发电厂励磁系统原理

1、三峡电厂陈小明Chen_励磁的基本概念励磁的基本概念E=4.44fNGActive Power（P）Frequency（f）Reactive Power（Q）Terminal Voltage（Ug）GovernorStatic or BrushlessExcitation励磁的基本任务励磁的基本任务？1：小机组P、Q同时动；大机组并网时Q突变。水轮发电厂原理水轮发电厂原理 Turbine Governor Voltage Regulator Pe PSS Vt It n, P G 3 Turbine - - Vf Vtref Peref h 汽轮发电机调节原理汽轮发电机调节原理发电机空载特性发

2、电机空载特性n励磁作用重要体现之一？2：发变组伏安特性发电机短路特性发电机短路特性n励磁作用重要体现之二？3：n下降的短路特性Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronous Machine RegulatorExciterSynchronousMachinePowerSystem励磁系统励磁系统励磁控制系统励磁控制系统励磁重要概念励磁重要概念GeneratorU , If fU , IE EVoltage RegulatorAVR110 V DC400 V ACPotential TransformersCurrent Transfo

3、rmersOutput of Excitation SystemMain Exciter自并励励磁系统自并励励磁系统For Example励磁机励磁与自并励励磁机励磁与自并励IGBT自并励磁系统自并励磁系统现代励磁基础现代励磁基础开关励磁开关励磁原理开关励磁原理AC变变DCDC变变AC非相控电路非相控电路不需要同步不需要同步小功率小功率小励磁小励磁开关励磁原理示意开关励磁原理示意可控硅励磁原理可控硅励磁原理三相全控桥电路三相全控桥电路=00:强励状态，强励状态，AC变变DC=0: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全控桥与半控桥全控桥与半控桥全控桥：全控

4、桥：整流与逆变整流与逆变整流特征相同整流特征相同能够逆变也能续流能够逆变也能续流Uf反相恒定反相恒定If线性衰减线性衰减灭磁快灭磁快半控桥：半控桥：整流与续流整流与续流整流特征相同整流特征相同不能逆变只能续流不能逆变只能续流Uf0If非线性衰减非线性衰减灭磁慢灭磁慢续流二极管续流二极管可控硅组件与整流柜可控硅组件与整流柜？4：可控硅及其组件内部结构三相全控桥电路要点三相全控桥电路要点？5：逆变能量去向三相全控桥实际电路波形三相全控桥实际电路波形？6：交直流尖峰关系同步发电机励磁的作用同步发电机励磁的作用电力系统稳定简介v电力系统稳定分为三个电量的稳定：电压稳定、频率稳定、功角稳定。v励磁系统提

5、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；v暂态稳定是大扰动后系统在随后的12个周波的稳定性；v动态稳定是小扰动后或者是大扰动12周波后的，并且采取技术措施后的稳定性，也就是PSS研究的稳定性。？7 7：EqEq和和EqEq励磁调节器？励磁调节器？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提高暂态稳定性有两种方法提高暂态稳定性有两种方法1、减小

6、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）；转子功角最大值由m降到m。 励磁顶值电压越高，电压响应比越快，励磁励磁顶值电压越高，电压响应比越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。调节对改善暂态稳定的效果越明显。 当发电机与系统的外接电抗较小，并且发电机的输出功率较低时，系数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

7、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；快速励磁系统以及特定参数条件下造成动态稳定性恶化的原因是由于励磁系统和发电机励磁绕组的滞后特性所致。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

8、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如果这个腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统阻尼减

9、少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加腕和球的摩擦系数，使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。励磁系统的组成与分类励磁系统的组成与分类 交流励磁机系统（三机它励）交流励磁机系统（三机它励）同轴同轴交流励磁机系统（二机它励）交流励磁机系统（二机它励）组成：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；AVR控制可控硅的触发角，调整其输出电流，亦称为两机它励励磁系统。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，以调节交流励磁机

10、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，亦称为两机一变励磁系统。 优点：取消副励磁机，轴系长度缩短；缺点：调节速度慢同轴同轴 自励系统（并励、复励）自励系统（并励、复励）自并励励磁系统组成：励磁变压器、大功率可控硅整流柜、灭磁及过电压保护、起励设备、自动电压调节器优点：结构简单、响应速度快缺点：强励时系统电压变化复杂交流侧串联自复激励磁系统励磁电压变压器ZB（并联变）的副方电压与励磁电流变压器 GLH（串联变）的副方电压相联（相量相加），然后加在可控硅整流桥KZ上。当发电机负载情况变化时，例如电流增大或功率数降低，则加到可控硅整流桥上的阳极电压增大，故这种励磁方式具有相复励

