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1、同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司目 录第一章 发电机励磁系统的作用及分类11-1 励磁系统作用11-2 励磁系统分类6第二章 发电机励磁系统的组成原理102-1 励磁系统的配置102-2 励磁调节器基本组成原理122-4 可控整流原理152-5 灭磁及过压原理292-6 PSS原理44- 45 -第一章 发电机励磁系统的作用及分类1-1 励磁系统作用1.1.1、维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线)的电压在给定水平维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务，有以下3个主要原因:第一，保证电力系统运行设备的安全。电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最高运行电压。保持发电
2、机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。发电机运行规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110。第二，保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压下降,则输出相同的功率所需的定子电流将增加,从而使损耗增加。规程规定大型发电机运行电压不得低于额定值的90；当发电机电压低于95时，发电机应限负荷运行。其他电力设备也有此问题。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。励磁控制系统对静态稳定、动态稳定
3、和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且是最为简单、经济而有效的措施。1.1.2、控制并联运行机组无功功率合理分配并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。两台或多台有差调节的发电机并联运行时,按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多,调差率大的分配到的无功少。如果发电机变压器单元在高压侧并联,因为变压器有较大的电抗,如果采用无差特性,经变压器到高压侧后,该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大,为使高压母线电压稳定,就要使高压母线上的调差率不至太大,这时发电机可采用负调差特性,其作用是部分补偿无功电流在主变压器上
4、形成的电压降落,这也称为负荷补偿。调差特性由自动电压调节器中附加的调差环节整定。与大系统联网的机组,调差率Ku在土(3%10%)之间调整。1.1.3、提高电力系统的稳定性1）励磁控制系统对静态稳定的影响对于汽轮发电机,其功角特性为:式中Eq一发电机内电势;Us一受端电网电压;Xd一发电机与电网间的总电抗。 当无励磁调节时, Eq=常数,相应功角特性如图1-1(a)所示。此曲线亦称内功率特性曲线。静态稳定功率极限等于PM=。对应的功角为900。图1-1 发电机内、外功率特性曲线及端电压和内电势变化图(a) Eq恒定, (b)当Eq恒定,Eq及U的变化; (c) Eq恒定, (d)当Eq恒定,Eq
5、及U的变化;(e) U恒定, (f)当U恒定,Eq及Eq的变化如果发电机在运行中可自动调节励磁,则此时Eq为变值,相应的传输功率可得到显著的提高。假定自动励磁调节是无惯性的,并假定在负载变化时可保持发电机的暂态电势 Eq近似为常数,由于随负载变化时,内电势Eq亦随励磁调节而变化,此时的功率特性己不是一条正弦曲线,而是由一组Eq等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成, 如图1-1(c)中曲线所示。为区别Eq等于恒定值时的内功率特性曲线,当Eq随负载而变化的功率特性曲线称之为外功率特性曲线。另由图1-1(d)可看出,如维持Eq近似不变,则随着负载增加,Eq是上升的。静态稳定功率极限理论值PM
6、=，具体数值取决于微动态稳定的条件。对应的功角大于900。如果励磁调节器具有更良好的性能和更高的电压放大倍数,在负载变化中可维持发电机的电压U为恒定值,此时的外功率特性曲线将具有更高的斜率,如图1-1(e)中所示的外功率特性曲线。静态稳定功率极限理论值PM=，具体数值也取决于微动态稳定的条件。对应的转子功角更大于900。同步电机的静态稳定能力提高后，相应系统传输功率的能力也得到提高。理论分析研究结果表明:励磁系统的电压放大倍数Kou与励磁系统的时间常数Te以及转子功角间具有图1-2所示的关系。由此图可看出:在同一转子功角条件下,随时间常数Te的增加,为保证发电机稳定运行所允许的电压放大系数是增
7、加的;在同一时间常数Te条件下,随转子功角的增加所允许的电压放大系数是减少的。由此引起了如图1-1 (c)和图1-1(e)所示的功率振荡情况。图1-2 极限放大倍数(阴影部分为稳定工作区)2）励磁控制系统对暂态稳定的影响现以图1-3(a)所示的线路为例,讨论在短路故障下功率特性的变化。在图1-3(b)中曲线1表示双回路供电时的功率特性曲线,其幅值等于:其中X=Xd+XT+Xe/2。图1-3 在短路故障下,功率特性曲线的变化(a) 单机元限大母线系统; (b)短路故障下,功率特性曲线的变化曲线2表示切除短路故障线路后的功率特性曲线。由于线路阻抗由Xe/2增加到Xe,使功率特性曲线的幅值减小到,其
8、中X=Xd+XT+Xe。曲线3表示故障中的功率特性曲线。如果发电机初始工作点在功率特性曲线1的a点,短路后工作点将由功率特性曲线3所决定。在故障瞬间,由于惯性的影响,转速维持不变,功率角仍为0,工作点由a移至b。其后,因输出电磁功率减小,转子开始加速,功率角开始增加。当达到1时故障切除,功率特性为曲线2,工作点由c移到e点。由于惯性的影响,转子沿功率特性曲线2继续加速到f点,对应的转子功率角为 2。经过反复的振荡,最后稳定在工作点 g处。同前所述,暂态稳定性决定于加速面积abed是否小于或等于减速面积dfed。 显然,当故障切除较慢时, 1将增大,加速面积abed 将增大。如果减速面积小于加速
