

响应时间确定模块，用于根据所述仿真模型获取所述发电机励磁系统的响应时间；

感抗确定模块，用于当所述响应时间符合预设条件时，获取所述电抗器的感抗；

压降确定模块，用于根据所述感抗确定所述电抗器压降；

电流确定模块，用于根据励磁变压器额定电压、励磁变压器额定电流、预设励磁倍数、发电机的额定励磁电压以及发电机的额定励磁电流获取所述电抗器的额定电流。

10.如权利要求9所述的发电机励磁系统参数设计系统，其特征在于，包括：压降确定模块，用于根据所述励磁变压器副边电压以及所述励磁变压器短路阻抗，获取所述励磁变压器压降；

强励倍数确定模块，用于根据所述电抗器压降、所述励磁变压器压降以及所述发电机的额定励磁电压，获得所述发电机励磁系统的强励倍数。

说明书

发电机励磁系统及其参数设计方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及发电机电压控制领域，尤其涉及一种发电机励磁系统及发电机励磁系统参数设计方法和系统。

背景技术

[0002] 发电机孤网运行或者轻载运行时，发电机端电压容易出现缺口或尖峰，如附图1所示，为现有技术中某电站发电机空载时端电压的波形图，发电机端电压波形缺口或者尖峰容易对电器设备产生严重的危害，同时对电网产生污染。

[0003] 随着用户用电质量要求的提高，处理发电机端电压出现尖峰或者缺口的现象显得尤为重要。经过研究发现，发电机端电压出现尖峰与缺口是由于励磁系统中的可控硅整流部份在换流时产生的一种固有现象，由于可控硅的通态电流临界上升率di/dt过大，励磁整流系统换流时的重叠角过小所导致，目前，通过增加励磁变压器的绕组电感以增加励磁变压器的短路阻抗来减少发电机端电压尖峰与缺口的问题，然而，增加励磁变压器的绕组电感会造成励磁变压器的体积很大，且励磁变压器低压侧电感量增发，导致励磁变压器温升很高，变压器励磁系统的相应响应时间增大，其次仍然大量高次谐波通过电磁耦合进入到励磁变压器的高压侧而使得端电压波形出现尖峰，因此，发电机空载或者轻载运行时发电机端电压出现尖峰或者缺口的问题已成为业内的严重困扰。

发明内容

[0004] 基于此，本发明在于提供能够有效减小发电机端电压尖峰或缺口的发电机励磁系统以及该励磁系统的参数设计方法和系统。

[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种发电机励磁系统，包括用于与发电机连接的励磁变压器，所述励磁变压器包括变压器铁芯及绕制于所述变压器铁芯上的变压器绕组，还包括电抗器，所述电抗器包括与电抗器铁芯及绕制于所述电抗器铁芯上的电抗器绕组，所述变压器铁芯与所述电抗器铁芯之间设有屏蔽元件，所述电抗器的磁力线与所述励磁变压器的磁力线相互垂直。

[0006] 通过上述发电机励磁系统，通过增加与励磁变压器连接的电抗器，使得电抗器的磁场与励磁变压器磁场相互隔离，且电抗器的磁力线与励磁变压器的磁力线相互垂直，可以有效地阻止高次谐波进入励磁变压器高压侧影响发电机空载或者轻载时的端电压波形。

[0007] 根据本发明的另一方面，提供一种发电机励磁系统参数设计方法包括：建立发电机机组仿真模型，所述仿真模型包括与母线一侧连接的发电机定子、与所述母线另一侧连接发电机励磁系统和励磁控制单元、以及与所述发电机励磁系统和所述励磁控制单元连接的发电机转子；根据所述仿真模型获取所述发电机励磁系统的响应时间；当所述响应时间符合预设条件时，获取所述电抗器的感抗；根据所述感抗确定所述电抗器压降；根据励磁变压器额定电压、励磁变压器额定电流、预设励磁倍数、发电机的额定励磁电压以及发电机的额定励磁电流获取所述电抗器的额定电流。

[0008] 根据本发明的再一方面，提供一种发电机励磁系统参数设计系统，包括仿真模块，用于建立发电机机组仿真模型，所述仿真模型包括与母线一侧连接的发电机定子、与所述母线另一侧连接的发电机励磁系统和励磁控制单元、以及与所述发电机励磁系统和所述励磁控制单元连接的发电机转子；响应时间确定模块，用于根据所述仿真模型获取所述发电机励磁系统的响应时间；感抗确定模块，用于当所述响应时间符合预设条件时，获取所述电抗器的感抗；压降确定模块，用于根据所述感抗确定所述电抗器压降；电流确定模块，用于根据励磁变压器额定电压、励磁变压器额定电流、预设励磁倍数、发电机的额定励磁电压以及发电机的额定励磁电流获取所述电抗器的额定电流。

