励磁基本原理

1、励磁系统原理励磁系统原理第第1部分部分 励磁系统的几种主要类型励磁系统的几种主要类型励磁系统的组成与分类励磁系统的组成与分类 直流励磁机励磁系统：70年代以前开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。 交流励磁机励磁系统：80、90年代，直流励磁机制造容量有限，大型机组采用。俗称三机励磁。无刷励磁系统：三机励磁的变形。用于励磁电流大（6000A以上）的超大型机组，比如核电；或有腐蚀性气体的环境，比如石油加工的自备电厂。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

2、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自并励励磁系统：自并励静止励磁系统取代直流励磁机和交流励磁机励磁系统是技术发展的必然。国内所有的新建水电站和大部分的火电厂都使用自并励励磁系统。第第2部分部分 自并励励磁系统的基本构成自并励励磁系统的基本构成 自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中型发电机组中普遍采用。其主要技术特点：型发电机组中普遍采用。其主要技术特点：u接线简单、结构紧凑；接线简单、结构紧凑；u取消励磁机，发电机组长

3、度缩短，减小轴系振动，节取消励磁机，发电机组长度缩短，减小轴系振动，节约成本；约成本；u典型的快速励磁系统；典型的快速励磁系统；u调节性能优越，通过附加调节性能优越，通过附加PSSPSS控制可以有效提高电力系控制可以有效提高电力系统稳定性统稳定性。2.1 自并励励磁系统的主要组成部分自并励励磁系统的主要组成部分2.2 励磁变压器励磁变压器 将高电压隔离并转换为适当的低电压，供整流器使用。一般接线组别：Y/d-11。 励磁变的额定容量要满足发电机1.1倍额定励磁电流的要求。 励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。 励磁变的绝缘等级：F级或H级。 励磁变的额定最大温升：80K或100K。

4、2.3 可控硅整流桥可控硅整流桥 可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方式，实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务，给发式，实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务，给发电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性电力电子技术的发展：IGBT晶闸管的导通与关断条件晶闸管的导通与关断条件三相全控桥电路结构三相全控桥电路结构三相全控桥电路要点三相全控桥电路要点 触发控制角的理论范围0180，超出此范围外的触发信号就会造成混乱。触发控制角的角度控制是严格的，一般实用范围：10150

5、 090：整流状态； 90180：逆变状态。 逆变状态时为什么是负的？电流方向与原来一致，而电压方向反，因此功率传送方向会反转，从整流态到逆变态，完成能量消耗。 自并励情况、发电机空载状态下，可实现逆变灭磁。转子电流通过发电机、励磁变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长，10s左右。三相全控桥电路的典型波形三相全控桥电路的典型波形=00: 自然换相点，自然换相点， 二极管整流，二极管整流， AC变变DC=0900: 整流状态，整流状态， AC变变DC=1500: 逆变状态，逆变状态， DC变变AC 可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般12V），造成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大

6、承受结温（PN结）是125。 可控硅散热方法：可控硅压装散热器，并启动冷却风机进行风冷散热。三相全控桥的散热三相全控桥的散热 可控硅过流保护：每可控硅串联快速熔断器。 可控硅换相尖峰过电压保护：可控硅两端并联R、C吸收电路，或采用集中式阻容保护。 由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变的漏感，集中式阻容保护可以直接吸收，保护效果更好。三相全控桥的保护三相全控桥的保护三相全控桥的集中式阻容保护电路：三相全控桥的集中式阻容保护电路：C1主要吸收主要吸收2.4 灭磁系统灭磁系统 灭磁，即是快速把转子电感中储存的大电流灭磁，即是快速把转子电感中储存的大电流释放掉，以保证发电机安全运行，释放掉，以保证发电机

7、安全运行，保护机组和其保护机组和其它设备安全它设备安全 。 转子电感是大的储能元件，电感中的电流是转子电感是大的储能元件，电感中的电流是不能突变的。储存能量为：不能突变的。储存能量为： 灭磁系统由灭磁开关、灭磁电阻及灭磁回路灭磁系统由灭磁开关、灭磁电阻及灭磁回路开通控制单元组成。灭磁，就是把转子中储存的开通控制单元组成。灭磁，就是把转子中储存的能量转移到灭磁电阻中，来消耗掉。能量转移到灭磁电阻中，来消耗掉。221ffILW 灭磁系统的构成原理图灭磁系统的构成原理图 发电机正常运行中，励磁电压比较小，控制单元不能发电机正常运行中，励磁电压比较小，控制单元不能触发可控硅开通，灭磁电阻回路中没有电流

