励磁原理-L陈遗志-20100507

2010年励磁系统培训班

励磁系统原理国网电力科学研究院/国电南瑞科技股份有限公司二零一零年十月励磁系统原理主要内容1、励磁系统的作用及分类2、励磁系统的组成与算法3、可控硅整流装置4、灭磁与过压保护

一、发电机励磁系统作用及分类

1、励磁系统的作用2、励磁系统的基本分类维持发电机或其他控制点的电压在给定水平控制并联运行机组无功功率的合理分配提高电力系统的稳定性励磁系统的作用维持发电机或其他控制点的电压在给定水平保证电力系统运行设备的安全。提高维持发电机电压能力的要求和提高电

力系统稳定性的要求在许多方面是一致的。保证发电机运行的经济性。控制并联运行机组无功功率的合理分配发电机电压调差率在自动励磁调节器调差单元投入、电压给定值固定、功率因数为零的情况下，发电机无功电流从零变化到额定时，用发电机额定电压的百分数表示的发电机端电压变化率发电机电压调差率按下式计算：

D(%)=[(Ug0-Ug)/Ug]×100%

式中Ug0----发电机无功电流等于零时的电压

Ug---发电机无功电流等于额定无功电流时的电压

控制并联运行机组无功功率的合理分配发变组单元高压侧并联：变压器电抗调差（正调差）+发电机调差（负调差）坑口电站：长输电线路调差（正调差）+发电机调差（负调差）两机一变扩大单元接线：发电机正调差，调差率较大提高电力系统的稳定性静态稳定性动态稳定性暂态稳定性提高电力系统的稳定性发电机输出电磁功率发电机功角向量图提高电力系统的稳定性传输功率的大小与相位角δ密切相关，称δ为“功角”或“功率角”。传输功率与功角δ的关系，称为“功角特性”或“功率特性”。功角δ除了表征系统的电磁关系之外，还表明了各发电机转子之间的相对位置。

δ角就是感应电势Eq和电网电压U之间的夹角，也称δ为“功角”或“功率角”。提高电力系统的稳定性

δ角是表征电力系统稳定性最重要的量，功角失稳指系统中各发电机之间的相对功角失去稳定性的现象。

如果系统在运行过程中受到某种干扰，干扰的影响将通过互联的电力网络传到各发电机节点，并使发电机的输出电功率相应发生改变，结果是使得在扰动瞬间各发电机的机械输入转矩和输出的电磁转矩失去平衡，出现发电机转子不同程度的加速或减速，并导致各发电机之间转子相对角的变化。如这种转子角度的变化过程是随时间衰减的，并能最终恢复到扰动出现前的正常值或达到一个新的稳态值，则认为在这种运行方式和扰动形式下系统是功角稳定的。如果这种转子角度的变化随时间而加剧，并最终导致发电机间失去同步，则认为系统在该运行方式下对这种扰动形式是功角不稳定的。提高电力系统的稳定性电力系统静态稳定性(SteadyStability)

电力系统静态稳定性是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。提高电力系统的稳定性电力系统静态稳定性的判据是发电机输出电磁功率对功角的微分dPe/dδ是否大于0。

如左图所示，采用了自动励磁调节的发电机静态稳定运行的最大电磁功率和最大功率角都有提高。提高电力系统的稳定性

左图中，横坐标是功率角，纵坐标是电压放大系数。在同一转子功角下,随电磁时间常数Te增加,为保证发电机稳定运行所允许的电压放大系数增加;在同一Te下,随转子功角δ的增加所允许的电压放大系数减少。提高电力系统的稳定性电力系统暂态稳定性(TransientStability)

电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。

如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行方式有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间有关。提高电力系统的稳定性电力系统暂态稳定性的判据是等面积定则。

左图的功率曲线中，当功率角从δ1变化到δ2时，PT与P3之间的面积正比于转子动能的变化量。提高电力系统的稳定性等面积定则的具体内容提高电力系统的稳定性等面积定则的具体内容等面积定则：减速面积和加速面积如图所示。如图（a）减速面积＝加速面积，临界稳定；如图（b）减速面积>加速面积，稳定；如图（c）减速面积<加速面积，不稳定。

