同步发电机励磁控制系统实验报告.doc

同步发电机励磁控制系统实验摘 要：本课题主要针对如何提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保证电力系统安全、经济运行，及延长发电机寿命而进行的同步发电机励磁方式，励磁原理，励磁的自动控制进行了深入的解剖。发电机在正常运行时，负载总是不断变化的，而不同容量的负载，以及功率因数的不同，对发电机励磁磁场的作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。为了保持同步发电机的端电压稳定，需要根据负载的大小及负载的性质调节同步发电机的励磁电流，因此，研究同步发电机的励磁控制具有十分重要的应用价值。本课题主要研究同步发电机励磁控制在不同状态下的情况，同步发电机起励、控制方式及其相互切换、逆变灭磁和跳变灭磁开关灭磁、伏赫实验等。主要目的是是同学们加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务；了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点；了解微机励磁调节器的基本控制方式。关键词：同步发电机；励磁控制；它励第一章 文献综述1.1概述 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。1.2同步发电机励磁系统的分类与性能1.2.1 直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前，在100MW及以上发电机上很少采用。1.2.2 半导体励磁系统半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 1.2.2.1静止式半导体励磁系统静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。（1） 自励式半导体励磁系统自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。无励磁机发电机自并励系统的优点是：不需要同轴励磁机，系统简单，运行可靠性高；缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的检修维护；由可控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电压响应速度；由发电机机端获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比，发电机组甩负荷时，机组的过电压也低一些。其缺点是：发电机出口近端短路而故障切除时间较长时，缺乏足够的强行励磁能力对电力系统稳定的影响不如其它励磁方式有利。由于以上特点，使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组的励磁系统中受到相当重视。（2） 它励式半导体励磁系统它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机JL和一台交流副励磁机FL，三套整流装置。两台交流励磁机都和同步发电机同轴，主励磁机为100HZ中频三相交流发电机，它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流。副励磁机为500HZ中频三相交流发电机，它的输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机的励磁电流，另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电流。自动调励的装置也是根据发电机的电压和电流来改变可控硅的控制角，以改变励磁机的励磁电流进行自动调压。它励式半导体励磁系统的优点是：系统容量可以做得很大，励磁机是交流发电机没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。缺点是：接线复杂，有旋转的主励磁机和副励磁机，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。这种励磁系统多用于10万千瓦左右的大容量同步发电机。1.2.2.2旋转式半导体励磁系统在它励和自励半导体励磁系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅（或二极管）供给，而可控硅（或二极管）是静止的故称为静止励磁。在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件。