发电厂励磁系统原理(内蒙)课件

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1、发电机励磁系统原理,三峡电厂陈小明 Chen_,励磁的基本概念,什么是励磁？ 导体切割磁力线感生电动势e 励磁就是提供一个磁场B,E=4.44fN,对于发电机来说，励磁就是产生磁通,4.44:有效值系数 F:励磁条件与影响 N:机端电压影响 :与励磁电流关系,Governor调速,Excitation励磁,功角含义（电气量与空间量）、静稳极限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、功角范围（机组小于系统）,励磁的基本任务,水轮发电厂原理,大坝、水电厂、水轮机、发电机定子、转子、励磁系统,汽轮发电机调节原理,1、调节无功的方法 2、调无功对有功的影响（瞬时p摆动，平均P不变）,1、调节有功的方法

2、 2、调有功对无功的影响（AVR不变，ECR变化）,发电机空载特性,发电机升压试验：额定转速、Ugf（If）,1、一致性 2、空载励磁电流和电压参数 3、发电机变压器组空载特性 4、过激磁概念,E=4.44kwfN,U=4.44fNm,U=4.44kwfNm,发电机短路特性,发电机升流试验：额定转速、Igf（If）,1、线性与三相一致 2、电气制动设置点 3、主变高压侧短路特性：测短路主抗,Excitation System,Excitation Control System,Synchronous Machine Regulator,Exciter,Synchronous Machine,P

3、ower System,Blockdiagramm according IEEE,励磁系统,励磁控制系统,励磁重要概念,Generator,U , I,f,f,U , I,E,E,Voltage Regulator,AVR,Main Exciter,自并励励磁系统,励磁机他励与自并励,IGBT,他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等； 自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措施保证强励能力。,励磁系统的组成与分类,自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器） 励磁电源（励磁机、励磁变压器） 整流器（AC/DC变换，SCR、二极管） 灭磁与转子过电压保护 按励磁电源分类： 直流励磁机

4、励磁系统 交流励磁机励磁系统 无刷励磁系统 自并励励磁系统 按响应速度分类： 慢速励磁系统 快速励磁系统 高起始励磁系统,直流励磁机系统（开关励磁）,同轴,开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。,交流励磁机系统（三机它励）,组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。 优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响 缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴

5、系振荡,同轴,交流励磁机系统（二机它励）,组成：交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；AVR控制可控硅的触发角，调整其输出电流，亦称为两机它励励磁系统。励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统。 优点：取消副励磁机，轴系长度缩短；缺点：调节速度慢,同轴,交流励磁机与自幷励发电机,同轴,自励系统（并励、复励）,自并励励磁系统 组成：励磁变压器、大功率可控硅整流柜、灭磁及过电压保护、起励设备、自动电压调节器

6、优点：结构简单、响应速度快 缺点：强励时系统电压变化复杂,交流侧串联自复激励磁系统 励磁电压变压器ZB（并联变）的副方电压与励磁电流变压器 GLH（串联变）的副方电压相联（相量相加），然后加在可控硅整流桥KZ上。当发电机负载情况变化时，例如电流增大或功率数降低，则加到可控硅整流桥上的阳极电压增大，故这种励磁方式具有相复励作用。,静止,交流侧串联自复励与自幷励,静止,交流自复励缺点（有刷励磁）,静止,无刷励磁系统,组成：主励磁机（ACL） 电枢是旋转的，它发出的三 相交流电经旋转的二极管整 流桥整流后直接送发电机转 子回路。 无刷励磁系统中的副励磁机 （PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机

7、同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。 无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题,旋转,自并励磁系统,励磁装置就是提供发电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置及保护装置 励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统 整流器输入开关的定义：灭磁开关国标2倍+80%=2.5;三峡2.5+80%=3.125;1000V,OK）,励磁对动态稳定的影响

8、,单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型 （菲利普斯-海佛曼模型）,发电机转子运动方程：、。 K1同步力矩环节；D转子阻尼环节；K4发电机去磁电枢反应；K5励磁正负阻尼系数；K2K6励磁阻尼力矩环节。 K5为正，这时AVR的作用是引入了一个负的同步转矩和一个正的阻尼转矩，有利于动态稳定； 当发电机与系统的外接电抗较大，并且发电机的输出功率较高时，系数K5为负，这时AVR的作用是引入了一个正的同步转矩和一个负的阻尼转矩不利于动态稳定；,功角稳定比喻,腕中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的位置。如果这个腕的高度很矮，像一个盘子，该球就有可能从碗中掉下来。此时，我们就说这个系统静稳不

9、足。提高腕的高度最经济的办法就是采用自动电压调节器。 当碗中的球受到一个大的外力，怎样保证该球不飞出，最主要措施就是快速的继电保护。继保的作用就相当于减少这个外部力量的作用时间，继保越快，外力的作用时间就越短，这个球就不会一下子掉下来。自动电压调节器此时作用相当于自动改变这个腕的坡度，当这个球上升时增加坡度，当这个球下降时就减少这个坡度，使这个球在碗中滚动幅度迅速减小。 如果这个腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当

10、于电力系统的阻尼，这个来回不断施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加腕和球的摩擦系数，使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。,励磁调节器原理图,移相触发器原理：UtUk触发脉冲 模拟式移相电路：余弦移相、锯齿波移相,AVR（自动） 恒电压闭环 自动电压调节器 ECR（手动） 恒电流闭环 励磁电流调节器 电压给定Ugref 电流给定Ifref PID调节计算 限制功能 控制