提高电力系统的稳定性提高暂态稳定性的方法就要减小加速面积或增大减速面积，具体说来有以下三种方法：

加快故障切除时间提高励磁系统励磁电压响应比提高强行励磁电压倍数

提高电力系统的稳定性提高暂态稳定性对于励磁系统而言，就是要提高励磁系统励磁电压响应比和提高强行励磁电压倍数。提高励磁系统励磁电压响应比加快励磁系统电压响应时间，即从施加阶跃信号起，励磁电压达到顶值电压与额定励磁电压差的95%的瞬间的时间。提高强行励磁电压倍数提高励磁系统电压响应比，即由励磁系统电压响应曲线确定的励磁系统输出电压的增量除以额定磁场电压。

提高电力系统的稳定性电力系统动态稳定性(DynamicStability)

电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增长的振荡而失步的能力。

扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂态稳定性)，但可能由于自动调节装置的配置不合适或其他因素，后续的振荡周期幅值不断增大并造成失步。动态稳定问题实际上是指系统在受到小的或大的扰动后，在自动调节装置和自动控制装置的影响下，保持长过程运行稳定性的能力。提高电力系统的稳定性励磁控制系统对动态稳定的影响

电力系统的固有自然阻尼小，而使用快速励磁调节器或使用自并激可控硅快速励磁系统，又削弱了系统阻尼，甚至使系统产生负阻尼。为了抑制低频振荡，在励磁系统中加入了电力系统稳定器（PSS）。

电力系统稳定器(PSS)的作用是：利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼抑制低频振荡。1、励磁系统的作用

2、励磁系统的基本分类他励交流励磁机系统三机他励励磁系统

两机他励励磁系统两机一变励磁系统无刷励磁系统自并励励磁系统（主流）其它励磁系统

P棒励磁系统直流励磁机励磁系统谐波励磁系统

励磁系统的基本分类他励交流励磁机系统三机他励励磁系统他励交流励磁机系统两机他励励磁系统他励交流励磁机系统两机一变励磁系统他励交流励磁机系统无刷励磁系统交流他励系统总体说来具有励磁电压稳定，不受电网影响的优点，但是相比自励系统响应仍然较慢，而且维护复杂。对其评价自并励励磁系统自并励励磁系统自励系统尤其是自并励系统，结构简单，响应快速。但是长期以来被认为在电力系统短路故障时尤其是三相短路时无法支撑起电网电压。但是近年来随着封闭母线的大规模运用和控制理论的成熟，已经成为主流励磁机型。对其评价1P棒励磁系统2直流励磁机励磁系统3谐波励磁系统其它励磁系统

二、发电机励磁系统组成及算法

1、励磁系统的组成2、励磁系统的控制算法（1）自并激励磁系统的基本配置

自并激静止励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过电压保护与灭磁装置等组成。FWL/B型静止励磁系统的接线原理框图如下图所示南瑞电气控制公司FWL/B型静止励磁系统的接线原理框图（2）三机他励励磁系统的基本配置

（3）无刷励磁系统的基本配置

1、励磁系统的组成

2、励磁系统的控制算法（1）PID调节及其算法

按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器,是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。比例调节可以减小控制系统惯性时间常数，但相对稳定性降低，而且不能消除稳态误差；积分调节可以消除稳态误差；微分调节可以提高控制系统的稳定性，相应可以增加比例调节放大倍数。并联PID调节

串联PID调节

（2）转子电压软负反馈

（励磁系统稳定器ESS）

自动电压调节器Kp增大将造成励磁控制回路的不稳定，在发电机空载运行时可能导致发电机电压振荡。ESS的主要作用是使暂态时的增益降低，以防止发电机空载时励磁控制回路振荡，这在一定程度上可改善电力系统动态稳定特性（3）励磁电压硬负反馈交流励磁机励磁系统中，在提高晶闸管电源电压的同时，采用励磁机输出电压或励磁机励磁电流硬负反馈，以减小励磁机时间常数。对于快速励磁系统，如静态励磁系统，励磁时间常数本已很小，再采用励磁电压硬负反馈就没有必要了。（4）电力系统稳定器PSS由于电力系统的发展、互联电力系统的出现和扩大、快速自动励磁调节器和快速励磁系统的应用，电力系统出现了低频功率振荡，严重影响电力系统的安全稳定运行，成为制约联络线输送功率极限提高的最重要因素之一。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(Powersystemstabilizer)，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。当前，PID+PSS的控制方式，在励磁系统中获得了广泛的应用。发电机电磁力矩可分为同步力矩和阻尼力矩，同步力矩(PE)与Δδ同相位，阻尼力矩与Δω同相位。如果同步力矩不足，将发生滑行失步；阻尼力矩不足，将发生振荡失步。