随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加，转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统，如图4所示。副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。主励磁机的励磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电压保持恒定。无刷励磁系统的优点是：取消了滑环和碳刷等转动接触部分。缺点是：在监视与维修上有其不方便之处。由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管与可控硅的运行状况，接线是否开脱，熔丝是否熔断等等都不便监视，因而在运行维护上不太方便。 1.3同步发电机励磁系统的发展史由于电力系统运行稳定性的破坏事故,会造成大面积停电,使国民经济遭受重大损失,给人民生活带来重大影响,因此,改善与提高电力系统运行的稳定性意义重大。早在20世纪40年代,有电力系统专家就强调指出了同步发电机励磁的调节对提高电力系统稳定性的重要作用,随后这方面的研究工作一直受到重视。研究主要集中在2个方面:一是励磁方式的改进,二是励磁控制方式的改进。在励磁方式方面,世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁方式,因为这种无旋转励磁机的可控硅自并励方式具有结构简单、可靠性高及造价低廉等优点;在励磁控制方式上,针对静止励磁方式的控制器研究也取得了很大的进展,到现在为止,已经经历了3个阶段,即单变量控制阶段、线性多变量控制阶段、非线性多变量控制阶段。由于电力系统具有高度的非线性特性,当系统的运行点改变时,系统的动态特性会显著改变,此时,单一变量的控制方式和线性控制器就难以满足电力系统稳定的要求,只有非线性控制方式的控制器才能有效地提高电力系统稳定能力。本文将综述半个多世纪以来专家学者在探索可控硅静止励磁控制方式中取得的成就第二章 实验装置及其工作原理2.1实验操作台介绍实验操作台是由输电线路单元、危机线路保护单元、负荷调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。其中负荷调节和同期单元是由“TGS-03B型微机调速装置”、“WL-04B微机励磁调节器”、“HGWT-03B微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其对应的那个装置组成。而同步发电机励磁系统实验研究主要用了TGS-03B型微机调速装置和WL-04B微机励磁调节器。2.1.1 TGS-03B型微机调速装置介绍TGS-03B型微机调速装置面板包括：6位LED数码显示器，13个信号指示灯，7个操作按钮和一个多圈指针电位器等。其详细介绍如下：信号指示灯13个装置运行指示灯1个电源指示灯1个方式选择指示灯1个并网信号指示灯1个监控电机速度指示灯1个增减速操作指示灯2个开机、停机指示灯各1个平衡指示灯2个操作按钮4个区，共7个按钮开机方式选择区有2个按钮，一个为模拟方式按钮，另一个为微机方式的自动、手动按钮。显示切换有2个按钮可进行显示切换。微机调节区有2个按钮，即为“增速”、“减速”操作。停机开机有1个按钮模拟调节区1个数码显示器2.1.2 WL-04B微机励磁调节器装置介绍WL-04B微机励磁调节器其励磁方式可选择：它励自并励两种。 微机励磁调节器的控制方式可选择恒UF、恒IL、恒、恒Q等四种。 设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬间限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能。设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS）。励磁调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，能做到最大限度地满足教学科研的灵活多变的需要。具有实验录波功能，可以记录UF、IL、UL、P、Q、等信号的时间响应曲线，供实验分析用。 微机励磁调节器面板包括：8位LED数码显示器，若干指示灯和按钮，强、弱电测试孔。 8位LED数码显示器用途1：用以显示同步发电机励磁控制系统状态量，包括：发电机机端电压、发电机输出有功功率和无功功率发电机励磁电压、励磁电流发电机频率励磁调节器输出控制角等用途2：用以查询、修改励磁调节器的控制参数，如：PID反馈系数指示灯励磁调节器面板公有32只指示灯，共分成三个类型。