8、通过触发可控硅开通，灭磁电阻回路中没有电流通过 。 当灭磁开关分断后进行灭磁时，转子电感两端出现较大当灭磁开关分断后进行灭磁时，转子电感两端出现较大的反向电压，同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路，的反向电压，同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路，把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路开通，转子电流就可以快把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路开通，转子电流就可以快速转移到灭磁电阻回路，通过灭磁电阻把电流转换为热量速转移到灭磁电阻回路，通过灭磁电阻把电流转换为热量释放。释放。灭磁系统的基本工作原理灭磁系统的基本工作原理 灭磁开关灭磁开关l 灭磁开关的基本作用：控制转子绕组中励磁电流的接灭磁开关的基本作用：控制

9、转子绕组中励磁电流的接通、分断；灭磁开关分断后，配合灭磁电阻完成灭磁通、分断；灭磁开关分断后，配合灭磁电阻完成灭磁的任务。的任务。 灭磁过程中，移能成功的条件： 灭磁开关要有足够高的弧压，才能顺利实现移能。 UR、HPB型灭磁开关的弧压，都在4000V以上。灭磁中的移能灭磁中的移能rEDCarcUUU线性电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。氧化锌ZnO非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理想。SiC非线性电阻，国外生产，经常采用英国M&I公司的产品，超大型机组应用较多，比如：三峡、龙滩、拉西瓦等；灭磁时间适中。水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。

10、单片ZnO阀片的工作能容量是15KJ，而单片SiC阀片的工作能容量为62.5KJ。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需要几百片非线性电阻阀片串、并联连接。并联均能或并联均流问题突出。 SiC阀片容量大、其伏安特性更适合并联，所以，在超大型发电机的励磁系统中普遍使用。灭磁电阻灭磁电阻逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流桥处于逆变状态，使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源侧及回路电阻中消耗，实现灭磁。在自并励励磁系统中，由于在逆变灭磁过程中，发电机端电压也在不断减小，吸收能量不断减小，所以，逆变灭磁的时间比较长。空载额定状态下，逆变灭磁时间一般达到

11、10s。灭磁系统灭磁：在发电机事故、过压或系统故障情况下停机时，励磁电流较大，希望能快速灭磁，消除故障、防止事故扩大化，采用分断灭磁开关的方法将能量转移到灭磁电阻中实现快速灭磁。灭磁系统灭磁的时间一般在5s以下。两种灭磁方法两种灭磁方法2.5 励磁调节器励磁调节器 励磁系统的控制核心，利用自动控制原理，自动控制可控硅整流桥的触发角度、快速调节励磁电流大小，实现励磁系统的各种控制功能，使发电机组满足各种发电工况的运行要求。 典型的控制算法：闭环负反馈控制、超前滞后补偿算法或经典PID算法，自动维持发电机电压恒定、稳定。 附加PSS控制功能，经济、有效地提高电力系统稳定性。 励磁调节器构成励磁调节

12、器构成第第3部分部分 励磁调节器的主要功能励磁调节器的主要功能现有的励磁控制理论现有的励磁控制理论 PID PID+PSS 线性最优控制 自适应最优控制 非线性控制 鲁棒PSS（NLPSS）自动方式，是励磁调节控制的主要运行方式，由两部分组成：自动电压调节器，即AVR；及PSS附加控制。AVR为机端电压负反馈闭环控制，用于自动维持机端电压恒定、稳定。为使励磁系统有良好的静、动态性能，AVR可采用两级超前滞后校正环节。PSS（电力系统稳定器）做为AVR的附加控制，用于增加电力系统的正阻尼，从而抑制电力系统有功低频振荡。它不降低励磁系统AVR调节的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能 。PSS已成为

13、励磁调节器的标配环节，在国内外电力系统中都得到了广泛应用。 AVR的数学控制模型的数学控制模型PID控制Kavr关系到发电机端电压的调节精度。在保证AVR闭环调节稳定的前提下，Kavr越大，机端电压的调节精度越高，越能维持机端电压的恒定。超前滞后环节的参数整定，保证AVR闭环控制稳定，并有良好的动态特性。通过励磁标准中机端电压阶跃试验的指标来验证。励磁标准中要求机端电压的调节精度为0.5。即，在AVR给定值Uref不变的情况下，发电机输出从空载到满载的过程中，机端电压的变化不超过发电机额定电压的0.5。AVR数学模型中的放大倍数数学模型中的放大倍数Kavr比例参数的作用和影响对稳态特性的影响加