为抵消快速励磁调节所带来的负阻尼转矩并加强机组的正阻尼，需引入一附加控制输入，通过设计和计算，使该附加输入产生的附加转矩与Δω同相。ΔMex=DAΔω+KAΔδ,产生了负阻尼DAΔW。PSS作用原理

选择合适的相位补偿角φp，使电力系统稳定器产生

的力矩中有尽可能大的阻尼分量，即，使Kdp尽量大；选择合理的增益，在正确的相位补偿下，尽可能增大

稳定器的阻尼作用。参数确定一般分二步进行：第一步，用电力系统稳定进行分析程序进行PSS参数选择，提供参考值；第二步，现场试验验证其效果后，最后确定参数整定值。PSS参数选择

PSS实现的方法南瑞公司励磁调节器的PSS是一数字式PSS，无专门的硬件模块，仅是原调节器上的一个功能软件模块。输入采用-Δpe，利用励磁调节器所测的Pe形成。硬件无任何增加。保持了调节器的原高可靠性，比之专门的PSS装置或PSS功能插件，具有较大的优越性。为了使PSS附加控制，在0.1至2.5Hz范围内都产生准确的相位校正，一阶超前滞后环节是不能满足要求的，南瑞电气控制公司提供的PSS均含有两阶超前滞后环节。PSS的增益及二阶超前和滞后时间整定均为数字式整定，在调节器人机界面上直接写入所需的参数，直观可靠。PSS2A模型PSS2B模型

三、可控硅整流装置

1、可控硅的主要参数2、三相全控桥式整流电路原理3、异常情况下的波形分析4、半导体励磁系统的保护（1）可控硅的主要参数断态不重复峰值电压UDSM断态重复峰值电压UDRM反向不重复峰值电压URSM反向重复峰值电压URRM额定电压UNUDRM和URRM中较小的那个数值取整；选用可控硅电压原则：额定电压UN应是励磁变压器二次侧电压的峰值的2.75到3.0倍

可控硅的电流参数通态平均电流IT(AV)维持电流IH掣住电流IL，通常IL约为IH的2~4倍断态重复峰值电流IDRM反向重复峰值电流IRRM浪涌电流ITSM可控硅的门极参数(a)门极触发电流IGT(b)门极触发电压UGT可控硅的动态参数(a)断态电压临界上升率du/dt

(b)通态电流临界上升率di/dt(c)门极控制开通时间tgt

(d)电路换向关断时间tq

可控硅选用时的主要参数正向电压反向电压通态电流触发电压和触发电流导通后的管压降维持电流和掣住电流（2）三相全控桥式整流电路原理

三相全波全控整流（α=0°时）(a)电路图；(b)相电压波形；(c)触发脉冲；(d)直流侧电压波形

1)整流工作状态先讨论控制角α=0度的情况。在ωt0-ωt1期间，a相的电位最高，b相的电位最低，有可能构成通路。若在ωt0以前共阳极组的SCR6的触发脉冲Ug6还存在，在ωt0（α=0）时给共阴极的SCR1以触发脉冲ug1，则可由SCR1与SCR6构成通路：交流电源的a相→SCR1→R→SCR6→回到电源b相。在负载电阻R上得到线电压uab.此后只要按顺序给各桥臂元件以触发脉冲，就可依次换流。

三相全控桥式整流电路输出电压Ud的波形在一个周期内为匀称的六段，即输出电压Ud的周期是阳极电压周期的六分之一，故计算其平均电压Ud，只须求交电流电压U1cosωt在（-π/6+α）至（π/6+α）的平均值即可：在ɑ＜90°时，输出平均电压Ud为正值，三相全控桥工作在整流状态，将交流转变为直流。2）逆变工作状态在ɑ＞90°时，输出平均电压Ud则为负值，三相全控桥工作在逆变状态，将直流转变为交流。采用三相全波全控整流电路，当发电机内部发生故障时能进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈给交流电源去，以减轻发电机损坏的程度。对于他励接线，逆变能迅速完成，性能较好；对于自并励接线，则逆变性能较差。此外，在调节励磁过程中，如使ɑ＞90°，则加到发电机转子的励磁电压变负，能迅速进行减磁。在全控桥中常将β=180°-ɑ叫作逆变角。由于ɑ＞90°才进入逆变状态，故逆变角β总是小于90°的。可用下式表示三相全控桥在逆变工作状态时的反向直流平均电压，即

