模型分析在发电机励磁系统检修中的应用
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【摘要】在电力系统中，随着发电机组运行时数的增加，发电机的故障率也随之升高。而励磁系统是发电机的一个重要组成都分，励磁系统故障占发电机电故障相当大的一部分，我们必须采取多种多样有效的检修方法和手段提高发电机励磁系统故障检修的效率，减少故障停机时间。本文主要阐述了发电机励磁系统的数学模型分析，以及在检修中应用。
【关键词】数学模型分析 励磁系统检修应用
前言
励磁系统是同步发电机的重要组成部分．其主要任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流(电压)，控制机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要。同时控制发电机组间无功功率的合理分配．保证同步发电机并列运行的稳定性．以满足电力系统安全运行的需要．对发电机的运行可靠性、经济性及其它特性有直接的影响。现有励磁系统设备检测手段均是人工提取故障特征信息(自动提取为辅)，以人工经验作指导进行故障分析、定位，存在诊断离线进行。对维修人员要求过高等致命弱点。严重影响故障诊断的实时性和准确性．为了真正提高系统的可靠性和降低维修成本，研究并发展具有新型励磁检修系统显得很有必要，而我们建立数学模型，进行分析，对提高发电机励磁系统的检修效率有很大帮助。
一、励磁控制系统的数学模型及其分析
根据我国国家标准，同步发电机励磁系统是指“向同步发电机提供励磁的所有部件的总和”。同步发电机的励磁系统主要由主励磁系统及调节系统两个基本部分组成。主励磁系统可分为直流励磁系统及半导体整流励磁系统两大类，而每一类又可分为多种接线形式。励磁调节系统包括常规的励磁调节器(AVR)以及目前系统中广泛使用的电力系统稳定器(PSS)等。我国生产的调节器中，包括调差补偿环节以及励磁稳定器(ESS)部分，系统稳定器则单独分出。按控制理论来划分，发电机是控制对象，调节器是控制器，励磁功率系统是调节器的执行环节。调节器根据机端电压变化控制励磁功率系统的输出，从而达到调节励磁电流的目的。它们组成一个反馈系统，称之为励磁控制系统。
1、同步发电机的传递函数
同步发电机是电力系统中物理过程最复杂的元件，既有机械运动过程又有电磁暂态过程，并且包含的变量众多。因此很难建立一个全面而统一的发电机数学模型，只能是根据某种目的，按照某种要求来建立相应的数学模型。假定发电机在运行区域内，不考虑发电机电压的饱和特性时，可认为发电机端电压稳定幅值与励磁电压成正比，发电机的传递函数可用一阶惯性环节来表示。
2、励磁调节器的数学模型
自动电压调节器(AVR)是励磁系统的最重要的组成部分之一，而自动电压调节器的数学模型则是励磁系统数学模型中最重要的组成部分之一。由于实际电力系统中运行的调节器种类繁多、采用的控制规律各不相同，因而导致在同一种励磁方式下可能需要采用不同的励磁系统数学模型。自动电压调节器一般由电压测量调差补偿单元、误差信号放大单元、校正单元(串联校正、并联校正或两种兼用)、功率放大单元和时间常数补偿单元等组成。自动电压调节器的模型就由这些单元的模型加上限幅单元的模型组成。
3、电力系统稳定器数学模型
电力系统稳定器(PSS)作为一种附加励磁控制，对电力系统稳定性的改善具有重要的作用，在电力工业中得到了广泛应用。60年代后期，大型互联系统在弱联系重负荷的情况下，常发生振幅增长性振荡，以致破坏系统的稳定运行，采用电力系统稳定器产生的励磁系统附加控制信号，可以有效地增加系统阻尼，克服振荡。常用的电力系统稳定器输出信号加在调节器信号综合输入端。而输入信号，按信号来源不同可分别取自转速、频率或有功功率等，经适当的处理后得到所希望的输出信号。