14、大比例控制KP，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度，但加大KP只减小误差，却不能完全消除稳态误差；对动态特性的影响比例控制KP加大，会使系统的动作灵敏、响应速度快；KP偏大，振荡次数变多，调节时间加长，当KP太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的响应缓慢。 积分参数的作用和影响对稳态特性的影响积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但若TI太大，积分作用太弱，将不能减小稳态误差；对动态特性的影响积分时间常数TI偏小，积分作用强，振荡次数较多，TI太大，对系统性能的影响减小。当时间常数TI合适时，过渡性能比较理想。 微分参数的作用和影响 微分控制的作用跟

15、偏差信号的变化趋势有关，通过微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，可以较好地改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度等。但当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长。当TD偏小时，同样超调量和调节时间也都较大。只有TD取得合适，才能得到比较满意的效果。PSS的数学控制模型：的数学控制模型：PSS2APSS数学模型说明数学模型说明PSS2A以转速信号与电功率信号合成的加速功率做为PSS的输入量，在解决“反调”问题的同时，不影响PSS的阻尼效果。通过PSS实现的主要目标就是：获得一个附加的电磁力矩，在电力系统低频振荡区（0.12.0Hz）内使该力矩向

16、量对应轴在超前10滞后45以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应轴在0滞后30以内，以尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频振荡。PSS环节的参数，需要经过电网公司认可、具有资质的第三 方试验单位（一般是各电网的电科院）进行现场试验后给出。l励磁调节器的手动方式FCR，为励磁电流负反馈闭环控制，用于维持励磁电流恒定、稳定。lFCR，是励磁调节控制的辅助运行方式。在发电机端PT回路出现故障、自动方式采集的机端电压出现异常情况时，励磁调节器自动切换为手动方式运行，防止励磁系统出现误强励。手动方式手动方式FCR控制控制 1+TbS1 1+TB2S1+TB1SKiIL(S)IgdUK2(S)电流反馈电

17、流给定图3 励磁电流调节器数学模型手动方式手动方式FCR控制控制 手动方式主要用于试验（如在设备的投运或维护过程中的发电机短路试验），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的辅助/过渡控制方式。 由于手动方式不利于发电机电压的稳定，所以不宜长期运行。 为了避免在手动方式下发电机突然甩负荷引起机端过电压，手动方式也应具有自动返回空载的功能。即在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，则立即把励磁电流给定值置为空载励磁电流值。 自动方式自动方式AVR控制的整体模型描述控制的整体模型描述 励磁调节器功能简介励磁调节器功能简介无功补偿（调差）强励电流限制（快速限制）过励限制（励磁电流慢速、

18、反时限）欠励限制（P-Q）定子电流限制（过无功限制）伏赫限制（V/HZ、U/F）（过激磁）软起励功能PSS功能电制动功能PT断线保护无功调差是励磁调节器自动方式的附加控制之一，可以根据发电机无功的变化对机端电压进行必要的微调。正调差：实现机端直接并列连接的发电机间无功的合理分配。当发电机无功输出增加时，正调差使得发电机端电压适当降低，防止并列运行的发电机间无功互抢。负调差：当发电机无功输出增加时，负调差使得发电机端电压适当提高，用于补偿单机单变方式下主变的压降损失。从系统母线侧看，单机单变方式下的整体调差，应表现为正调差。无功调差控制无功调差控制正常情况下，发电机输出的无功为正。当发电机端电压

19、低于系统电压时，发电机从系统吸收无功或输出负无功，这种情况称为发电机进相运行。当电力系统夜间运行时，系统可能出现过剩的无功，引起系统电压升高。需要一些发电机机组进相运行，来吸收系统多余的无功，维持系统电压水平。过度的进相运行，将引起发电机失去静态稳定。欠励限制环节限制发电机进相运行的无功在一定范围，保持发电机静态稳定。简单的欠励限制环节计算公式为：QlimitKPB。其中P为发电机有功，K、B为整定参数。QuegdQlimitQ。当发电机进相无功Q低于限制值Qlimit时，Quegd输出正值，去提高发电机励磁，限制Q进一步减小。 Quegd正值时才有效。五点拟合欠励限制欠励限制QIq=f(0P

20、0,25P;0,5P;0,75P; 1P)Iq=f(P)P/Q-Limiter function for Ug=1PKifieldDSrefactUg actualIq actualKTo GateLogicUgIqUg*IqIq correction=f(Ug)QPP/Q-Limter欠励限制条件 欠励限制有效条件为：发电机出口断路器合且当前无功值小于0。当欠励限制条件不满足时，欠励限制不起作用。 欠励限制动作时，调节器发“欠励限制”报警信号，闭锁减磁操作。 发电机发电机V/f限制限制正常情况下，发电机端电压处于额定水平，发电机频率也在额定频率，发电机及主变压器的激磁回路不在饱和状态。当发电