Uβ=-1.35U1COS(180°-β)=1.35U1COSβ对于三相全控桥整流电路，可控硅元件的导通角是固定不变的。通常用β代表逆变角。随着控制角ɑ的变化，逆变角β在0°到90°之间变化。如果逆变角β过小，或者逆变过程中三相全控桥的触发脉冲因故突然消失，则最后导通的一组可控硅元件，将工作在励磁绕组电感“放电——激磁——放电”的交替过程中。如下图。（3）异常情况下的波形分析三相桥式整流电路在运行中由于各种原因，可以出现桥臂断开、脉冲丢失、换相失败及续流不良等故障。1、桥臂断开或其脉冲丢失运行中某一个或两个桥臂的元件损坏，或者作为过流保护的快速熔断器熔断，可使其桥臂呈现断开状态；或者由于触发控制回路的故障，出现触发脉冲的丢失，致使应当开通的某一个或两个桥臂元件不能开通，可控整流电路处于异常工作状态。1)一臂断开或其脉冲丢失假定控制角ɑ=60°时，快速熔断器KRD1熔断，或因桥臂元件SCR1损坏而断路，或其正a相的触发脉冲消失，使桥臂1处于开断状态，则此时输出的整流电压Ud如下图（b）所示。在正常工作情况下，在ωt1时刻本应触发SCR1使输出电压转换为a、b相间的线电压，现桥臂1不通，仍继续由桥臂5与6构成通路，电感性负载释放能量，Ud按Ucb负半周的波形变化。ωt2时桥臂元件2接受触发脉冲而导通，并关断桥臂元件6。在ωt2至ωt期间，由桥臂2与5构成直通短路，Ud0。到ωt3时，触发桥臂3，关断桥臂5，输出电压按Ubc变化。在这路异常情况下，整流桥输出电压的平均Ud将只为正常情况下平均值的一半（若保持ɑ=60°时）。若共阳极组的某一桥臂发生上述故障，其结果也是相似的。(b)ɑ=60°一臂断开时Ud波形(c)ɑ=30°一臂断开时Ud波形2)同相的上下两臂断开或其脉冲丢失例如下图（a）所示，共阴极组的a相与共阳极组的b相桥臂断开，或者正a相与负b相的触发脉冲丢（图中用涂黑的KRD1与KRD6示意该两臂不能导通），则分别由它们构成通路的有关线电压Ucb、Uab、Uac均无输出。ɑ=60°下发生这种故障时的Ud波形，如图（b）所示的阴影线部分，由线电压Ubc、Uba、Uca(包括Uca负半周的60°区间)所组成，这时输出电压的平均值Ud将下降到无故障时的三分之一。

ɑ=60°，不同相的两臂断开时Ud波形同一相的两臂不能导通时Ud波形

(a)电路图；(b)输出电压Ud波形(a)电路图；(b)ɑ=60°下故障时Ud波形

(c)ɑ=0°下故障时Ud波形3)同一组的两臂断开或其脉冲丢失如果共阴组或者共阳极组的两臂不能导通，如下图中桥臂1与3不能开通那样，这时只有Ucb及Ucɑ的部分波形输出。图（b）是ɑ=60°下发生这种故障时的Ud波形。正常时在ωt1时刻触发SCR1应该开通桥臂1，现因故不能导通，在负载感应电势的作用下，继续使桥臂元件5与6开通，送出Ucb负半周波形，ωt2时触发SCR2由桥臂2与5续流，直至ωt4时刻进还不能使SCR5关断，则在ωt4处触通SCR4时，立即由桥臂5与4输出Ucɑ电压；否则，ωt4时SCR5关断，则需等至ωt5时触通SCR5，才由桥臂4与5构成通路，输出当时的Ucɑ电压。