[0009] 通过上述发电机励磁系统参数设计方法和系统，首先建立发电机组仿真模型，获取励磁变压器、发电机以及励磁控制单元的已有参数作为仿真模型输入并根据其与电抗器之间的关系，分别计算获得电抗器的感抗、压降以及额定电流，以完成发电机励磁系统参数设计。通过确定发电机励磁系统参数，为最大程度的减少甚至消除发电机端电压波形尖峰或者缺口的问题提供了基础。

附图说明

[0010] 图1为现有技术中发电机空载运行时发电机端电压波形图。

[0011] 图2为本发明一实施例所提供的发电机机组的结构示意图。

[0012] 图3为本发明一实施例所提供的发电机励磁系统参数设计方法的流程图。

[0013] 图4为本发明第二实施例所提供的发电机励磁系统参数设计方法的流程图。

[0014] 图5为采用本发明实施例发电机励磁系统的发电机空载运行时发电机端电压波形图。

[0015] 图6为本发明另一实施例所提供的发电机励磁系统参数设计系统的示意图。

[0016] 图7为本发明第二实施例所提供的发电机励磁系统参数设计系统的示意图。

具体实施方式

[0017] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

[0018] 请参阅图2，为本发明一实施例所提供的发电机励磁系统，包括用于与发电机连接的励磁变压器14，所述励磁变压器14包括变压器铁芯及绕制于所述变压器铁芯上的变压器绕组，还包括电抗器18，所述电抗器18包括与电抗器铁芯及绕制于所述电抗器铁芯上的电抗器绕组，所述变压器铁芯与所述电抗器铁芯之间设有屏蔽元件(图未示)，所述电抗器18的磁力线与所述励磁变压器14的磁力线相互垂直。

[0019] 其中励磁变压器14是一种专门为发电机励磁系统提供三相交流励磁电源的装置，励磁系统通过可控硅将三相电源转化为发电机转子直流电源，形成发电机励磁磁场，通过励磁系统调节可控硅触发角，达到调节电机端电压和无功的目的。该发电机励磁系统包括增设的电抗器18，励磁变压器14包括变压器铁芯和变压器绕组，电抗器18包括电抗器铁芯和电抗器绕组，其中电抗器绕组包括分别与励磁变压器三相分别串联连接的第一线圈、第二线圈和第三线圈。变压器铁芯与电抗器铁芯之间设置屏蔽元件，通过屏蔽元件将电抗器铁芯的磁场和变压器铁芯的磁场相互隔离。该屏蔽元件通常为由金属材料，比如铁制成的薄片，电抗器18的磁力线与励磁变压器14的磁力线相互垂直，可以避免电磁耦合的影响，减少励磁变压器14的可控硅的通态电流临界上升率di/dt。

[0020] 电抗器18与励磁变压器14的低压侧连接，可阻止励磁变压器14低压侧的高次谐波通过电磁耦合作用进入到励磁高压侧。优选的，变压器铁芯与电抗器铁芯相互垂直，通过将铁芯相互垂直的设置，可使得电抗器18的磁力线和励磁变压器14的磁力线相互垂直。为了优化布置，变压器铁芯与电抗器铁芯沿竖直方向分层排列，具体的，变压器铁芯与电抗器铁芯沿竖直方向对齐，屏蔽元件设置于变压器铁芯与电抗器铁芯之间，变压器铁芯与电抗器铁芯呈上下对称设置，可以减小发电机励磁系统的体积，优化发电机励磁系统的设计。

[0021] 优选的，可以将电抗器18增加到励磁变压器14的内部，励磁变压器14包括变压器壳体，将变压器铁芯、变压器绕组、电抗器铁芯和电抗器绕组均设置于所述变压器壳体内。将电抗器18设置于励磁变压器14的内部，可以简化整个发电机励磁系统的结构设计，节省开发和设计成本，增强励磁变压器14的适应性。可以理解的，电抗器18和励磁变压器14也可以分离设置，只要能够达到电抗器18的磁力线与励磁变压器14的磁力线相互垂直，阻止励磁变压器14低压侧的高次谐波通过电磁耦合作用进入到励磁高压侧便可。