第一类：“控制电源”指示灯4只第二类：励磁调节器“输出”触发脉冲指示灯6只第三类：励磁调节器工作状态指示灯22只微机正常指示灯定子过压指示灯同步异常指示灯进相运行指示灯自励指示灯助磁指示灯功柜故障指示灯母线无压指示灯仪变断线指示灯调变断线指示灯灭磁指示灯减磁指示灯增磁指示灯恒IL指示灯恒UF指示灯恒指示灯它励指示灯参数设置指示灯欠励限制指示灯过励限制指示灯伏赫限制指示灯PSS指示灯测试孔励磁调节器面板共有14个测试孔，分为两个测试区。第一区：弱电测试孔9个第二区：强电测试孔5个操作按钮13只复位按钮灭磁按钮减磁按钮增磁按钮恒IL按钮恒UF按钮恒按钮恒Q按钮参数设置按钮参数选择按钮（11，12）“”增量显示和“”减量显示按钮RS232/RS485标准通讯口1个22实验操作原理及其说明同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，它们和同步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统，称为励磁控制系统。励磁控制系统的三大基本任务是：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。图1 励磁控制系统示意图实验用的励磁控制系统示意图如图1所示。可供选择的励磁方式有两种：自并励和它励。当三相全控桥的交流励磁电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流励磁电源取自380V市电时，构成它励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，触发脉冲为双脉冲，具有最大最小角限制。微机励磁调节器的控制方式有四种：恒UF（保持机端电压稳定）、恒IL（保持励磁电流稳定）、恒Q（保持发电机输出无功功率稳定）和恒（保持控制角稳定）。其中，恒方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用。同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增减磁按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。发电机正常运行时，三相全控桥处于整流状态，控制角小于90；当正常停机或事故停机时，调节器使控制角大于90，实现逆变灭磁。电力系统稳定器PSS是提高电力系统动态稳定性能的经济有效方法之一，已成为励磁调节器的基本配置；励磁系统的强励，有助于提高电力系统暂态稳定性；励磁限制器是保障励磁系统安全可靠运行的重要环节，常见的励磁限制器有过励限制器、欠励限制器等。第三章 实验操作3.1 不同角（控制角）对应的励磁电压波形观测3.1.1 实验操作步骤 其实验操作步骤如下：（1）合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄；（2）励磁系统选择它励励磁方式：操作 “励磁方式开关”切到“微机它励”方式，调节器面板“它励”指示灯亮；（3）励磁调节器选择恒运行方式：操作调节器面板上的“恒”按钮选择为恒方式，面板上的“恒”指示灯亮；（4）合上励磁开关，合上原动机开关；（5）在不启动机组的状态下，松开微机励磁调节器的灭磁按钮，操作增磁按钮或减磁按钮即可逐渐减小或增加控制角，从而改变三相全控桥的电压输出及其波形。注意：微机自动励磁调节器上的增减磁按钮键只持续5秒内有效，过了5秒后如还需要调节，则松开按钮，重新按下。3.1.2 实验数据实验时，调节励磁电流为表1规定的若干值，记下对应的角（调节器对应的显示参数为“CC”），同时通过接在Ud+、Ud-之间的示波器观测全控桥输出电压波形，并由电压波形估算出角，另外利用数字万用表测出电压Ufd和UAC，将以上数据记入下表，通过Ufd，UAC和数学公式也可计算出一个角来；完成此表后，比较三种途径得出的角有无不同，分析其原因。表3-1励磁电流Ifd0.0A0.5A1.5A2.5A显示控制角155.085.176.7励磁电压Ufd2.5V4.0A22.7A交流输入电压UAC2.5V2.5V80V由公式计算的实际励磁电流Ifd0.05A0.55A1.51A（6）调节控制角大于90度但小于120度，观察全控桥输出电压波形，并记载下来。以下是调节控制角=110.2时的波形图：图2 全控桥输出电压波形图（7）调节控制角大于120度时，观察全控桥输出电压波形，并把波形图记载下来。下面是调节控制角=155.0时的波形图：图3 全控桥输出电压波形图3.2 同步发电机起励实验3.2.1 同步发电机起励及其介绍同步发电机的起励有三种：恒UF方式起励，恒方式起励和恒IL方式起励。其中，除了恒方式起励只能在它励方式下有效外，其余两种方式起励都可以分别在它励和自并励两种励磁方式下进行。恒UF方式起励，现代励磁调节器通常有“设定电压起励”和“跟踪系统电压起励”的两种起励方式。