（4）半导体励磁系统的保护硅元件承受过电压和过电流的能力较差，可控硅元件承受正向电压上升率和电流上升率有一定的限度，转子励磁绕组的绝缘只有一定的耐压水平。如不采取适当的保护和抑制措施，运行中就有可能超过容许范围，损坏半导体励磁系统中的有关部件。过电压保护过电流保护

三、灭磁与过压保护

1、发电机灭磁2、过电压及其保护同步发电机安全可靠的灭磁，不仅关系到励磁系统本身安全，而且直接关系到整个电力系统安全运行。发电机组正常停机时：逆变灭磁。发电机组事故停机时：事故停机灭磁，即当发电机发生内部故障，在继电保护动作切断主断路器时，要求迅速地灭磁；在发电机发生电气事故时，灭磁系统应迅速切断发电机励磁回路，并将储藏在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中。（1）灭磁的主要任务灭磁时间应尽可能地短暂。灭磁反电压不超过规定的倍数。灭磁装置的电路和结构应简单可靠。灭磁开关应有足够的分断发电机转子电流能力。灭磁系统要有足够的容量。灭磁要求按开关功能分：耗能型灭磁：灭磁开关将磁场能量消耗掉移能型灭磁：灭磁开关不消耗磁场能量，磁场能量由专用的灭磁电阻来消耗按开关位置分：直流灭磁开关灭磁：灭磁开关装设在直流侧交流灭磁开关灭磁：灭磁开关装设在交流侧跨接器灭磁：不使用灭磁开关而使用跨接器按灭磁电阻的种类分：氧化锌非线性电阻灭磁碳化硅非线性电阻灭磁线性电阻灭磁（2）灭磁系统分类直流灭磁原理图

直流开关灭磁图中:MK为灭磁开关

SCR为可控硅功率装置

R为灭磁电阻。直流灭磁原理

直流开关灭磁原理为：灭磁时，跳开直流开关MK，直流开关断口产生电弧，电弧电压与可控硅SCR输出的电压叠加，与转子的感应反电势相等，该反电势同时加在灭磁电阻两端，即：当UR大于灭磁电阻回路的转折电压时，灭磁电阻回路导通，消耗磁场能量而灭磁。对其评价

直流开关灭磁条件直流开关灭磁条件：必须保证在发电机任何工况下灭磁时，开关断口弧压与可控硅整流桥输出的电压叠加后的值，超过灭磁电阻导通电压。直流开关灭磁特点优点：灭磁时无需外部逻辑配合，操作简单。缺点：对直流开关断口弧压要求较高，导致开关制造困难。

跨接器灭磁原理图

跨接器灭磁励磁跨接器就是转子过电压保护装置，其基本电路及其原理是：一组正反向并联的可控硅串联一个放电电阻后再并联在励磁绕组两段，当可控硅的触发器电路检测到转子过电压后，立即发出触发脉冲使可控硅导通，利用放电电阻吸收过电压能量。

对其评价

跨接器灭磁方案的优点：主回路无开关，结构简单，可靠性高。跨接器灭磁方案的缺点：跨接器回路的最大导通电压不能高于交流线电压的峰值，灭磁时间相对较长。灭磁电阻灭磁用电阻可以是线性电阻，可以是非线性氧化锌灭磁电阻，也可以是非线性碳化硅电阻。在汽轮发电机的灭磁中由于发电机转子为实心转子具有较强的阻尼作用，即使发电机励磁绕组中的电流迅速衰减到零，但由于阻尼绕组中的电流不能迅速衰减，发电机的机端电压并不能达到迅速衰减的目的，而且阻尼绕组中的电流是不可控的，所以在具有较强阻尼作用的发电机机组中多采用线性电阻灭磁。而对于阻尼作用较弱的发电机机组则多采用非线性电阻灭磁。在水轮发电机的灭磁中，发电机转子不为实心转子，其阻尼作用不强，而且发电机在故障情况下的机端电压升高很多，为有效降低事故扩大化，宜非线性灭磁。非线性电阻分为氧化锌和碳化硅。其伏安特性的表达式为：式中：U—非线性电阻两端的电压

I—流过非线性电阻的电流

C—材料系数

β—非线性电阻的系数如图：灭磁开关选择灭磁开关额定工作电压：应大于转子上的最大工作电压；灭磁开关额定工作电流：应大于转子最大长期连续工作电流；灭磁开关开断电流能力：应大于转子强励