發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，包括勵磁變壓器，所述勵磁變壓器包括變壓器鐵芯及繞制于所述變壓器鐵芯上的變壓器繞阻，還包括電抗器，所述電抗器包括與電抗器鐵芯及繞制于所述電抗器鐵芯上的電抗器繞阻，所述變壓器鐵芯與所述電抗器鐵芯之間設(shè)有屏蔽元件，所述電抗器的磁力線與所述勵磁變壓器的磁力線相互垂直。通過增加與勵磁變壓器連接的電抗器，可以有效地阻止高次諧波進入勵磁變壓器高壓側(cè)影響發(fā)電機空載或者輕載時的端電壓波形。
【專利說明】
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及發(fā)電機電壓控制領(lǐng)域，尤其涉及一種發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)電機孤網(wǎng)運行或者輕載運行時，發(fā)電機端電壓容易出現(xiàn)缺口或尖峰，如附圖1所 示，為現(xiàn)有技術(shù)中某電站發(fā)電機空載時端電壓的波形圖，發(fā)電機端電壓波形缺口或者尖峰 容易對電器設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，同時對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。
[0003] 隨著用戶用電質(zhì)量要求的提高，處理發(fā)電機端電壓出現(xiàn)尖峰或者缺口的現(xiàn)象顯得 尤為重要。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機端電壓出現(xiàn)尖峰與缺口是由于勵磁系統(tǒng)中的可控硅整流 部份在換流時產(chǎn)生的一種固有現(xiàn)象，由于可控硅的通態(tài)電流臨界上升率di/dt過大，勵磁整 流系統(tǒng)換流時的重疊角過小所導(dǎo)致，目前，通過增加勵磁變壓器的繞阻電感以增加勵磁變 壓器的短路阻抗來減少發(fā)電機端電壓尖峰與缺口的問題，然而，增加勵磁變壓器的繞阻電 感會造成勵磁變壓器的體積很大，且勵磁變壓器低壓側(cè)電感量增發(fā)，導(dǎo)致勵磁變壓器溫升 很高，變壓器勵磁系統(tǒng)的相應(yīng)響應(yīng)時間增大，其次仍然大量高次諧波通過電磁耦合進入到 勵磁變壓器的高壓側(cè)而使得端電壓波形出現(xiàn)尖峰，因此，發(fā)電機空載或者輕載運行時發(fā)電 機端電壓出現(xiàn)尖峰或者缺口的問題已成為業(yè)內(nèi)的嚴(yán)重困擾。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 基于此，本實用新型在于提供能夠有效減小發(fā)電機端電壓尖峰或缺口的發(fā)電機勵 磁系統(tǒng)。
[0005] 根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，包括用于與發(fā)電機連接 的勵磁變壓器，所述勵磁變壓器包括變壓器鐵芯及繞制于所述變壓器鐵芯上的變壓器繞 阻，還包括電抗器，所述電抗器包括與電抗器鐵芯及繞制于所述電抗器鐵芯上的電抗器繞 阻，所述變壓器鐵芯與所述電抗器鐵芯之間設(shè)有屏蔽元件，所述電抗器的磁力線與所述勵 磁變壓器的磁力線相互垂直。
[0006] 通過上述發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，通過增加與勵磁變壓器連接的電抗器，使得電抗器的 磁場與勵磁變壓器磁場相互隔離，且電抗器的磁力線與勵磁變壓器的磁力線相互垂直，可 以有效地阻止高次諧波進入勵磁變壓器高壓側(cè)影響發(fā)電機空載或者輕載時的端電壓波形。
【附圖說明】
[0007] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)電機空載運行時發(fā)電機端電壓波形圖。
[0008] 圖2為本實用新型一實施例所提供的發(fā)電機機組的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖3為本實用新型另一實施例所提供的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)的示意圖。
[0010] 圖4為采用本實用新型實施例發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機空載運行時發(fā)電機端電壓 波形圖。
[0011] 圖5為本實用新型第二實施例所提供的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 為使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實 施方式，對本實用新型進行進一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實施方式】 僅用以解釋本實用新型，并不限定本實用新型的保護范圍。
