电力电子技术在发电系统中应用

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1、电力电子技术在发电系 统中的应用华北电力大学 谭伟璞一、发电概述o电能是现代社会最主要的能源之一。o发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它 由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流 ，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能 传给发电机，再由发电机转换为电能。o发电机的种类有很多，从电能形式上分为直流发电机、 交流发电机；从工作原理上分为同步发电机、异步发电机 、单相发电机、三相发电机；从产生方式上分为汽轮发电 机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机等；从能源上 分为火力发电机、水力发电机等。一、发电概述o尽管发电机的形式有很多种，但其工作原理都是基于电磁 感应定律

2、和电磁力定律。因此，发电机构造的一般原则是：用 适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路， 以产生电磁功率，达到能量转换的目的。o一般是依一次能源的不同，制成不同的发电机。o利用水利资源和水轮机配合，制成水轮发电机。o利用煤、石油等资源，和锅炉，涡轮蒸汽机配合，制成汽 轮发电机 (3000rpm高速电机)。o还有利用风能、原子能、地热、潮汐等能量的各类发电机 。o目前广泛使用的大型发电机都是同步发电机。一、发电概述o同步发电机通常由定子、转子、端盖、机座及轴承等部件 构成。o定子由机座、定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的 其他结构件组成。o转子由转子铁芯(有磁扼、磁极绕组)、滑

3、环、(又称铜环、 集电环)、风扇及转轴等部件组成。o同步发电机广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及 柴油机发电。o同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通 过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运 行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果 是调节了电机的功率因数和无功功率。 一、发电概述o并入电网运行的同步发电机，有功功率是由发电机的一次 能源决定的。o同步发电机绝大多数是并联运行，并网发电的。各并联运 行的同步发电机必须频率、电压的大小和相位都保持一致。o同步发电机在投入并联运行以后，各机负载的分配决定于 发电机的转速特性。通过调节原动机的调速器，改

4、变发电机组 的转速特性，即可改变各发电机的负载分配，控制各发电机的 发电功率。而通过调节各发电机的励磁电流，可以改变各发电 机无功功率分配和调节电网的电压。 发电机的励磁调节是发电机控制的重要环节。二、励磁与发电机的特性o良好的励磁系统可以保证发电机的运行性能，可以有 效提高发电机及电力系统运行的稳定性。o励磁系统的作用：1.发电机正常运行时提供维持一定电压和一定功率输出 所需的励磁电流。2.系统发生突然短路或增减负荷时，对发电机强行励磁 或强行减磁，提高发电机或电力系统运行的稳定性和可靠 性。3.发电机内部出现短路时，对电机灭磁，避免事故扩大 。二、励磁与发电机的特性o励磁系统的功能：1.自

5、动调压：发电机负载变化时，自动调节励磁电流， 使发电机端电压保持在一定水平。2.合理分配无功：对并联运行的各同步发电机组，调节 励磁电流，使无功功率在各机组中合理分配，使各发电机 容量均能充分利用。3.强行励磁：当电力系统或发电机故障或其他原因使发 电机端电压严重下降时，迅速增大励磁电流，提高励磁电 动势E0，恢复一定电压水平，提高电力系统和发电机运行 稳定性。二、励磁与发电机的特性o励磁系统的功能：4.强行减磁：当发电机因各种原因使端电压升高时，为 不使电压升高过多，强行减小励磁电流，保持在一定水平 。5.灭磁：发电机内部发生故障，例如电枢绕组匝间短路 ，为避免事故扩大，励磁系统快速将励磁电