21、机频率降低时，如果仍要维持发电机端电压在额定水平，励磁电流和主变激磁电流就需要正比增加。当频率降低到一定程度后，激磁回路将处于饱和状态，将引起磁路损耗增大、发热而损坏。V/f限制的作用，使得发电机端电压随频率的降低而成比例的减小，维持发电机及主变压器的激磁回路不进入饱和状态而损坏。强励顶值限制与过励反时限限制强励顶值限制与过励反时限限制在自动方式下，为了提高电力系统暂态稳定极限，在系统出现故障时，发电机端电压降低，励磁系统自动进行强励，励磁电流输出增大，超过额定励磁电流。励磁系统强励输出情况下，发电机转子绕组处于过流状态。为了防止强励情况下发电机转子由于过流而烧坏，需要进行强励限制。分为强励顶

22、值限制和过励反时限限制。发电机转子的过流能力表现为反时限特性。强励顶值限制，限制强励情况下励磁电流的最大输出，是瞬时限制。过励反时限限制，根据反时限特性，限制励磁电流输出，防止发电机转子过流损坏。prospective value offield currentIfmax(1,6*Ifn)Iftherm(1,05*Ifn)Tequiv(10 s)tt sIf ACase 1Case 2强励及过励反时限限制器说明强励及过励反时限限制器说明强励顶值限制值IFEL按励磁标准要求，一般为额定励磁电流的1.82.0倍 。当过励反时限限制器动作后，把励磁电流按0.95倍过励限制值0.95IOEL限制（IO

23、EL为过励限制值，指最大的长期允许励磁电流，一般为额定励磁电流的1.051.1倍）。直到励磁电流降低到0.95IOEL以下且转子内部的过热积累释放完毕后再恢复正常强励限制。 过励反时限特性计算方法过励反时限特性计算方法计算原则：等效发热反时限特性，由两点确定限制曲线。遵从PSD-BPA暂态稳定程序的要求。 定义：定义：IFEL强励限制值强励限制值 Tq最大强励允许时间最大强励允许时间 IOEL过励限制值过励限制值 IL实际励磁电流值实际励磁电流值 t IL下的反时限时间下的反时限时间 。l反时限时间反时限时间t的计算公式：的计算公式： t的最大值，为的最大值，为150s。TqIIIItOELL

24、OELFEL2222调节器其他的附加功能调节器其他的附加功能系统电压跟踪恒无功调节恒功率因数调节PSVR软起励功能PT断线保护功能电制动功能调节器功能软起励tUGIf起励起励根据整定值爬升根据整定值爬升稳定运行稳定运行励磁调节器励磁调节器软起励波形附加控制器 恒无功控制恒无功控制 恒功率因恒功率因数数控制控制MUBQBUSQGENPFGENPFBUSQ controlDischargeP.F controlBUS 1)GeneratorS S恒功率因数恒功率因数恒无功恒无功整定点整定点 AVR整定值整定值1) mainly used in industrial plants励磁调节器励磁调节器

25、叠加的恒无功控制 进入方式 现地LCU或HMI操作 远方串行通讯 设定值 现地LCU或HMI操作 远方串行通讯QlowerjPriseQ1Q2Qregraiselowerpre-setresetQ-Regulation Function励磁调节器励磁调节器恒无功控制有效条件有效条件恒Q功能投入、本通道运行、发电机出口断路器合。如果定子电流限制器、强励、过励三者中任一个动作，则恒Q控制能减磁，但不能增磁。如果欠励或者低励磁电流动作，则恒Q控制能增磁，但不能减磁。恒Q控制给定值可以通过通讯设置为指定值，也可以直接以当前无功值作为给定值。当有增减磁操作时，恒Q控制给定值自动更新为当前无功值，即PQ控

26、制投入时，增减磁操作直接操作无功给定值。恒Q功能自动退出条件：手动运行、解列或者恒PF投入。控制精度为：1%叠加的恒功率因数控制 进入方式 现地LCU或HMI操作 远方串行通讯 设定值 现地LCU或HMI操作 远方串行通讯Cos-phi Regulation FunctionQlowerjPriseQcosphi reg.raiselowerpre-setreset1cosj2cosj励磁调节器励磁调节器恒功率因数控制有效条件有效条件：恒PF功能投入、本通道运行、发电机出口断路器合。如果定子电流限制器、强励、过励三者中任一个动作，则PPF控制能减磁，但不能增磁。如果欠励或者低励磁电流动作，则恒