[0013] 請參閱圖2,為本實用新型一實施例所提供的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，包括用于與發(fā)電機 連接的勵磁變壓器14,所述勵磁變壓器14包括變壓器鐵芯及繞制于所述變壓器鐵芯上的變 壓器繞阻，還包括電抗器18,所述電抗器18包括與電抗器鐵芯及繞制于所述電抗器鐵芯上 的電抗器繞阻，所述變壓器鐵芯與所述電抗器鐵芯之間設(shè)有屏蔽元件（圖未示），所述電抗 器18的磁力線與所述勵磁變壓器14的磁力線相互垂直。
[0014] 其中勵磁變壓器14是一種專門為發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供三相交流勵磁電源的裝置， 勵磁系統(tǒng)通過可控硅將三相電源轉(zhuǎn)化為發(fā)電機轉(zhuǎn)子直流電源，形成發(fā)電機勵磁磁場，通過 勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)角，達到調(diào)節(jié)電機端電壓和無功的目的。該發(fā)電機勵磁系統(tǒng)包括 增設(shè)的電抗器18,勵磁變壓器14包括變壓器鐵芯和變壓器繞阻，電抗器18包括電抗器鐵芯 和電抗器繞阻，其中電抗器繞阻包括分別與勵磁變壓器三相分別串聯(lián)連接的第一線圈、第 二線圈和第三線圈。變壓器鐵芯與電抗器鐵芯之間設(shè)置屏蔽元件，通過屏蔽元件將電抗器 鐵芯的磁場和變壓器鐵芯的磁場相互隔離。該屏蔽元件通常為由金屬材料，比如鐵制成的 薄片，電抗器18的磁力線與勵磁變壓器14的磁力線相互垂直，可以避免電磁耦合的影響，減 少勵磁變壓器14的可控硅的通態(tài)電流臨界上升率di/dt。
[0015] 電抗器18與勵磁變壓器14的低壓側(cè)連接，可阻止勵磁變壓器14低壓側(cè)的高次諧波 通過電磁耦合作用進入到勵磁高壓側(cè)。優(yōu)選的，變壓器鐵芯與電抗器鐵芯相互垂直，通過將 鐵芯相互垂直的設(shè)置，可使得電抗器18的磁力線和勵磁變壓器14的磁力線相互垂直。為了 優(yōu)化布置，變壓器鐵芯與電抗器鐵芯沿豎直方向分層排列，具體的，變壓器鐵芯與電抗器鐵 芯沿豎直方向?qū)R，屏蔽元件設(shè)置于變壓器鐵芯與電抗器鐵芯之間，變壓器鐵芯與電抗器 鐵芯呈上下對稱設(shè)置，可以減小發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的體積，優(yōu)化發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的設(shè)計。
[0016] 優(yōu)選的，可以將電抗器18增加到勵磁變壓器14的內(nèi)部，勵磁變壓器14包括變壓器 殼體，將變壓器鐵芯、變壓器繞阻、電抗器鐵芯和電抗器繞阻均設(shè)置于所述變壓器殼體內(nèi)。 將電抗器18設(shè)置于勵磁變壓器14的內(nèi)部，可以簡化整個發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，節(jié)省 開發(fā)和設(shè)計成本，增強勵磁變壓器14的適應(yīng)性?？梢岳斫獾?，電抗器18和勵磁變壓器14也可 以分離設(shè)置，只要能夠達到電抗器18的磁力線與勵磁變壓器14的磁力線相互垂直，阻止勵 磁變壓器14低壓側(cè)的高次諧波通過電磁耦合作用進入到勵磁高壓側(cè)便可。
[0017] 通過上述實施例所提供發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，通過增加與勵磁變壓器連接的電抗器 18,使得電抗器18的磁場與勵磁變壓器14磁場相互隔離，且電抗器18的磁力線與勵磁變壓 器14的磁力線相互垂直，可以有效地阻止高次諧波進入勵磁變壓器14高壓側(cè)影響發(fā)電機空 載或者輕載時的端電壓波形。
[0018] 如圖3所示，在另一個實施例中，提供了一種發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)，包括 仿真模塊20、響應(yīng)時間確定模塊21、感抗確定模塊22、壓降確定模塊23以及電流確定模塊 24。
[0019] 仿真模塊20用于建立發(fā)電機機組仿真模型，仿真模型包括與母線一側(cè)連接的發(fā)電 機定子、與所述母線另一側(cè)連接的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和勵磁控制單元、以及與所述發(fā)電機勵 磁系統(tǒng)和所述勵磁控制單元連接的發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
[0020] 本實施例中，發(fā)電機機組仿真模型具體如圖2所示，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)包括勵磁變壓 器14和電抗器18，勵磁變壓器14包括變壓器鐵芯及繞制于變壓器鐵芯上的變壓器繞阻，電 抗器18包括電抗器鐵芯及繞制于電抗器鐵芯上的電抗器繞阻，電抗器繞阻包括分別與勵磁 變壓器14三相分別串聯(lián)連接的第一線圈、第二線圈和第三線圈。發(fā)電機轉(zhuǎn)子11與母線10的 一側(cè)連接，勵磁變壓器14的高壓側(cè)及勵磁控制單元15均與母線10的另一側(cè)連接。勵磁變壓 器14的低壓側(cè)與電抗器18連接。