9、面积,将进一步加速,失去暂态稳定性。 提高暂态稳定性有两种方法,减小加速面积或增大减速面积。减小加速面积的有效措施之一是加快故障切除时间,而增加减速面积的有效措施是在提高励磁系统励磁电压响应比的同时,提高强行励磁电压倍数,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。相应变化如图1-4所示。图1-4 功率特性曲线由图1-4可看出,正常时,发电机的工作点在功率特性曲线1的a处;当发生短路事故时,相应 功率特性曲线为曲线3。如在此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势Eq,使功率特性曲线由bc段增加到bc段,由此在故障切除前减少了加速面积 (由abcd减少到abcd
10、)。在=c时故障切除后亦能增加减速面积(由曲线2的dehg增加到dehg)。 如面积dehg等于面积deff,则可使转子功角最大值由m降到m,明显地提高了暂态稳定性。显然,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。但是,考虑到发电机绝缘的强度,强励顶值电压以(79)倍为宜,于此基值取为发电机空载励磁电压。3）励磁控制系统对动态稳定的影响电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。在定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，特
11、产生负的阻尼作用。在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其它控制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的，而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位，因此，称为附加励磁控制。1-2 励磁系统分类同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。1.2.1、它励交流励磁机系统（
12、三机它励励磁系统）它励交流励磁机系统原理如图1-5所示。图1-5 交流励磁机系统（三机它励）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。1.2.2、两机自励恒压励磁系统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；自动励磁调节器控制可控硅的触发角，调整其输出电流。其原理见图1-6。图1-6两机自励恒压励磁系统1.2.3、两机一变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
13、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，其原理图见图1-7。图1-7交流励磁机系统接线原理图（两机一变）1.2.4、自并励励磁系统这是自励系统中接线最简单的励磁方式。其典型原理图如图1-8所示。只用一台接在机端的励磁变压器ZB作为励磁电源，通过可控硅整流装置KZ直接控制发电机的励磁。这种励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比较普遍地称为自并励（自并激）方式。图1-8自并激励磁系统接线原理自并激方式的优点是：设备和接线比较简单：由于无转动部分，具有较高的可靠性；造价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；励磁调节速度快。但对采用这种励磁方式，人们普遍有两点顾虑；
14、第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否失磁；第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。国内外的分析和试验表明，这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普遍地得到采用。国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国近年来在大型发电机上广泛采用自并励方式。1.2.5、无刷励磁系统上述交流励磁机系统，励磁机的电枢与整流装置都是静止的。虽然由硅整流元件或可控硅代替了机械式换向器，但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑环是一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节。随着巨型发电机组的出现，转子电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火的现象
15、。为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。这种励磁方式整个系统没有任何转动接触元件。其原理图见图1-9。图1-9无刷励磁系统接线原理无刷励磁系统中，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。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。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。1.2.6、谐波励磁系统除了上述几种励磁方式外，还有一种介于自励与它励二者之间的所谓谐波励磁系统。在主发电机定子槽中嵌有单独的附加谐波绕组。利用发电机合成磁场中的谐波分量，通常是利用三