27、PF控制能增磁，但不能减磁。恒PF控制给定值可以通过通讯设置为指定值，也可以直接以当前功率因数作为给定值。当有增减磁操作时，恒PF控制给定值自动更新为当前无功值。 恒PF功能自动退出条件：手动运行、解列或者恒Q投入。 PT 信号丢失监测每一通道都有每一通道都有PT信号丢失监测信号丢失监测辅助电源辅助电源机端电源机端电源机端电压机端电压励磁电流励磁电流励磁电压励磁电压并网前并网前机端供电机端供电辅助电源供电辅助电源供电启动中观察机端电压是否随励磁电流而变化启动中观察机端电压是否随励磁电流而变化通过比较机端电压和励磁电压决定通过比较机端电压和励磁电压决定通过比较机端电压电流突变时是否互动决定通过比

28、较机端电压电流突变时是否互动决定机端电流机端电流励磁调节器励磁调节器恒控制角模式 这是调节器的一种开环调节方式，只能做为试验手段使用。在励磁电源它励方式下，恒控制角模式可方便地用于发电机短路试验、发电机空载特性试验。只能通过调试软件操作进入恒控制角模式。对调节器来说，进入恒控制角模式的条件及常规顺序为：（1） 励磁电流为0；（2） 通过调试软件选择进入“恒控制角模式”的命令；（3） 通过调试软件选择“强制开机”的命令。进入恒控制角模式后，调节器先进行初始化，使控制信号输出为最大。之后，可通过调试软件设置控制角，也可通过外部增、减磁操作来调整控制角。调节器退出恒控制角模式的常规顺序为：（1） 先

29、把励磁电流降为0；（2） 通过调试软件选择“退出强制开机”的命令；通过调试软件选择进入“正常模式”的命令，即退出恒控制角模式，进入发电模式。 通道跟踪 通道间的跟踪是由调节器软件实现的，备用通道跟踪运行通道，跟踪的依据是两通道的调节输出（控制信号）相等。不同于通道内的跟踪，这种跟踪关系是可通过人机界面人工投退。 自动跟踪功能保证了从运行通道到备用通道的平稳切换。切换可能是由于故障引起的自动切换（如PT断相）或人工切换。 备用通道总是跟踪运行通道。 系统电压跟踪 为了方便发电机组并网运行，励磁调节器还应改增设系统电压跟踪功能。 系统电压跟踪条件为： 系统电压跟踪功能投入、本通道运行、系统电压大于

30、80%、发电机出口断路器分且定子电流小于10%。 无功限制 定子电流限制采用直线计算公式： 曲线见图3-9。Q为实测无功值，Qoelim与Q的差值经积分环节后，作为定子电流限制的输出Qoegd叠加于电压给定值Ugd，叠加方式是减即减磁作用，限制无功增大。 定子电流限制有效条件为：发电机出口断路器合且当前无功值大于0。当定子电流限制条件不满足时，限制不起作用。 定子电流限制动作时，调节器发“A（B）套定子电流限制动作”报警信号，闭锁增磁操作。 PKBQoeoeoelim过励保护功能 在转子短路等故障情况下，励磁电流会突然增大，此时励磁系统需要设置过励保护。 一般情况下过励保护整定值在2.5-3.

31、5倍的额定励磁电流。 一旦过励保护动作，要驱动保护完成跳闸。容错控制容错控制检测容错检测容错包括模拟量检测容错和开关量检测容错等，如对PT断线的检测、对PT相序和CT相序的检测，增、减磁接点防粘连，油开关信号容错，开停机信号容错等。控制容错控制容错包括过励限制动作限制增磁，欠励限制动作限制减磁，防止空载误强励，过励/欠励优先权判断，PSS输出故障等。人工增减磁操作条件增磁允许条件：V/F限制、过励限制、强励限制、定子电流限制都没有动作；减磁允许条件：欠励限制、低励磁电流都没有动作；防粘功能：增磁、减磁分别具备4秒的防粘功能，如果某一个命令持续时间超过4秒，则动作无效，直到动作复归后，下次动作才会有效。如果增磁、减磁都处于正常状态，则二者同时动作时，操作无效。 第第4部分部分 PWL-4C励磁系统的简介励磁系统的简介概述 PWL-4C型数字式励磁调节装置是华自科技股份有限公司第四代励磁调节器，适用于同步发电机各种励磁系统。PWL-4C继承了我公司前三代励磁调节器PWL-2A