[0021] 優(yōu)選的，該發(fā)電機機組仿真模型還包括與電抗器18連接的勵磁整流單元16。勵磁 變壓器14通過電抗器18與勵磁整流單元16連接，該勵磁控制單元15也與勵磁整流單元16連 接。通過勵磁整流單元16可以對電壓端輸出電壓進行整流和濾波，達到更加精確模擬仿真 的結(jié)果。
[0022] 該發(fā)電機機組仿真模型可以選擇現(xiàn)有的仿真軟件實現(xiàn)，如可以通過MatLAB進行建 模和仿真。其中發(fā)電機機組仿真建模的具體實現(xiàn)方式也可以通過現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，在此不再 贅述。
[0023] 響應(yīng)時間確定模塊21用于根據(jù)仿真模型獲取發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)時間。發(fā)電機 勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)時間是評價發(fā)電機機組運行的重要條件，因此對發(fā)電機機組設(shè)計需確保發(fā) 電機勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)時間符合預(yù)設(shè)條件。通常，可以通過在仿真模型中輸入勵磁變壓器相 關(guān)參數(shù)、發(fā)電機相關(guān)參數(shù)以及勵磁控制單元相關(guān)參數(shù)，模擬實際運行情況，然后通過修改勵 磁控制單元中的PID參數(shù)模擬獲得發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
[0024] 感抗確定模塊22用于當(dāng)響應(yīng)時間符合預(yù)設(shè)條件時，獲取電抗器的感抗。通過仿真 模型模擬獲得符合預(yù)設(shè)條件的響應(yīng)時間，其中符合預(yù)設(shè)條件是指所述發(fā)電機勵磁系統(tǒng)電壓 的上升時間和下降時間分別符合預(yù)設(shè)范圍，具體的上升時間不大于0.08s，下降時間不大 于0.1 s，獲取與符合預(yù)設(shè)條件的響應(yīng)時間時電抗器的感抗。
[0025] 壓降確定模塊23用于根據(jù)感抗確定電抗器壓降。電抗器壓降與電抗器的感抗呈線 性關(guān)系，根據(jù)感抗確定電抗器壓降的具體公式為：
[0026] 電抗器壓降= 2*3.14*f*400*L;
[0027] 其中f為基準(zhǔn)頻率50HZ，L為電抗器感抗。
[0028] 電流確定模塊24用于根據(jù)勵磁變壓器額定電壓、勵磁電壓器額定電流、預(yù)設(shè)勵磁 倍數(shù)、發(fā)電機的額定勵磁電壓以及發(fā)電機的額定勵磁電流獲取電抗器的額定電流。該電抗 器的額定電流的計算公式具體包括如下：
[0029] 電抗器的額定電流=勵磁變壓器附邊電流*1.1;
[0030] 勵磁變壓器附邊電流=勵磁變壓器容量/ Vf勵磁變壓器附邊電壓；
[0031] 勵磁變壓器容量=發(fā)電機額定勵磁電壓*發(fā)電機額定勵磁電流*H;
[0032] 勵磁變壓器附邊電壓=K*發(fā)電機額定勵磁電壓*整流系數(shù)/可控硅的控制死區(qū)系 數(shù)；
[0033]其中，K為預(yù)設(shè)勵磁倍數(shù)，整流系數(shù)是理論系統(tǒng)，通常取值為1.35,可控硅的控制死 區(qū)系數(shù)為經(jīng)驗參數(shù)，通常取值為1.064，H為根據(jù)強勵倍數(shù)折合的系數(shù)范圍，通常取值為3~ 3.3之間。預(yù)設(shè)勵磁倍數(shù)可根據(jù)用戶或者電網(wǎng)的需要進行設(shè)置，通常在1.6~2.5之間，優(yōu)選 為 1 ·8〇
[0034] 通過上述發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)，通過仿真模塊20建立發(fā)電機組仿真模 型，感抗確定模塊22、壓降確定模塊23以及電流確定模塊24通過獲取勵磁變壓器、發(fā)電機以 及勵磁控制單元的相關(guān)參數(shù)作為仿真模型輸入并根據(jù)其與電抗器之間的關(guān)系，分別計算獲 得電抗器的感抗、壓降以及額定電流，以獲取確定的最優(yōu)的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的參數(shù)。通過確 定發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)發(fā)電機勵磁系數(shù)參數(shù)設(shè)計電抗器，從而可最大程度的減少甚 至消除發(fā)電機端電壓波形尖峰或者缺口。如圖4所示，為采用上述實施方式提供的變壓器勵 磁系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)，通過于勵磁變壓器的電壓側(cè)增加繞阻電抗器之后所獲得的發(fā)電 機空載運行時發(fā)電機端電壓波形圖，從圖中可以看出，變電器端電壓波形中無尖峰或者缺 □ 〇
