励磁系统在励磁切换过程中无功突增的原因分析

      通过对湛江发电厂#4机组在励磁切换过程中无功突增的原因进行定性分析，阐明采用三相全控桥式整流电路的励磁调节器在并入励磁手动柜（备励）时无功突增与控制角α的关系，并提出如何避免或减少在励磁切换过程中无功突增的一些措施。
     关键词: 励磁    无功突增   措施
      前言
      湛江发电厂#4机组励磁系统为静止型三机励磁系统，自动励磁调节器（两套，共A、B两柜）是采用清华大学与广州智光电气公司联合研制的GEC-1A型全数字式非线性励磁装置，手动励磁柜（备励）是原东方电机厂生产的DQLT-2B型励磁调节器配套的装置，其整流电路是典型的三相桥式整流。
      1、事件经过
      由于需要对自动励磁调节器A、B两柜进行常规检查，准备将手动励磁柜投入运行，并逐步减少自动励磁调节器的输出电流，同时相应增加手动柜的输出电流，即进行励磁切换操作。最后退出自动励磁调节器Ａ、Ｂ两柜，由手动励磁柜运行。但在开始操作时，一合手动励磁柜的直流输出开关Q6，#4机组无功功率突然增至100Mvar，有功功率保持不变。当时机组有功功率为200MW，无功功率30Mvar，控制角α=86.1°，并确认手动励磁柜没有电流输出。断开Q6开关后，无功功率立即自动降至30Mvar。即恢复至原值。后来拉开手动励磁柜交流输入刀闸Q3，再合Q6开关，结果一样。
下图是励磁系统原理简图

      2、原因分析
      从上面的事件经过可以肯定，无功功率的突增显然是由合上Q6开关后引起。我们知道，手动励磁柜是采用三相不可控桥式整流方式，电路图如图2所示。

      在没有交流输入的情况下，手动励磁柜三相桥式整流电路最终可简化为图5等值电路，即相当于一个二极管。所以合上Q6开关后的等值电路即是在原励磁调节器直流输出端反向并联一个二极管，等效电路如图6所示。

      那么，为什么反向并联一个二极管就会引起机组无功功率突增呢？这首先要从三相全控桥式整流电路分析。从电路原理知道：三相全控桥式整流电路平均输出电压Uf与控制角α的大小有关系：
Uf=1.35× Uz ×COSα
    其中Uz为交流输入电压，控制角α的大小决定整流电路处于整流状态或逆变状态，并且控制角α大小也直接影响输出电压波型。下面分别论述不同的控制角α时的输出波形：

（1） 当控制角α=60°时，电压输出Uf 的波形如图7所示：
从图7可知，当控制角α＜60°时,共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都有高于共阳极组的阳极电位,输出电压Uf的瞬时值都大于0，并且波形是连续的。
（2） 当控制角α=90°时，电压输出Uf 的波形如图8所示：
从图8可知，波形Uf正负两部分面积相等，平均电压Uf=0。
（3） 当控制角60°＜α＜90°时，电压输出Uf 的波形如图9所示：
从图9可知，当控制角60°＜α＜90°时，输出电压Uf在一个周期内有正有负电压输出。
（4） 当控制角α＞90°时，此时三相全控桥处于逆变状态，这不在我们讨论范围。
      综上分析可知，控制角60°＜α=86.1°＜90°时，合上Q6开关，由等效电路图6可知，并联于输出端的二极管将会把图9负值部分短路，平均输出电压Uf明显升高。假设图9正值部分平均输出电压为U1，负值部分为U2，总的平均输出电压为：
Uf=U1-|U2|
当合上Q6开关后，由于二极管把负值部分短路，平均输出电压变为：
Uf1=U1
电压差为：△U=Uf1 - Uf=U1 - （U1 - |U2|）=|U2|
     此电压差就是引起无功功率突增的原因，无功功率突增量由负值部分的大小决定，而△U的大小直接与控制角α有关：
（1） 当控制角α越接近90°时，△U=|U2| 变大，无功功率的突增量就越大；
（2） 当控制角α越接近60°时，△U=|U2| 变小，无功功率的突增量就越小；
（3） 当控制角α≤60°时，△U=|U2|=0 ，无功功率的突增量为0 。
      2、相应措施
      从上分析可知，在励磁切换前尽可能把控制角α变小，即是增加励磁电流，提高机组的无功功率，但为了保持系统的无功不变，电压稳定，应同时减少其它机组的无功，如果增加无功至控制角α≤60°时进行励磁切换，机组无功功率就保持不变。