第二章 静态励磁(0711)

1、电力电子在电力系统中的应用电力电子在电力系统中的应用第二章第二章静态励磁静态励磁 一、励磁调节的作用 二、半导体励磁系统 三、无刷励磁同步电机 四、静止励磁系统 五、自动励磁调节器 六、辅助电路 七、南瑞PCS-9400微机励磁系统一、励磁调节的作用电力系统中同步发电机是重要组成部分，励磁系统则是保证同步电机良好运行性能的核心。它的特性好坏直接影响同步电机运行的可靠性与稳定性。一、励磁调节的作用1、提高电力系统稳定运行的能力（快速）当系统受到小、大的干扰、电机变速，系统静态稳定、动态稳定、暂态稳定将受到不利影响。2、维持电力系统的电压水平（稳定）电压恒定是供电质量的一个重要标志。电网负载增大，

2、发电机端电压下降，自动励磁调节使端电压维持一定水平。3、提高同步电机的功率极限和电力系统传输功率的能力（能力）能适应同步电机：起动、投励、牵入同步不同阶段按需要对励磁自动调节；对系统进行无功补偿时，调节励磁有一定进相能力；负载轻重、性质不同，励磁调节有灵活运行方式，确保供电系统的节能效果。电力系统容量、规模增大带来新的问题1、单机容量增大，励磁功率显著增加现代发电机励磁功率至少0.4%左右同轴高速直流励磁机，容量超过500千瓦就有困难。2、直流输出电流通过滑环送到转子绕组滑环电流超过8001000A时，滑环容量有限制，增加环数，增大外形尺寸，成本困难增大3、电网超高压、大容量、远距离，稳定是重

3、要课题需要快速响应、高励磁倍数，振荡时正阻尼励磁系统。容量功率因数转速励磁功率24万千瓦0.9142转/分水轮机2350千瓦60万千瓦0.93000转/分汽轮机2650千瓦二、半导体励磁系统（一）他励方式1、交流励磁机磁场旋转加静止硅整流器2、交流励磁机磁场旋转加静止可控硅整流器3、交流励磁机电枢旋转加旋转硅整流器4、交流励磁机电枢旋转加旋转可控硅整流器还有直流励磁机三次谐波绕组励磁方式，发电机负载增大，功率因数降低，谐波大，电力系统短路，谐波电势大，强励，具有正反馈调节作用，小机组适合。无刷励磁二、半导体励磁系统（二）自励方式接在发电机出口或厂用电母线上，励磁电源取自发电机本身（或所在电力系

4、统）除并联励磁变压器还有与发电机定子电流串联的励磁变压器，构成自复励形式1、直流侧并联自复磁2、直流侧串联自复磁3、交流侧并联自复磁4、交流侧串联自复磁二、半导体励磁系统（三）组成1、励磁系统主电路励磁电源主整流器灭磁电路过流过电压保护电路2、自动励磁调节器（ZLT）测量比较综合放大触发移相3、辅助单元限制器、补偿器、稳定器、起励单元三、无刷励磁同步电机他励半导体励磁系统：交流励磁机与主电机同轴输出电流经整流装置（静止硅整流）直接、无刷供给主机励磁电路而交流励磁机的励磁电流由中频励磁机（500HZ）经可控硅整流供给，靠调节交流励磁机的励磁电压实现，有时滞，为加快响应，交流励磁的频率设计高一些，

5、减小时间常数。交流副励磁机可采用复励、外部电源起励等方法。三、无刷励磁同步电机1、取消励磁系统中滑动接触部分，少检修、维护2、能够适应恶劣环境，减少额外的防护措施3、单机容量增大、电流上万安培，励磁电压高达600伏以上，必须采用无刷励磁4、控制功率大大减小，简化控制、保护线路5、有较好的独立性，性能稳定但发电机转子电流、电压、温度等不便测量，故障监测、灭磁困难，许多问题需要解决。无刷励磁是今后的发展方向无刷励磁系统的组成1、交流励磁机（JL）一台旋转电枢式的交流发电机2、旋转整流器（GZ）旋转二极管或可控硅整流器3、交流励磁机的励磁源三机组时为永磁发电机（YL）经整流后4、检测单元（2）用以测

6、量发电机转子电流、电压、温度等5、故障报警及保护部分kzYLJLGZZLTLHFYH2旋转二极管式无刷励磁系统原理接线图（三机组式）无刷励磁系统的性能和特点 1、无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。 2、发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。 3、发电机励磁抑制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除励磁机转子采用叠片结构外，还可采用减小绕组电感、取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。无刷励磁系统的性能和特

7、点 4、发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测(如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等)，必须采用特殊的测试方法 5、要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。 6、因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，电机的绝缘寿命较长。无刷励磁中一些问题1、机组的时间常数要小采取办法：a.让交流励磁机电枢电势有较高频率增加极对数b.减小交流励磁机的换相电抗c.减小交流励磁机绕组的电感2、交流励磁极对数不宜为主发电机磁极对数的整数倍（1.5倍）避免短路