设定电压起励，是指电压设定值由运行人员手动设定，起励后的发电机电压稳定在手动设定的电压水平上；跟踪系统电压起励，是指电压设定值自动跟踪系统电压，人工不能干预，起励后的发电机电压稳定在与系统电压相同的电压水平上，有效跟踪范围为85%115%额定电压；“跟踪系统电压起励”方式是发电机正常发电运行默认的起励方式，而“设定电压起励”方式通常用于励磁系统的调试试验。恒IL方式起励，也是一种用于试验的起励方式，其设定值由程序自动设定，人工不能干预，起励后的发电机电压一般为20%额定电压左右；恒方式起励只适用于它励励磁方式，可以做到从零电压或残压开始由人工调节逐渐增加励磁，完成起励建压任务。32.2 恒UF方式起励实验一、恒UF方式起励步骤（1）将“励磁方式开关”切到“微机自励”方式，投入“励磁开关”；（2）按下“恒UF”按钮选择恒UF控制方式，此时恒UF指示灯亮；（3）将调节器操作面板上的“灭磁”按钮按下，此时灭磁指示灯亮，表示处于灭磁位置；（4）启动机组；（5）当转速接近额定时，（频率47Hz）,将“灭磁”按钮松开，发电机起励建压。注意观察在起励时励磁电流和励磁电压的变化（看励磁电流表和电压表）。录波，观察起励曲线，测定起励时间，上升速度，超调，振荡次数，稳定时间等指标，记录起励后的稳态电压和系统电压。上述的这种起励方式是通过手动解除“灭磁”状态完成的，实际上还可以让发电机自动完成起励，其操作步骤如下：（1）将“励磁方式开关”切到“微机自励”方式，投入“励磁开关”；（2）按下“恒UF”按钮选择恒UF控制方式，此时恒UF指示灯亮；（3）使调节器操作面板上的“灭磁”按钮为弹起松开状态（注意，此时灭磁指示灯仍然是亮的）；（4）启动机组；（5）注意观察，当发电机转速接近额定时（频率47Hz），灭磁灯自动熄灭，机组自动起励建压，整个起励过程由机组转速控制，无需人工干预，这就是发电厂机组的正常起励方式。同理，发电机停机时，也可由转速控制逆变灭磁。改变系统电压，重复起励（无需停机、开机，只需灭磁、解除灭磁），观察记录发电机电压的跟踪精度和有效跟踪范围以及在有效跟踪范围外起励的稳定电压。按下灭磁按钮并断开励磁开关，将“励磁方式开关”改切到“微机它励”位置，恢复投入“励磁开关”（注意：若改换励磁方式时，必须首先按下灭磁按钮并断开励磁开关！否则将可能引起转子过电压，危及励磁系统安全）。本励磁调节器将它励恒UF运行方式下的起励模式设计成“设定电压起励”方式（这里只是为了试验方便，实际励磁调节器不论何种励磁方式均可有两种恒UF起励方式），起励前允许运行人员手动借助增减磁按钮设定电压給定值，选择范围为0110%额定电压。用灭磁和解除灭磁的方法，重复进行不同设定值的起励试验，观察起励过程，记录设定值和起励后的稳定值。二、恒UF方式起励方式数据选择它励恒UF方式，开机建压不并网，改变机组转速45Hz55Hz，记录频率与发电机电压、励磁电流、控制角的关系数据。表3-2发电机频率发电机电压励磁电流励磁电压控制角45Hz46Hz47Hz48Hz49Hz50Hz51Hz52Hz53Hz54Hz55Hz32.3 恒IL方式起励实验一、恒IL方式起励步骤（1）将“励磁方式开关”切到“微机自励”方式或者“微机它励”方式，投入“励磁开关”；（2）按下“恒IL”按钮选择恒IL控制方式，此时恒IL指示灯亮；（3）将调节器操作面板上的“灭磁”按钮按下，此时灭磁指示灯亮，表示处于灭磁位置；（4）启动机组；（5）当转速接近额定时（频率47Hz）,将“灭磁”按钮松开，发电机自动起励建压，记录起励后的稳定电压。起励完成后，操作增减磁按钮可以自由调整发电机电压。二、恒IL方式起励实验数据选择它励恒IL方式，开机建压不并网，改变机组转速45Hz55Hz，记录频率与发电机电压、励磁电流、控制角的关系数据。表3-3发电机频率发电机电压励磁电流励磁电压控制角45Hz46Hz47Hz48Hz49Hz50Hz51Hz52Hz53Hz54Hz55Hz32.4 恒方式起励实验一、恒方式起励实验步骤：（1）将“励磁方式开关”切到“微机它励”方式，投入“励磁开关”；（2）按下恒按钮选择恒控制方式，此时恒指示灯亮；（3）将调节器操作面板上的“灭磁”按钮按下，此时灭磁指示灯亮，表示处于灭磁位置；（4）启动机组；（5）当转速接近额定时（频率47Hz）,将“灭磁”按钮松开，然后手动增磁，直到发电机起励建压；（6）注意比较恒方式起励与前两种起励方式有何不同。二、恒方式起励实验数据：选择它励恒方式，开机建压不并网，改变机组转速45Hz55Hz，记录频率与发电机电压、励磁电流、控制角的关系数据。表3-4发电机频率发电机电压励磁电流励磁电压控制角45Hz46Hz47Hz48Hz49Hz50Hz51Hz52Hz53Hz54Hz55Hz3.2.5 恒Q方式实验选择它励恒UF方式，开机建压，并网后选择恒Q方式（并网前恒Q方式非法，调节器拒绝接受恒Q命令），带一定的有功、无功负荷后，记录下系统电压为380V时发电机的初始状态，注意方式切换时，要在此状态下进行。改变系统电压，记录系统电压与发电机电压、励磁电流、控制角，无功功率的关系数据。