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1、发电机发电机励磁系统原理（励磁系统原理（1 1）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、励磁系统水轮发电厂转子n=60f/Pn=60f/P 励磁绕组励磁绕组（d d轴）轴） 阻尼绕组（阻尼绕组（d d轴、轴、 q q轴）轴）励磁的基本概念什么是励磁？什么是励磁？ 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 e 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GFrequ
2、ency（f） Active Power（P）Reactive Power（Q） Terminal Voltage（Ug）Governor调速调速Excitation励磁励磁功角含义（电气量与空间量）、静稳极功角含义（电气量与空间量）、静稳极 限限PmaxPmax、系统稳定余度（、系统稳定余度（PmaxPmax/P/P）、）、 功角范围（机组小于系统）功角范围（机组小于系统）励磁的基本任务功角Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronousMachineRegulatorExciterSynchronous MachinePower S
3、ystemBlockdiagramm Blockdiagramm accordingaccording IEEE IEEE 励磁系统励磁控制系统励磁重要概念现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁； 发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁；励磁系统新科技现在励磁控制系统规律大多采用传统经典控制理论：PID+PSS 励磁控制系统科研主要内容：电力系统稳定器PSS；线性最优控 制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律（清华大学 ）。励磁控制系统新科技电力系统励磁控制发展过程： PID 控制； PSS 控制线性最优控制LOPSS （Linear Optimal Control）非线性最优控制N
4、OPSS （Nonlinear Optimal Control）非线性鲁棒控制NRPSS （Nonlinear Robust Control） PIDPID励磁控制理念励磁控制理念KVG控制20 VG如K=100GeneratorU , 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-
5、 -0 0) ) UdUd00 UdUd=1.35U2cosa=1.35U2cosa I2I20.816Id0.816Id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、脉冲变等同步发电机励磁的作用1.1.从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级）从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级） 调节发电机电压（空载）调节发电机电压（空载） 调节发电机无功功率（负载）调节发电机无功功率（负载） 多台发电机无功功率分配（调差）多
6、台发电机无功功率分配（调差） 安全可靠运行（关键）安全可靠运行（关键） 2.2.从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级）从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级） 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） 提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） 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）励磁是发电机励磁，也是系统的励磁，但更重要的还是发电机励磁励磁控制系统的主要任务 1、同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是 维持发电机电压在给定水平上1.1、第一，保证电力系统运行设备的安全。 1.2、第二，保证发电机运行的
7、经济性1.3、第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳 定的要求在许多方面是一致的。 2、同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的 稳定性尽管励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善， 都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为 简单、经济而有效的措施。但是，稳定问题还是各有重点，各 有分工：静稳由自动电压调节器和系统结构及运行调度负责； 暂稳主要由继电保护负责，动稳主要由励磁PSS负责。电力系统稳定简介v电力系统稳定分为三个电量的稳定：v电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q）v频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载）v功角稳定（P
8、、Q变化）。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（不发生非周期 性的振荡）（稳定余度好极限功率问题、安稳切机问题）；v暂态稳定是大扰动后系统在随后的12个周波的稳定性；（ 周期性振荡）（安稳切机问题、继电保护问题）；v动态稳定是微小扰动或者是大扰动12周波后（暂稳后期） ，因自动调节作用产生的稳定性稳定（励磁PSS问题）。静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动 恢复到起始运行状态的能力。稳定导则还规定，在有防止事故扩大 的相应
9、措施的情况下，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下 允许只按静态稳定储备送电。 暂态稳定是指电力系统受到大扰动后, 各同步电机保持同步运行并 过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。暂态稳定的判据是 电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大 ，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统 中枢点电压逐渐恢复。 动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控 制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的判 据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角 和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围 内。我国电力系统
10、稳定导则定义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) )， 内功率特性曲线内功率特性曲线( (EqEq= =常数常数) )（ ECRECR） 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( (发电机暂态电发电机暂态电势恒定势恒定) ) vv(d)(d)当当EqEq恒定，恒定，EqEq及及U U的变的变 化化 vv(e) U(e) U恒定恒定( (发电机机端电压发电机机端电压 恒定恒定) ) vv(f)(f)当当U U恒定，恒定，EqEq及及EqEq的变的变 化化 v
11、v(c) (c) 和和(e)(e)分别维持分别维持EqEq和和U U为为恒定时，发电机的功角特性曲恒定时，发电机的功角特性曲 线（线（AVRAVR） vv0.40.4、0.770.77和和1.01.0 维持维持EqEq近似不变的外功率特性曲线近似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 静稳定破坏举例：华北电网大（同） 房（山）线静稳定破坏事故1985年10月，大同电厂2机（额定有功200MW）通过220kV大 房线向比较送电。因励磁调节器自动通道有问题，发电机处 于手动调节励磁的状态下运行。发电机于130MW状态下已稳 定运行很长时间，
12、发电机励磁电流（转子电流）约为1000A。 当电厂运行人员根据调度要求把发电机有功出力增加到 170MW后，发电机与系统失去同步，发电机失步保护动作后 ，由于种种原因，造成机组超速，汽轮机严重损坏而报废。 事故调查得知，运行人员在增加发电机的有功时（直到失步 ）没有同时增加发电机的励磁电流，事故后的仿真研究证明 ，（1）发电机为1000A时的静稳定极限就是170MW，（2） 如果发电机是在自动励磁调节的状态下运行，其静稳定极限 大于200MW，（3）即使发电机处于手动调节励磁的状态下运 行，如果在增加有功出力的同时，运行人员能适当增加发电 机的励磁，也可以避免发电机与系统失步的事故发生。励磁对
13、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。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
14、 值由m降到m。 励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节 对改善暂态稳定的效果越明显。但负面影响越 大。正确的思路是在不影响励磁可靠性的基础 上强调励磁强励倍数。（水电2倍;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 （菲利普斯（菲利普斯- -海佛曼模型）（海佛曼模型）（ F. P. F. P. deMellodeMello and C. and C. ConcordiaConcordia. ） 发电机转子运动方程： 、。K1主要是同步力矩环
15、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 ；K2和K6主要是励磁阻尼力矩 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
16、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当腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中滚动幅度 大且时间长。动稳定影响到电力系统阻尼，就如同影响这个碗 中的摩擦系数一样，正阻尼就是增大摩擦系数，负阻尼减少摩 擦系数。当这个球在滚动中，如果有一个外力在其上升时帮助 其上升，在其下降时帮助其下降，这个球的滚动幅度就越滚越 大，反之就越滚越小并最终停下来。PSS的作用就是增加阻尼 。励磁负阻尼比喻：荡秋千在荡秋千中，我们停止外力，秋千就会在摩擦系数的作 用