8、时热量集中在几个管上3、电枢绕组六相甚至更多，整流后在直流侧并联，减少纹波4、旋转二极管不装快熔、过电压抑制电路，增大电流与反相电压储备5、散热器简单、牢固、耐热、足够强度（线速度5米/秒）四、静止励磁系统 静止励磁系统中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器经整流装置供给。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。 由于励磁电源是发电机本身提供，故又称为发电机自并励系统。 四、静止励磁系统 静止励磁系统如下图所示。它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控整流桥直接控制发电机的励磁。它具有明显的优点，被推荐用于大型发电机组，特别是水轮发电机组。国外某些公司

9、把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国已在一些机组上以及引进的一些大型机组上，采用静止励磁方式。静止励磁系统的特点 1、除滑环外，没有旋转部件，加工工艺性好，避免了旋转部件引起的故障 2、可缩短机组轴系长度，对于大型汽轮发电机，与交流励磁机-整流器励磁系统相比较，一般可缩短2.5m以上，提高了轴系运行的稳定性。 3、结线简单，除滑环外都是静止设备，维护方便。 4、励磁电源直接由可控硅整流装置提供和调节，反应速度快，属于高起始响应励磁系统。静止励磁系统的特点 5、机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压低。 6、励磁电源取自发电机端，使电源失去独立性，为了克服这个缺点给暂态稳定性造成的威胁，就必

10、须对主开关的故障切除时间和重合闸速度提出严格的要求。 7、由于有滑环和电刷，因此它所能配用的发电机容量将受到滑环通流极限的限制。滑环和电刷引起的炭灰和噪声会造成环境污染，也会造成滑环等带电部分绝缘性能下降。 8、由于励磁电源的不独立性，一般不宜在单机单网等弱小电网或自备电厂中采用。但在实际选用时，还需经过严密的计算和研究来判断采用这种系统后对电力系统暂态稳定的影响。静止励磁系统的一些问题 1、静止励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障的影响，在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的励磁，以致影响电力系统的暂态稳定。 2、由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否能正

11、确的动作。五、自动励磁调节器（一）对调节性能的要求1、符合系统要求的强励能力和一定励磁电压上升速度（电压响应比）2、具有较高的调节稳定性3、较快的反应速度4、失灵区小，灵敏度高，结构简单，维修方便，通用性强五、自动励磁调节器（二）励磁调节器组成1、电压测量比较单元2、综合放大单元3、移相触发单元移相触发综合放大测量比较同步信号附加信号基本电压UF去可控硅自动励磁调节器（ZLT）的组成五、自动励磁调节器（二）励磁调节器组成测量比较单元组成框图比较整定正序过滤器调差IF扰动UFUb滤波整流电压测量五、自动励磁调节器（二）励磁调节器组成综合放大单元的组成放大信号综合稳定器辅助装置UFUk限制器补偿器

12、五、自动励磁调节器（二）励磁调节器组成移相触动单元的组成脉冲放大同步同步信号脉冲形成移相六、辅助电路1、校正（或补偿）单元2、限制单元3、稳定单元4、其它电路：励磁系统监视电路、过电流保护电路起励电路、手动/自动切换电路七、七、南瑞PCS-9400微机励磁系统国内发展状况 近年来300MW、600MW及以上发电机组大量建设 600MW及以上机组励磁系统目前被个别国外厂商垄断大大限制了我国600MW及以上机组整体成套的能力售后服务响应慢、备品备件受限制、生产受影响功能配置与国内电网安全运行要求不适应设备费用高（国产设备的23倍），售后服务费用更高七、七、南瑞PCS-9400微机励磁系统 在分析了

13、国外诸大公司：ABB、 GE 、西门子等产品情况后指出： 开发新的微机励磁系统 替代进口设备，打破国外的垄断 增强大型机组完全国产化成套能力 丰富继保产品品种，完善自动化产品链，为电力系统建设提供成套解决方案、七、七、南瑞PCS-9400微机励磁系统 可靠性要求 大机组单机容量大，对电网的影响大，可靠性要求更高 技术先进性要求 高的调节品质，好的动态响应指标，完善的功能配置 制造工艺要求 大机组励磁电压高、电流大、容量大、设备数量多，结构设计和制造工艺要求更高 使用和维护要求使用和维护要求 使用方便、维护简单七、七、南瑞PCS-9400微机励磁系统励磁调节装置 提高可靠性策略提高可靠性策略 硬

14、件结构设计、电磁兼容措施、制造工艺选择 提高先进性策略 硬件结构设计、CPU及硬件资源配置、核心励磁软件设计、对外通讯设计 提高可维护性策略 友好的人机界面和交互功能、便利的检修和维护、防误操作功能七、七、南瑞PCS-9400微机励磁系统功率整流装置 大功率整流装置的主回路配置方案 大功率整流装置并联运行时的均流方案灭磁装置 多种灭磁方案的分析研究，研制适合大型发电机组的可行、可靠的灭磁方案新型调节装置的核心硬件结构(1)DSP + FPGA + ARMDSP + FPGA + ARM DSPDSP 励磁计算核心励磁计算核心 独立的励磁控制子系统 内内 层层 FPGAFPGA 控制接口控制接口