6、流减小。6. 励磁限制：为保证励磁系统安全运行，限制励磁电 流不超过规定值；发电机在欠励状态下运行，为避免失布 ，对最小励磁电流的限制。三、励磁系统o发电机励磁系统按供电方式常分类 为：他励式、自复励式。o按具体形式主要分为三类：o直流励磁系统；o交流励磁系统；o静止励磁系统；3.1 直流励磁系统o直流励磁系统用直流发电机作为励磁功率电源，并通过 滑环给同步发电机的转子提供电流。o励磁机由一个电动机拖动，或与发电机同轴旋转。它可 以是自励或他励。他励时，用一个永磁发电机组成的副励磁 机提供励磁机的磁场。o直流励磁机代表了早期的系统。由于其控制特性差、运 行维护不便，在20世纪60年代，这些缺点

7、随着系统控制对励 磁系统性能要求的提高而更为明显，直流励磁系统很快为基 于整流原理的交流励磁机所取代。3.2 交流励磁系统o利用交流电机作为主发电机励磁功率电源。该励磁机通 常与汽轮发电机同轴。励磁机输出经可控或不可控整流器整 流，产生发电机磁场需要的直流电流。整流器可以是静止的 ，也可以是旋转的。o交流励磁系统可以依据整流器的安排、励磁机输出控制 方法和励磁机的励磁电源而采用不同的形式实现。o交流励磁系统的形式：1.静止整流器系统 2.旋转整流器系统 3.2 交流励磁系统1.静止整流器系统 o由于整流器是静止的，它的直流输出要通过滑环馈送给 主发电机的磁场绕组。o当采用不可控整流器时，调节器

8、控制交流励磁机的磁场 ，从而控制励磁机的输出电压。o交流电机整流器励磁系统的简化图见下页。o该系统中，交流励磁机由主发电机转子拖动。励磁机通 过晶闸管整流器引入磁场功率进行自励。电压调节器的功 率来自励磁机的输出电压。3.2 交流励磁系统3.2 交流励磁系统1.静止整流器系统 o采用可控整流器(晶闸管)时，调节器直接控制励磁机的 直流输出电压。o这种交流电机提供交流，经可控整流器调节励磁的系统 的原理图见下页。o电压调节器控制晶闸管的触发。励磁机是自励的，并用 一个独立的静止电压调节器来维持它的输出电压。由于晶 闸管直接控制了励磁机的输出，这个系统具有高速响应特 性。3.2 交流励磁系统3.2

9、 交流励磁系统1.静止整流器系统 o上述励磁系统，都可实现两种独立的调节方式：o1)交流调节器，自动维持主发电机的定子端电压为相应 于交流参考电压的期望值；o2)直流调节器，维持恒定的发电机磁场电压为直流参考 电压确定的值。o一旦交流调节器发生故障或不满足需要时，直流调节器 或手动控制方式就作好投入准备。交流调节器的输入信号包 括辅助输入，以提供额外的控制和保护功能。3.2 交流励磁系统2.旋转整流器系统 o采用旋转整流器时，省去了滑环和碳刷，直流输出直 接地馈送到主发电机的磁场。示意图见下页。o交流励磁机的电枢和二极管整流器随主发电机的磁场 一起旋转。带永磁转子(图中表示为NS)的小型交流副

10、励磁 机随励磁机电枢和二极管整流器旋转。副励磁机定子的整 流输出激励交流励磁机的静止磁场。电压调节器控制交流 励磁机磁场，从而也就控制了主发电机的磁场。3.2 交流励磁系统3.2 交流励磁系统2.旋转整流器系统o这样的系统称为无刷励磁系统。o建立这样的系统，是为了避免供给大型发电机的励 磁电流时碳刷与滑环存在的摩擦损耗及人工维护更换 等问题。o现代工艺和材料技术的发展，加之维护，碳刷和滑 环方式实际存在的问题并不像预期的那么严重。3.3 静止励磁系统o静止励磁系统的所有元件是静止的。可控或 不可控静态整流器通过滑环直接将励磁电流供 给主发电机的磁场。整流器的电源取自主发电 机(或电站辅助母线)