[0035] 在另一個實施例中，該請參閱圖5,參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)還包括壓降確定模塊25和強勵倍 數(shù)確定模塊26,該壓降確定模塊25用于根據(jù)所述勵磁電壓器附邊電壓以及所述勵磁變壓器 短路阻抗，獲取所述勵磁變壓器壓降。強勵倍數(shù)確定模塊26用于根據(jù)所述電抗器壓降、所述 勵磁變壓器壓降以及所述發(fā)電機的額定勵磁電壓，獲得所述發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)。
[0036] 根據(jù)勵磁電壓器附邊電壓以及勵磁變壓器短路阻抗獲取所述勵磁變壓器壓降的 具體計算公式為:勵磁變壓器壓降=勵磁變壓器附邊電壓*勵磁變壓器短路阻抗;根據(jù)電抗 器壓降、勵磁變壓器壓降以及發(fā)電機的額定勵磁電壓獲得發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)的具 體計算公式為：（勵磁變壓器附邊電壓-電抗器壓降-勵磁變壓器壓降)*整流系數(shù)/可控硅的 控制死區(qū)系數(shù)/發(fā)電機額定勵磁電壓。其中，整流系數(shù)是理論系數(shù)，通常取值為1.35,可控硅 的控制死區(qū)系數(shù)為經(jīng)驗參數(shù)，通常取值為1.064。獲取和核算發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)， 可以協(xié)助進一步獲取最優(yōu)的解決發(fā)電機空載運行時發(fā)電機端電壓波形的尖峰或缺口問題 的方案，從而確定與該最優(yōu)方案對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。
[0037] 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)是評價發(fā)電機機組運行的另一重要條件，通過獲取和 核算發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵倍數(shù)，可以協(xié)助進一步獲取最優(yōu)的解決發(fā)電機空載運行時發(fā)電 機端電壓波形的尖峰或缺口問題的方案，從而確定與該最優(yōu)方案對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。
[0038]以上描述了本實用新型的【具體實施方式】，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此 而理解為對本實用新型范圍的限制。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新 型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，包括用于與發(fā)電機連接的勵磁變壓器，所述勵磁變壓器包括 變壓器鐵芯及繞制于所述變壓器鐵芯上的變壓器繞阻，其特征在于:還包括電抗器，所述電 抗器包括與電抗器鐵芯及繞制于所述電抗器鐵芯上的電抗器繞阻，所述變壓器鐵芯與所述 電抗器鐵芯之間設(shè)有屏蔽元件，所述電抗器的磁力線與所述勵磁變壓器的磁力線相互垂 直。2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，其特征在于:所述變壓器鐵芯與所述電抗器鐵 芯沿豎直方向分層排列。3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，其特征在于:所述電抗器與所述勵磁變壓器的 低壓側(cè)連接。4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，其特征在于:所述變壓器鐵芯與所述電抗器鐵 芯相互垂直。5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，其特征在于：所述勵磁變壓器包括變壓器殼 體，所述變壓器鐵芯、變壓器繞阻以及所述電抗器均設(shè)置于所述變壓器殼體內(nèi)。6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，其特征在于:所述電抗器繞阻包括分別與所述 勵磁變壓器三相連接的第一線圈、第二線圈和第三線圈。
【文檔編號】H02P9/10GK205670749SQ201620116300
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年2月4日
【發(fā)明人】黃文寶, 胡清波, 郭旭東, 張志峰, 申滔
【申請人】華自科技股份有限公司