实际运行的电力系统稳定器一般包括信号测量单元、隔直单元、相位补偿调节单元和限幅单元等。测量单元是一个典型的惯性环节，除了检测并变送主信号外，还对高频非主信号具有足够程度的抑制作用，使其幅值被限制在主信号幅值的10％范围之内。隔直单元用来洗净不大于0．01Hz的直流非主信号对励磁控制系统正常运行的干扰而设置的，所以又把它称为冲洗器，也将其称为自动复位器，意味着只有出现大于0．01Hz的信号时，才会使PSS自动投入励磁系统，否则它便自动复位，使PSS自动退出励磁系统。相位补偿调节单元是一种超前一滞后相位补偿器，是为补偿测量单元及其它环节对主信号所造成的相位滞后而设置的。
二、数学模型分析在检修中的作用
1、故障现象
比如，在起动发电机组过程中，发电机过电压保护动作。调低电压设定值后可起动，但电压振幅过大，以及电压振动达3次，系统才越于稳定。
2、故障分析和检修
通过对模型的分析，获取反映设备状态的信息是诊断系统进行设备性能评估、故障诊断的基础。考虑到当前技术条件，励磁系统状态可监测信号来源主要有以下几种：励磁系统实时信号数据、发电机组综合管理系统实时信号数据、人工离线检测与测试数据。励磁系统选定的故障监测信号为发电机机端三相交流电压、电流检测：直流励磁电压、电流检测；励磁变压器三相交流同步信号检测；功率模块温度检测。分析上述监测信号．具有以下主要特征：以工频正弦渡为主．同时并存多种非周期信号，波形图象基本反映系统各种状态；系统参量随时间变化；系统运行于多种工况．不同工况其同一参量的故障特征值完全不同。针对监测信号特征．在相应励磁系统工况环境下可以借鉴领域专家常用的示波器检测手段．采用分时段录渡．对信号进行频谱分析。形成故障特征信息．将故障波形数据及其发生时刻录入特征信息数据库。在后期的诊断中，可依据励磁系统知
识、工况知识和故障特征知识．采用层次诊断策略．以故障树形式。通过知识推理实现励磁故障诊断。
在励磁系统的技术指标中．根据数学模型分析，调节器动态性能要求零起升压超调M，不大于10％，调节时间不大于5秒．振荡次数N不大于3次，当M，大于10％。或大于5秒，或N大于3次，该励磁系统都被认为发生了起励失败故障．分析起励失败的原因，可建立起机组起励失败故障树。该故障树以系统层故障机组起励失败为顶事件．按照励磁系统自身的层次分级．逐步确定故障底事件。当状态呈获取不足或不充分，故障原因不清晰时．可以采用模糊理论对该故障树的节点进行模糊化，对该故障机理进行模糊推理，从而对发动机励磁系统故障了解更进一步。
而通过调低电压设定值可以起动发电机组，说明励磁部分的功率驱动部分基本正常，起动过程中振荡次数过多，振幅过大，可以判断为励磁系统控制部分的控制作用较弱。根据对数学模型的分析，与控制回路中的电压速率反馈环节取消后引起的现象相类似，故初步判断控制部分回路的电压速率反馈环节不正常造成的故障。那么，我们就对控制部分回路的电压速率进行深入检查，找出其中的问题，然后进行处理。重新起动发电机组，电压控制恢复正常，故障检修完成。
结语
总之，励磁系统检修的目标是减少励磁系统运行和维修成本并提高设备的可靠性，从而降低生产成本，进一步提高企业效益和企业竞争力。要充分利用现有的装备和资源，重视常规的测量工作，根据本厂励磁系统的实际情况合理配置先进实用、技术成熟的监测和诊断分析装置，逐步实施，循序渐进。而对发电机励磁系统建立数学模型，通过对其数学模型的分析，结合障现象，为发电压励磁系统检修提供了一个快速、有效的方法，为故障检修节约了时间，减少了故障查找时间，从而提高发电企业的经济效益。
参考文献
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