发电厂励磁系统原理

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1、发电机发电机励磁系统原理励磁系统原理励磁的基本概念什么是励磁？什么是励磁？n n导体切割磁力线感生电动势导体切割磁力线感生电动势e en n励磁就是提供一个磁场励磁就是提供一个磁场B BE=4.44fN对于发电机来说，励磁就是产生磁通对于发电机来说，励磁就是产生磁通GActive Power（P） Frequency（f）Reactive Power（Q） Terminal Voltage（Ug）Governor调速调速Static or Brushless Excitation励磁励磁同步发电机的两个基本控制：励磁同步发电机的两个基本控制：励磁&调速调速 电能质量：电压电能质量：电压&频率频

2、率励磁的基本任务？1：小机组P、Q同时动； 大机组并网时Q突变。水轮发电厂原理大坝、水电厂、水轮大坝、水电厂、水轮 机、发电机定子、转机、发电机定子、转 子、励磁系统子、励磁系统vv水电厂其他控制设备：继电保护、调速、计算机监控、仪表水电厂其他控制设备：继电保护、调速、计算机监控、仪表 vv励磁与其他控制设备的最大区别：连续反馈控制励磁与其他控制设备的最大区别：连续反馈控制 vsvs 离散控离散控 制制；365 x 24365 x 24小时在线、发电机快速连续调节的唯一手段！小时在线、发电机快速连续调节的唯一手段！汽轮发电机调节原理发电机空载特性n n发电机升压试验：额定转速、发电机升压试验：

3、额定转速、UgUgf f（If If）n励磁作用重要体现之一？2：发变组伏安特性发电机短路特性n n发电机升流试验：额定转速、发电机升流试验：额定转速、IgIgf f（If If）n励磁作用重要体现之二？3：n下降的短路特性Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronousMachineRegulatorExciterSynchronous MachinePower SystemBlockdiagramm according IEEE Blockdiagramm according IEEE 励磁系统励磁控制系统励磁重要概念Generat

4、orU , If fU , IE EVoltage RegulatorAVR110 V DC400 V ACPotential Transformers Current TransformersOutput ofExcitation System00 逆变状态逆变状态 直流变交流，能量反送直流变交流，能量反送 90900 0a150a1500 0(180 (1800 0- -0 0) ) UdUd00 UdUd=1.35U2cosa=1.35U2cosa I2I20.816Id0.816Id？5： 逆变 能量 去向三相全控桥实际电路波形因电感引起换弧角因电感引起换弧角 带来的过电压尖带来的过电

5、压尖 峰，逆变颠覆峰，逆变颠覆实际电路器件介绍：实际电路器件介绍： 快熔、阻容、分流器快熔、阻容、分流器 、表记、均流、开关、表记、均流、开关 、脉冲变等、脉冲变等？6：交直流尖峰关系同步发电机励磁的作用1.1.从发电厂角度研究励磁从发电厂角度研究励磁n n调节发电机电压（空载）调节发电机电压（空载）n n调节发电机无功功率（负载）调节发电机无功功率（负载）n n多台发电机无功功率自动分配（调差）多台发电机无功功率自动分配（调差）n n安全可靠运行安全可靠运行 2.2.从电力系统角度研究励磁从电力系统角度研究励磁n n提高系统的静态稳定性（小扰动稳定）提高系统的静态稳定性（小扰动稳定）n n提

6、高系统的动态稳定性（小扰动失稳）提高系统的动态稳定性（小扰动失稳）n n提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）n n改善系统的电压稳定性改善系统的电压稳定性n n二次电压控制二次电压控制n n安全可靠运行安全可靠运行。电力系统稳定简介v电力系统稳定分为三个电量的稳定：电压稳定、频率 稳定、功角稳定。v励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定 ，其次是提高功角稳定。频率稳定由调速器负责。v功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳 定。v静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性；v暂态稳定是大扰动后系统在随后的12个周波的稳定 性；v动态稳定是小扰动后或者是