11、作用。静止静止机端短路对于自并励的影响？机端短路对于自并励的影响？ 无刷励磁系统无刷励磁系统 组成：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。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旋转旋转 励磁调节器原理

12、图励磁调节器原理图 移相触发器原理：UtUk触发脉冲 模拟式移相电路：余弦移相、锯齿波移相 AVRAVR（自动）（自动） 恒电压闭环恒电压闭环自动电压调节器自动电压调节器 ECRECR（手动）（手动） 恒电流闭环恒电流闭环励磁电流调节器励磁电流调节器 电压给定电压给定Ugref 电流给定电流给定Ifref PID调节计算调节计算 限制功能限制功能 控制电压控制电压Uk 恒无功闭环：恒无功闭环：AVR的辅助控制的辅助控制 励磁调节器构成励磁调节器构成 移相原理移相原理模拟电路移相原理模拟电路移相原理 数字移相原理之一数字移相原理之一1、首先计算、首先计算角；角；2、将、将角转换为计数器的角转换为

13、计数器的计数时间计数时间T；3、由同步点启动计数器，、由同步点启动计数器，计数时间就是计数时间就是角；角；4、计数时间到，触发相应、计数时间到，触发相应的可控硅；的可控硅；5、每隔、每隔600再触发下一个可再触发下一个可控硅，共控硅，共6个可控硅；个可控硅；6、每发一个脉冲，启动脉、每发一个脉冲，启动脉宽中断，控制脉冲宽度。宽中断，控制脉冲宽度。 励磁调节器输出脉冲励磁调节器输出脉冲脉冲变压器作用隔离功率匹配脉冲发展形式宽脉冲双脉冲宽高频脉冲双高频脉冲？8：脉冲列的优势 励磁调节器功能简介励磁调节器功能简介无功补偿（调差）无功补偿（调差）强励电流限制（快速强励电流限制（快速限制、倍数限制）限制

14、、倍数限制）过励限制（励磁电流过励限制（励磁电流慢速、反时限）慢速、反时限）欠励限制（欠励限制（P-Q）定子电流限制（过无定子电流限制（过无功限制）功限制）（差别？差别？）伏赫限制（伏赫限制（V/HZ、U/F）（过激磁）（过激磁）软起励功能软起励功能PSS功能功能电制动功能电制动功能PT断线保护断线保护？10：怎样进行PT断线保护 励磁调差原理与应用励磁调差原理与应用全控桥强励与强减全控桥强励与强减强励强励=15=150 0 强减强减=150=1500 0 ？11：误强励误强励/ /空载误强励空载误强励 强励限制与过励限制强励限制与过励限制 欠励限制欠励限制 发电机进相不能太深，否则定子绕组的

15、端部、磁轭等部件可能过热，将严重影响发电机的运行安全，失磁保护将动作停机。为了保证机组的稳定运行，低励限制器必须在机组超过限制区之前将定子电压升高，以使机组运行点回到允许的允许范围之内。 定子电流限制定子电流限制（过无功限制、过励限制过无功限制、过励限制）定子电流限制还可以采用根据发电机输出的有功功率来确定发电机允许输出无功功率的方式来实现，即过无功限制当发电机电流超过了限制区，如果此时机组运行在进相状态，则限制器动作，增加励磁电流；如果此时机组在迟相运行，则限制动作，减少励磁电流。总之，定子电流限制器的作用是调节发电机定子电流中的无功分量，使发电机电流回到限制区以内运行。进相运行超过限制区迟

16、相运行超过限制区发电机定子电流有功电流分量无功电流分量调节死区10功率因数1附近没有操作伏赫限制以及其他辅助功能伏赫限制以及其他辅助功能设计U/F限制器是为了保护机组及与机组相连的变压器过激磁。当机组频率降低的时候，为了使机组的机端电压保持恒定，励磁系统将会增加励磁电流，此时，如果机组在低频率的情况下使机端电压保持在额定值，那么对机组及所有与机组相连的变压器而言，将有可能出现过磁通现象（尤其是主变压器），从而对机组及变压器造成损坏。 其他辅助控制功能1、 PT断线保护功能；2、软起励功能；3、主开关容错功能；4、同步电压断线保护P 1 摆动 阻尼 2 稳定q Ug AVR作用小、反应慢 Uf小