11、通过一个励磁变压器降至 适当的电压，或者在某些情况下取自发电机内 的辅助绕组。o目前广泛采用的有两种静止励磁系统。3.3 静止励磁系统o1.电势源可控整流器系统o励磁功率由发电机端或电站辅助母线通过一个励磁变压 器降压取得，并靠一个可控整流器来调节2。这种励磁系统 也常称为母线馈入或变压器馈入静态系统。示意图见下页。o系统的固有时间常数非常小。但是最大励磁输出电压(顶 值电压)取决于输入交流电压。从而，在引起发电机端电压 下降的系统故障期间，可利用的励磁顶值电压就相应地减小 了。该励磁系统的这种局限性在很大程度上被它的实际瞬时 响应和高故障后强励能力所补偿。此外，这种系统比较便宜 和容易维护。

12、对于与大电力系统连接的发电机，这种励磁系 统能满意地运行。3.3 静止励磁系统3.3 静止励磁系统o2.复合源整流器系统o利用主发电机的电压和电流来构成励磁系统的功率。o借助于一个电力电势变压器(PPT)和一个饱和变流器 (SCT)来达到。另外，也可以将电压源和电流源结合成一 个励磁变压器，称之为饱和电流电势变压器(SCPT)。o调节器通过控制励磁变压器的饱和来控制励磁输出。 当发电机没有带上负荷，电枢电流为零，则由电势源供给 全部的励磁功率。在负载条件下，部分励磁功率取自发电 机电流。在系统故障期间，发电机端电压严重下降，电流 输入能够使励磁系统提供高强励能力。o示意图见下页。3.3 静止励

13、磁系统3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （1）三相可控晶闸管整流电路o主整流输出回路无论是可控方式还是不可控方式，励 磁电流的调节通常都是通过三相可控晶闸管整流电路实现 的（复合源整流器系统励磁变压器的饱和则是通过调整偏 置电流实现的）。o励磁调节器用于控制整流桥的控制角。当控制角为0 90时，整流桥处于整流状态，输出电压的平均值为正 ；控制角为(90180)时(为换相角)，整流桥处于 逆变状态，输出电压的平均值为负。通常，控制角维持在 70左右，强行励磁时控制角近于0。逆变状态可用于 发电机灭磁，例如将控制角固定在150，使储存在转子 励磁绕组中的能量通过整流桥返

14、回到整流电源。3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （1）三相可控晶闸管整流电路o三相桥式全控整流电路存在换相压降，在控制角不变 时，输出电压随输出电流(或负载)的增加而降低。在励磁 系统的应用范围内，描述三相全控整流电路工作状态的外 特性表达式为式1，标么外特性表达式为式2。3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （2）移相环节o三相触发脉冲的移相控制角是由反馈的励磁调节电 压uR决定的。形成与uR关系的环节称为移相环节，通常 有线性移相环节与余弦移相环节。o线性移相控制电压与控制角呈线性关系的移相环节称 为线性移相环节。o控制特性呈直线，直线上

15、的工作点由最大控制电压uRmax 、最小控制电压uRmin、最大控制角max及最小控制角min 所决定，一般情况下，max=150，min=10，uRmax、 uRmin依励磁系统的励磁电压调节范围来决定。3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （2）移相环节o线性移相环节的特性方程式：= minmaxuRmin = upcosmax，uRmax=upcosmin up为整流桥输出的空载电压 3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （2）移相环节o余弦移相环节的特性方程式：= minmaxuRmin = upcosmax，uRmax=upcosmin up为整流桥输出的空载电压 3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （3）三相全控整流电路的数学模型o 在数字化励磁系统中，通常对整流器电路使用周波平 均值模型代替瞬时值模型，即认为计算出的触发角可以立 即得到励磁电压平均值的响应。o对不同的移相环节，可得到不同的模型。电压源 三相全控桥式整流电路和线性移相环节特性 3.4 励磁系统的控制1. 三相可控晶闸管励磁整流电路的控制 （3）三相全控整流电路的数学模型o 电压源 三相全控桥式整流电路和线性移相环节特性 四、电力电子技术在风力发电中的应用1. The End