11、电压Uk,恒无功闭环：AVR的辅助控制,励磁调节器构成,移相原理,模拟电路移相原理,数字移相原理之一1、首先计算角；2、将角转换为计数器的计数时间T；3、由同步点启动计数器，计数时间就是角；4、计数时间到，触发相应的可控硅；5、每隔600再触发下一个可控硅，共6个可控硅；6、每发一个脉冲，启动脉宽中断，控制脉冲宽度。,励磁调节器输出脉冲,脉冲变压器作用 隔离 功率匹配 脉冲发展形式 宽脉冲 双脉冲 宽高频脉冲 双高频脉冲,励磁调节器功能简介,无功补偿（调差） 强励电流限制（快速限制） 过励限制（励磁电流慢速、反时限） 欠励限制（P-Q） 定子电流限制（过无功限制） 伏赫限制（V/HZ、U/F）

12、（过激磁） 软起励功能 PSS功能 电制动功能 PT断线保护,励磁调差原理与应用,并网产生无功冲击的分析,1、相位不一致产生的冲击电流，属于有功电流。由于机械功率不变，因冲击产生的有功振荡几次后回到原位。2、电压不一致产生的冲击电流，属于无功电流，由此产生机组并网时无功的突变，但一般不超过5%。3、由于并网前机端电压一般为100%，而系统电压不是100%，一旦并网，机端电压几乎就强行的等于系统电压，此时，除了前述产生的无功冲击外，励磁调节器还按照调差系数，将机组无功调整到当前机端电压所对应的无功。,Ug,Q,并网条件,全控桥强励与强减,按照Ud=1.35U2cosa，一般强励=100 ；强减=

13、1500,强励限制与过励限制,1、电压强励能力取决于励磁变二次电压（阳极电压）；2、电流强励能力取决于可控硅电流或者说是功率柜的数量；3、强励限制是指电流限制倍数：1.5-2.0倍；功率柜故障取1.1倍；4、过励限制是励磁电流限制，大于1.1倍，反时限，励磁电流闭环。,欠励限制,欠励动作后按照Q闭环运行，欠励设定值与机端电压值相关的设计,发电机进相不能太深，否则定子绕组的端部、磁轭等部件可能过热，将严重影响发电机的运行安全，失磁保护将动作停机。为了保证机组的稳定运行，低励限制器必须在机组超过限制区之前将定子电压升高，以使机组运行点回到允许的允许范围之内。,定子电流限制（过无功限制、过励限制）,

14、定子电流限制还可以采用根据发电机输出的有功功率来确定发电机允许输出无功功率的方式来实现，即过无功限制,当发电机电流超过了限制区，如果此时机组运行在进相状态，则限制器动作，增加励磁电流；如果此时机组在迟相运行，则限制动作，减少励磁电流。总之，定子电流限制器的作用是调节发电机定子电流中的无功分量，使发电机电流回到限制区以内运行。,伏赫限制以及其他辅助功能,设计U/F限制器是为了保护机组及与机组相连的变压器过激磁。当机组频率降低的时候，为了使机组的机端电压保持恒定，励磁系统将会增加励磁电流，此时，如果机组在低频率的情况下使机端电压保持在额定值，那么对机组及所有与机组相连的变压器而言，将有可能出现过磁

15、通现象（尤其是主变压器），从而对机组及变压器造成损坏。,其他辅助控制功能 1、 PT断线保护功能； 2、软起励功能； 3、主开关容错功能； 4、同步电压断线保护,U=4.44fNm,励磁产生负阻尼的原因,阻尼（正、零、负）VS惯性 动态稳定可以理解为机电振荡的阻尼问题。 AVR造成阻尼变弱、甚至变负（K5变负)。在 定的运行方式及励磁系统参数下，AVR在维 持Ug恒定的同时，会产生负的阻尼作用。 扰动前后：P 1 摆动 阻尼 2 稳定 传统励磁：低增益慢速（没有能力管闲事） Ug AVR作用小、反应慢 Uf小 If小 P（力矩象限不明） 对影响极小。 现代励磁：高增益快速（管闲事帮倒忙） Ug

16、 AVR作用大、反应快 Uf大 If大 P（力矩第二象限） 产生负阻尼使原来的阻尼变小，对负面影响。 AVR+PSS:高增益快速+附加控制系统（管闲事帮正忙） Ug AVR作用大、反应快 Uf大 If大， P（力矩第一象限） 产生正阻尼使原来的阻尼变大，对正面影响。,电力系统低频振荡,本机振荡模式 地区性振荡模式（local model）：频率一般在0.52.0Hz； 区域间振荡模式（interarea model、tieline model）：频率一般在0.10.5Hz）。 小系统： 0.52.5Hz； 大系统： 0.22.5Hz； 全国联网： 0.12.0Hz；,解决励磁产生负阻尼，造成系统产生低频振荡的方法是附加控制，即电力系统稳定器，线性最优励磁控制器，各种智能控制器。 依据F.D.迪米洛和C.康柯迪亚理论设计的电力系统稳定器(Power system stabilizer)，简称PSS，即为抑制系统低频振荡和提