17、 If小 P（力矩象限不明） 对影响极小。q Ug AVR作用大、反应快 Uf大 If大 P（力矩第二象限） 产生负阻尼使原来的阻尼变小，对负面影响。q Ug AVR作用大、反应快 Uf大 If大， P（力矩第一象限） 产生正阻尼使原来的阻尼变大，对正面影响。v本机振荡模式v地区性振荡模式（local model）：频率一般在0.52.0Hz；v区域间振荡模式（interarea model、tieline model）：频率一般在0.10.5Hz）。小系统： 0.52.5Hz；大系统： 0.22.5Hz；全国联网： 0.12.0Hz； 解决励磁产生负阻尼，造成系统产生低频振荡的方法是附加控制

18、，即电力系统稳定器，线性最优励磁控制器，各种智能控制器。依据F.D.迪米洛和C.康柯迪亚理论设计的电力系统稳定器(Power system stabilizer)，简称PSS，即为抑制系统低频振荡和提高电力系统动态稳定性而设置的。 建立平面坐标系T1：励磁产生的电磁力矩T2：PSS产生的电磁力矩PSS:附加励磁控制信号AVR(PID)PSS产生的电磁力矩 PSS输入信号、Pe、P、f测量轴转速，测量和处理比较复杂, 轴系扭转的处理更加困难，使用较少测量过剩功率P，测量和处理更加复杂,输入信号多，使用也少测量电功率Pe，在假定机械功率不变的情况下，可以得到过剩功率P，使用广泛，效果不错。但在原动

19、机功率变化时会出现反调现象。测量机端电压频率f，克服了测量处理上的困难，但由于发电机电抗的影响，f与频差不完全一致，因而效果上稍差？12： P /f坐标PSS模型简介输入量、优缺点、反调加速电功率型PSSPSS1APSS2APSS2B？13： 为什么又要超前又要滞后？14： 频域分析与时域分析励磁调节器自动控制原理简图励磁调节器自动控制原理简图Ugset为机端电压设定值，Ugact为机端电压实际值，Uk为控制电压，Vs为励磁电源电压，T c为机端电压采样时间常数，TF为发电机励磁电压反馈时间常数，PI为比例-积分控制，TSCR、Tg分别为可控硅整流桥等效时间常数和发电机等效时间常数励磁调节器手

20、动控制原理简图励磁调节器手动控制原理简图Ifset和Ifact分别表示转子电流的设定值和实际值,Uk为控制电压，Vs为励磁电源电压，T c为机端电压采样时间常数，TF为发电机励磁电压反馈时间常数，PI为比例-积分控制，TSCR、Tg分别为可控硅整流桥等效时间常数和发电机等效时间常数励磁调节器控制模型简化励磁调节器控制模型简化AVR与各限制器关系与各限制器关系西门子励磁调节器与各限制器关系西门子励磁调节器与各限制器关系励磁调节器三种控制模式结构励磁调节器三种控制模式结构机组无功调节原理框图 励磁调节器硬件简介励磁调节器硬件简介 励磁调节器软件简介励磁调节器软件简介软件语言发展汇编语言C语言可编程

21、语言列表语言图形语言组态语言技术（ABB UNITROL5000励磁组态语言）发电机事故灭磁灭磁的主要目的灭磁的主要目的 在机组故障情况下断开灭磁开关、导通灭磁回路(a,b,c,d 4)快速吸收转子能量衡量发电机灭磁性能指标有两个：灭磁速度和灭磁电压。其要求是速度快即灭磁时间短，灭磁电压不能超过转子允许电压值。最优的灭磁系统是灭磁电压较高且在灭磁过程中保持恒定，只有这样，灭磁电流才能按线性方式衰减，其灭磁时间才最短。最优的灭磁系统称为理想灭磁系统 发电机发电机发电机出口开关发电机出口开关灭磁电阻灭磁电阻RE可控硅整流桥可控硅整流桥cdIf, Ufp.u.tt=0ba理想灭磁理想灭磁、SIC灭磁

22、灭磁、线性电阻灭磁、线性电阻灭磁灭磁开关的种类灭磁开关分类：灭磁开关分类：单断口、双断口、单断口、双断口、多断口（主断口、弧断口、放电断口多断口（主断口、弧断口、放电断口即常闭触头）即常闭触头）灭磁开关结构选择1、具有常闭辅助断口的灭磁开具有常闭辅助断口的灭磁开关最适合放电灭磁方式，也是关最适合放电灭磁方式，也是专用灭磁开关的标志；专用灭磁开关的标志；2、双断口灭磁开关比单断口灭双断口灭磁开关比单断口灭磁开关更加适合励磁回路的应磁开关更加适合励磁回路的应用，检修试验方便；用，检修试验方便；3、设置专用的弧触头有利于保设置专用的弧触头有利于保护主触头，维护工作量少；护主触头，维护工作量少；4、采