[0022] 通过上述实施例所提供发电机励磁系统，通过增加与励磁变压器连接的电抗器18，使得电抗器18的磁场与励磁变压器14磁场相互隔离，且电抗器18的磁力线与励磁变压器14的磁力线相互垂直，可以有效地阻止高次谐波进入励磁变压器14高压侧影响发电机空载或者轻载时的端电压波形。

[0023] 如图3所示，在另一个实施例中，提供了一种发电机励磁系统参数设计方法，包括如下步骤：

[0024] S100，建立发电机机组仿真模型，所述仿真模型包括与母线一侧连接的发电机定子、与所述母线另一侧连接的发电机励磁系统和励磁控制单元、以及与所述发电机励磁系统和所述励磁控制单元连接的发电机转子。

[0025] 本实施例中，发电机机组仿真模型具体如图2所示，发电机励磁系统包括励磁变压器14和电抗器18，励磁变压器14包括变压器铁芯及绕制于变压器铁芯上的变压器绕组，电抗器18包括电抗器铁芯及绕制于电抗器铁芯上的电抗器绕组，电抗器绕组包括分别与励磁变压器14三相分别串联连接的第一线圈、第二线圈和第三线圈。发电机定子11与母线10的一侧连接，励磁变压器14的高压侧及励磁控制单元15均与母线10的另一侧连接。励磁变压器14的低压侧与电抗器18连接。

[0026] 优选的，该发电机机组仿真模型还包括与电抗器18连接的励磁整流单元16。励磁变压器14通过电抗器18与励磁整流单元16连接，该励磁控制单元15也与励磁整流单元16连接。通过励磁整流单元16可以对电压端输出电压进行整流和滤波，达到更加精确模拟仿真的结果。

[0027] 该发电机机组仿真模型可以选择现有的仿真软件实现，如可以通过MatLAB进行建模和仿真。其中发电机机组仿真建模的具体实现方式也可以通过现有技术实现，在此不再赘述。

[0028] S102，根据所述仿真模型获取所述发电机励磁系统的响应时间。

[0029] 发电机励磁系统的响应时间是评价发电机机组运行的重要条件，因此对发电机机组设计需确保发电机励磁系统的响应时间符合预设条件。通常，可以通过在仿真模型中输入励磁变压器相关参数、发电机相关参数以及励磁控制单元相关参数，模拟实际运行情况，然后通过修改励磁控制单元中的PID参数模拟获得发电机励磁系统的响应时间。

[0030] S104，当所述响应时间符合预设条件时，获取所述电抗器的感抗。

[0031] 通过仿真模型模拟获得符合预设条件的响应时间，其中符合预设条件是指所述发电机励磁系统电压的上升时间和下降时间分别符合预设范围，具体的上升时间不大于0.08s，下降时间不大于0.1s，获取与符合预设条件的响应时间时电抗器的感抗。

[0032] S106，根据所述感抗确定所述电抗器压降。

[0033] 电抗器压降与电抗器的感抗呈线性关系，根据感抗确定电抗器压降的具体公式为：

[0034] 电抗器压降＝2*3.14*f*400*L；

[0035] 其中f为基准频率50HZ，L为电抗器感抗。

[0036] S108，根据励磁变压器额定电压、励磁变压器额定电流、预设励磁倍数、发电机的额定励磁电压以及发电机的额定励磁电流获取所述电抗器的额定电流。

[0037] 该电抗器的额定电流的计算公式具体包括如下：

[0038] 电抗器的额定电流＝励磁变压器副边电流*1.1；

[0039] 励磁变压器副边电流＝励磁变压器容量/ /励磁变压器副边电压；

[0040] 励磁变压器容量＝发电机额定励磁电压*发电机额定励磁电流*H；

[0041] 励磁变压器副边电压＝K*发电机额定励磁电压*整流系数/可控硅的控制死区系数；

[0042] 其中，K为预设励磁倍数，整流系数是理论系统，通常取值为1.35，可控硅的控制死区系数为经验参数，通常取值为1.064，H为根据强励倍数折合的系数范围，通常取值为3～3.3之间。预设励磁倍数可根据用户或者电网的需要进行设置，通常在1.6～2.5之间，优选为1.8。