15、 ARMARM 通讯核心通讯核心 独立的通讯子系统 中层间中层间 人机接口 外外 层层三层次三层次的硬件系统，能够保证核心的安全，不受外部影响，提供足够强的对外通讯能力、足够灵活和方便的人机交互接口新型调节装置的核心硬件结构(2)硬件的有关参数和特点 DSP 125MHz，专用硬件乘法器，计算能力很强，计算速度很快，在确定的时间周期内能够完成更多的工作量 FPGA 20万门集成单元；实现硬件电路可编程；脉冲形成及检测、频率与相位检测、双机通讯及双机切换控制等功能集成功能集成在一个芯片中，简化了电路，提高了可靠性 ARM 120MHz，实现包括以太网以太网在内的多种通讯方式，为调节装置提供多种通

16、讯接口，以太网通讯，数据量大，通讯协议灵活丰富新型调节装置的核心硬件结构(3)实时全数字精确同步实时全数字精确同步交流采样技术 实时的全数字的同步交流采样，每10度采样一次，获取充分的信息量，充分保证交流采样的精度和稳定性 所有输入模拟量通道相互独立，无共用回路相互独立，无共用回路 所有通道采样精确同步启动精确同步启动新型调节装置的核心硬件结构(4)基于FPGA的精确同步测频精确同步测频及精确移相触发精确移相触发技术 在FPGA芯片上编程定义输入输出接口功能，独立于CPU，实现了输入输出与调节计算的并行处理并行处理，实现与外部回路精确同步 在FPGA芯片上编程实现同步信号和定子电压信号频率的精

17、确测量 在FPGA芯片上编程实现数字移相及触发脉冲的形成，无专门的硬件回路 在FPGA芯片上编程实现双通道切换逻辑全方位的电磁兼容措施 全金属机箱，全封闭设计抗电磁辐射干扰 各供电电源输入均有进线滤波器，各电源分支回路、信号输入均有抗干扰器件抗传导干扰 硬件按功能划分成多模块，各模块间相对独立，模块内不同电压等级电路严格隔离，分开布置；强弱电之间在电气联系上有隔离措施、在空间分布和布置上有不同区域划分抗耦合干扰 紧凑的多层电路板，表面贴装工艺，插件、装置及机柜的严格接地措施保证装置的总体抗干扰水平完善提高的功能配置(1)调节与控制 闭环调节控制功能 串联串联PIDPID调节规律调节规律 附加控

18、制 PSSPSS附加控制附加控制 调差附加控制 运行方式 发电机电压闭环 励磁电流闭环 定角度控制 开机升压方式 零起升压起励 程控软起励程控软起励 定电压给定值起励定电压给定值起励限制与保护限制功能 最大励磁电流限制 励磁过流过热限制励磁过流过热限制 无功过励限制 滞相定子过电流限制滞相定子过电流限制 最小励磁电流限制 无功欠励限制 进相定子过电流限制进相定子过电流限制 V/FV/F限制限制保护功能 PTPT断线保护断线保护 空载过电压保护 过励保护过励保护 欠励保护欠励保护 V/FV/F保护保护完善提高的功能配置(2) 故障检测 同步信号故障检测 PTPT信号断线检测信号断线检测 电源故障

19、检测 脉冲丢失检测 脉冲计数检测脉冲计数检测 告警检测 同步信号相位不对称 同步信号测频错误 定子电压信号相位不对称 定子电压信号测频错误容错功能 模拟量测量容错 定子电压测量容错 定子电流测量容错 励磁电流测量容错 有功功率测量容错 无功功率测量容错 开关量输入容错 励磁启停信号输入容错 励磁增减信号输入容错 出口开关信号输入容错 发电机工况容错发电机工况容错完善提高的功能配置(3)辅助功能通讯及人机接口辅助分析系统 故障定位系统 超前预警系统试验或故障自动录波试验或故障自动录波事件顺序记录事件顺序记录液晶显示加键盘人机接口液晶显示加键盘人机接口后台工控机人机接口PCS-9400发电机励磁系

20、统PCS-9400发电机励磁系统PCS-9400发电机励磁系统PCS-9400A自并激静止励磁系统G GRCS-9410A调 节 器RCS-9420RCS-943XE ET TT TV VT TA APCS-9400B两机它励系统E EX XG GRCS-9420RCS-9420RCS-943XRCS-9410B调节器T TA AT TV VE ET TT TA ARCS-9411A恒压调节器T TV VPCS-9400C三机励磁系统（1）EXEXGPEXPEXRCS-9410C调节器RCS-9420RCS-9421TVTVTATARCS-943XPCS-9400C三机励磁系统（2）EXEXGETETRCS-9410C调节器RCS-9420RCS-9421TVTVTATARCS-943X