23、用短电弧栅灭弧原理，即采用短电弧栅灭弧原理，即采用金属灭弧栅灭弧罩，吸热采用金属灭弧栅灭弧罩，吸热好，电弧稳定；电磁吹弧简单好，电弧稳定；电磁吹弧简单DMX和和CEX灭磁灭磁开关结构开关结构最好、是最好、是专业灭磁专业灭磁开关，推开关，推荐使用荐使用灭磁电阻的种类v线性电阻线性电阻1（大功率）（慢）（大功率）（慢）v非线性电阻（低场强大电流非线性电阻（低场强大电流）碳化硅灭磁电阻碳化硅灭磁电阻2 （SiC） （稍快）（稍快）氧化锌灭磁电阻氧化锌灭磁电阻3 （ZnO）（最快）（最快）灭磁电阻伏安特性曲线灭磁电阻伏安特性曲线？15： 线性电阻与非线性电阻并联特性灭磁方式种类串联灭串联灭磁、并磁、并

24、联灭磁联灭磁电路原电路原理比较理比较LPUZ+-MK+ UK -IK-+ULRVLQILuIRVv灭磁换流公式vUk Uz ULv整流：Uk Uz UL ，Uk要求高，不推荐使用；v逆变：Uk Uz UL ，Uk要求低，直流灭磁推荐；v封脉冲： Uk Uz UL， Uz交变，交流灭磁推荐。a90Uz波形KA+KA-LBIAIBICMKAMKBMKCKB+KB-KC+KC-ULQILRV 灭磁换流公式：Uk Uz ULKA+KA-LBIAIBICMKAMKBMKCKB+KB-KC+KC-ULQILRV A-ABC-C-B导通周期12060灭磁过程简述：1、KA+、KB+导通时分开关；2、MKB分

25、断； MKA和MKC无法关断，电弧燃烧；3、KB+不导通，KA+无法关断；4、KA-导通、KC-被关断；5、KA+和KA-导通，电流续流；6、 MKA 、MKC关断。SCR关断条件脉冲顺序1 1、在交流灭磁过程中，如果能够切除脉冲，、在交流灭磁过程中，如果能够切除脉冲，励磁变二次侧交流电压的负半波就会引导励磁励磁变二次侧交流电压的负半波就会引导励磁电流进入灭磁电阻，使得电流进入灭磁电阻，使得交流灭磁开关安全分交流灭磁开关安全分断断，快速灭磁任务完成。，快速灭磁任务完成。2 2、在脉冲正常的条件下进行交流灭磁，会造、在脉冲正常的条件下进行交流灭磁，会造成励磁电流经同相可控硅短路，尽管成励磁电流经

26、同相可控硅短路，尽管交流灭磁交流灭磁开关也可以安全分断开关也可以安全分断，但灭磁电阻无法投入工，但灭磁电阻无法投入工作，放电灭磁变为续流灭磁，达不到快速灭磁作，放电灭磁变为续流灭磁，达不到快速灭磁的目的。的目的。灭磁命令逆变励磁电流下降到零闭锁脉冲逆变终止合S107跳S102跳S101中间继电器1、转子过电压保护配置：非线性电阻、跨接器、阻容保护、一体化阻容保护、阻断式阻容保护；2、跨接器原理接线、BOD元件原理；3、压敏电阻、可控硅阻容保护等配置原则。转子结构不同：空心与实心转子结构不同：空心与实心灭磁要求就不同：快速与慢速灭磁要求就不同：快速与慢速转子绕组：转子绕组：励磁绕组、阻尼绕组、励磁绕组、阻尼绕组、d绕组、绕组、q绕组绕组阻尼绕组作用阻尼绕组作用UgUgIfIfttt水轮机快速灭磁t汽轮机快速灭磁时域分析碳化硅与氧化锌电阻灭磁波形区别碳化硅与氧化锌电阻灭磁波形区别重要励磁录波图重要励磁录波图甩负荷甩负荷甩负荷灭磁甩负荷灭磁发电机三相突然短路发电机三相突然短路UNITROL5000瑞士瑞士ABB公司（上海公司（上海ABB、广科院、东方电机厂）、广科院、东方电机厂）EX2100美国美国GE公司（北京光耀、哈尔滨电机厂、公司（北京光耀、哈尔滨电机厂、南瑞电控、洪山电工、能达电气）南瑞电控、洪山电工、能达电气）南瑞电控大型励磁系统FWL/B