[0043] 通过上述发电机励磁系统参数设计方法，首先建立发电机组仿真模型，获取励磁变压器、发电机以及励磁控制单元的已有参数作为仿真模型输入并根据其与电抗器之间的关系，分别计算获得电抗器的感抗、压降以及额定电流，以获取发电机励磁系统的参数。通过确定发电机励磁系统参数，根据励磁系数参数设计电抗器，从而可最大程度的减少甚至消除发电机端电压波形尖峰或者缺口，如图4所示，为采用上述实施方式提供的变压器励磁系统及其参数设计方法，通过于励磁变压器的电压侧增加绕组电抗器之后所获得的发电机空载运行时发电机端电压波形图，从图中可以看出，变电器端电压波形中无尖峰或者缺口。

[0044] 进一步的，请参阅图5，该参数设计方法在步骤S100，建立发电机机组仿真模型的步骤之后，还包括步骤S1001，根据所述励磁变压器副边电压以及所述励磁变压器短路阻抗，获取所述励磁变压器压降；S1002，根据所述电抗器压降、所述励磁变压器压降以及所述发电机的额定励磁电压，获得所述发电机励磁系统的强励倍数。

[0045] 根据励磁变压器副边电压以及励磁变压器短路阻抗获取所述励磁变压器压降的具体计算公式为：励磁变压器压降＝励磁变压器副边电压*励磁变压器短路阻抗；根据电抗器压降、励磁变压器压降以及发电机的额定励磁电压获得发电机励磁系统的强励倍数的具体计算公式为：(励磁变压器副边电压-电抗器压降-励磁变压器压降)*整流系数/可控硅的控制死区系数/发电机额定励磁电压。其中，整流系数是理论系数，通常取值为1.35，可控硅的控制死区系数为经验参数，通常取值为1.064。

[0046] 发电机励磁系统的强励倍数是评价发电机机组运行的另一重要条件，通过获取和核算发电机励磁系统的强励倍数，可以协助进一步获取最优的解决发电机空载运行时发电机端电压波形的尖峰或缺口问题的方案，从而确定与该最优方案对应的设计参数。

[0047] 如图6所示，在另一个实施例中，提供了一种发电机励磁系统参数设计系统，包括仿真模块20、响应时间确定模块21、感抗确定模块22、压降确定模块23以及电流确定模块24。

[0048] 仿真模块20用于建立发电机机组仿真模型，仿真模型包括与母线一侧连接的发电机定子、与所述母线另一侧连接的发电机励磁系统和励磁控制单元、以及与所述发电机励磁系统和所述励磁控制单元连接的发电机转子。

[0049] 响应时间确定模块21用于根据仿真模型获取发电机励磁系统的响应时间。

[0050] 感抗确定模块22用于当响应时间符合预设条件时，获取电抗器的感抗。

[0051] 压降确定模块23用于根据感抗确定电抗器压降。

[0052] 电流确定模块24用于根据励磁变压器额定电压、励磁变压器额定电流、预设励磁倍数、发电机的额定励磁电压以及发电机的额定励磁电流获取电抗器的额定电流。

[0053] 通过上述发电机励磁系统参数设计系统，通过仿真模块20建立发电机组仿真模型，感抗确定模块22、压降确定模块23以及电流确定模块24通过获取励磁变压器、发电机以及励磁控制单元的相关参数作为仿真模型输入并根据其与电抗器之间的关系，分别计算获得电抗器的感抗、压降以及额定电流，以获取确定的最优的发电机励磁系统的参数。通过确定发电机励磁系统参数，根据发电机励磁系数参数设计电抗器，从而可最大程度的减少甚至消除发电机端电压波形尖峰或者缺口。

[0054] 在另一个实施例中，该请参阅图7，参数设计系统还包括压降确定模块25和强励倍数确定模块26，该压降确定模块25用于根据所述励磁变压器副边电压以及所述励磁变压器短路阻抗，获取所述励磁变压器压降。强励倍数确定模块26用于根据所述电抗器压降、所述励磁变压器压降以及所述发电机的额定励磁电压，获得所述发电机励磁系统的强励倍数。

[0055] 根据励磁变压器副边电压以及励磁变压器短路阻抗获取所述励磁变压器压降的具体计算公式为：励磁变压器压降＝励磁变压器副边电压*励磁变压器短路阻抗；根据电抗器压降、励磁变压器压降以及发电机的额定励磁电压获得发电机励磁系统的强励倍数的具体计算公式为：(励磁变压器副边电压-电抗器压降-励磁变压器压降)*整流系数/可控硅的控制死区系数/发电机额定励磁电压。获取和核算发电机励磁系统的强励倍数，可以协助进一步获取最优的解决发电机空载运行时发电机端电压波形的尖峰或缺口问题的方案，从而确定与该最优方案对应的设计参数。

[0056] 以上描述了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。