7、大扰动12周波后的，并 且采取技术措施后的稳定性，也就是PSS研究的稳定 性。励磁对静态稳定的影响励磁对静态稳定的影响vv( (a)Eqa)Eq恒定恒定( (励磁电流恒定励磁电流恒定) )，内，内 功率特性曲线功率特性曲线( (EqEq= =常数常数) ) vv(b)(b)当当EqEq恒定恒定, ,EqEq及及U U的变化的变化 vv(c)(c) EqEq恒定恒定( (发电机暂态电势发电机暂态电势恒定恒定) ) vv(d)(d)当当EqEq恒定，恒定，EqEq及及U U的变化的变化 vv(e) (e) UgUg恒定恒定( (发电机机端电压恒发电机机端电压恒 定定) ) （AVRAVR） vv(

8、f)(f)当当UgUg恒定，恒定，EqEq及及EqEq的变化的变化 vv(c) (c) 和和(e)(e)分别维持分别维持EqEq和和UgUg为恒为恒定时，发电机的功角特性曲线定时，发电机的功角特性曲线 维持维持EqEq和和UgUg不变的外功率特性曲线不变的外功率特性曲线 静态稳定功率达到极限，功角大于静态稳定功率达到极限，功角大于90900 0 ？7：Eq和Eq励磁调节器？励磁对暂态稳定的影响励磁对暂态稳定的影响 (a)(a)单机无限大母线系统 (b)短路故障下，功率特性曲线的变化：初始 工作曲线1；短路后3；故障切除2 暂态稳定性决定于加速面积abedabcd是否小 于或等于减速面积dfed

9、。 提高暂态稳暂态稳 定性有两种方法 1、减小加速面积：加快故障切除时间 2、增大减速面积：提高励磁电压响应比； 提高强励电压倍数，使故障切除后的发电 机内电势Eq迅速上升，增加功率输出，以 达到增加减速面积的目的。 正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特 性曲线增加到bc段（减少了加速面积）； 2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到 dehg （增大减速面积）；转子功角最 大值由m降到m。 励磁顶值电压越高，电压响应比越快，励磁 调节对改善暂态稳定的效果越明显。励磁对动态稳定的影响励磁对动态稳定的影响单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型 当发电机

10、与系统的外接电抗 较小，并且发电机的输出功率 较低时，系数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；快速励磁系统以及特定参数 条件下造成动态稳定性恶化的 原因是由于励磁系统和发电机 励磁绕组的滞后特性所致。功角稳定比喻v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足。提高腕的高度最经济

11、的办法就是采用自动电压 调节器。v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。v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于电力

12、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。励磁系统的组成与分类自动电压调节器自动电压调节器AVRAVR、ECR/FCRECR/FCR（励磁调节器）励磁调节器） 励磁电源（励磁机、励磁变压器）励磁电源（励磁机、励磁变压器） 整流器（整流器（AC/DCAC/DC变换，变换，SCRSCR、二极

13、管）二极管） 灭磁与转子过电压保护灭磁与转子过电压保护 按励磁电源分类：按励磁电源分类： 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统 自并励励磁系统自并励励磁系统 按响应速度分类：按响应速度分类： 慢速励磁系统慢速励磁系统 快速励磁系统快速励磁系统 高起始励磁系统高起始励磁系统交流励磁机系统（三机它励）组成：组成：交流主励磁机（交流主励磁机（ACLACL）和交流副励磁机（和交流副励磁机（ACFLACFL）都与发电机同都与发电机同 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

14、有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。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：优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响它励，励磁电源不受系统电源的影响 缺点：缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡调节速度慢，轴系长度长，易引发轴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

15、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 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。静止机端短路对于自并励的影

16、响？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IfrefPID调节计算限制功能控制电压Uk 恒无功闭环：AVR的辅助控制励磁调节器构