图解发电机励磁原理

关于图解发电机励磁原理第1页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三水轮发电厂原理大坝、水电厂、水轮机、发电机定子、转子、励磁系统第2页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三水轮发电厂转子n=60f/P励磁绕组（d轴）阻尼绕组（d轴、q轴）第3页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁的基本概念什么是励磁？导体切割磁力线感生电动势e励磁就是提供一个磁场BE=4.44fNΦ对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ4.44:有效值系数F:励磁条件与影响N:机端电压影响Φ:与励磁电流关系第4页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三GFrequency（f）

ActivePower（P）Reactive

Power（Q）TerminalVoltage（Ug）Governor调速Excitation励磁功角含义（电气量与空间量）、静稳极限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、功角范围（机组小于系统）励磁的基本任务功角δ第5页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

ExcitationSystemExcitationControlSystemSynchronousMachineRegulatorExciterSynchronousMachinePowerSystemBlockdiagrammaccordingIEEE

励磁系统励磁控制系统励磁重要概念第6页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁；发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁；励磁系统新科技第7页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

现在励磁控制系统规律大多采用传统经典控制理论：PID+PSS励磁控制系统科研主要内容：电力系统稳定器PSS；线性最优控制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律（清华大学

）。励磁控制系统新科技电力系统励磁控制发展过程：PID控制；

PSS控制线性最优控制LO－PSS（LinearOptimalControl）非线性最优控制NO－PSS（NonlinearOptimalControl）非线性鲁棒控制NR－PSS（NonlinearRobustControl）

第8页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

PID励磁控制理念KΔVG控制20ΔVG如K=100第9页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三GeneratorU,If

fU,IEEVoltageRegulatorAVR110VDC400VACPotential

TransformersCurrentTransformersOutputofExcitationSystem<MainExciter自并励励磁系统ForExample励磁机他励与自并励IGBT他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等；自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措施保证强励能力。第10页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁系统的组成与分类自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器）励磁电源（励磁机、励磁变压器）整流器（AC/DC变换，SCR、二极管）灭磁与转子过电压保护

按励磁电源分类：直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统无刷励磁系统自并励励磁系统按响应速度分类：慢速励磁系统快速励磁系统高起始励磁系统第11页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三调辅助整流柜（功率柜）直流灭磁灭磁节控制制动整流柜开关柜电阻柜器柜（柔性制动）S101S106+S107

三峡电厂右岸励磁系统完全柔性制动系统THYRIPOL第12页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

直流励磁机系统（开关励磁）同轴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。第13页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

交流励磁机系统（三机它励）组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。

优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡同轴第14页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三自幷励静止第15页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三有刷励磁静止第16页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三

无刷励磁系统

旋转第17页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三自并励磁系统励磁装置就是提供发电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置及保护装置励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统整流器输入开关的定义：灭磁开关&隔离开关：按是否投灭磁电阻而定第18页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三现代励磁基础同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小）电力电子器件：二极管、晶闸管（可控硅）、IGBT等PN结、单相导通特性、可控硅伏安特性可控硅导通条件：正向电压、正向脉冲可控硅关断条件：反向电压同步电压、触发脉冲、脉宽调制开关励磁第19页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三可控硅励磁原理三相全控桥电路

α=00:强励状态，AC变DC

α=α0:整流状态，AC变DC

α=1500:逆变状态，DC变AC第20页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三全控桥与半控桥全控桥：

整流与逆变

整流特征相同

能够逆变也能续流

Uf反相恒定

If线性衰减

灭磁快

半控桥：

整流与续流

整流特征相同

不能逆变只能续流

Uf＝0

If非线性衰减

灭磁慢

续流二极管第21页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三三相全控桥电路要点SCR导通顺序：1234561234561234……整流状态交流变直流，能量供给00<a<900Ud>0逆变状态直流变交流，能量反送900<a<1500(1800-0)Ud<0Ud=1.35U2cosaI2＝0.816Id第22页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三三相全控桥实际电路波形因电感引起换弧角带来的过电压尖峰，逆变颠覆实际电路器件介绍：快熔、阻容、分流器、表记、均流、开关、脉冲变等第23页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三同步发电机励磁的作用从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级）调节发电机电压（空载）调节发电机无功功率（负载）多台发电机无功功率分配（调差）安全可靠运行（关键）从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级）提高系统的静态稳定性（小扰动稳定）提高系统的动态稳定性（小扰动失稳）提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）励磁是发电机励磁，也是系统的励磁，但更重要的还是发电机励磁第24页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁控制系统的主要任务

1、同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是维持发电机电压在给定水平上

1.1、第一，保证电力系统运行设备的安全。

1.2、第二，保证发电机运行的经济性

1.3、第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。2、同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的稳定性

尽管励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为简单、经济而有效的措施。但是，稳定问题还是各有重点，各有分工：静稳由自动电压调节器和系统结构及运行调度负责；暂稳主要由继电保护负责，动稳主要由励磁PSS负责。第25页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三电力系统稳定简介电力系统稳定分为三个电量的稳定：电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q）频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载）功角稳定（P、Q变化）。励磁系统提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。功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性（不发生非周期性的振荡）（稳定余度好极限功率问题、安稳切机问题）；暂态稳定是大扰动后系统在随后的1－2个周波的稳定性；（周期性振荡）（安稳切机问题、继电保护问题）；动态稳定是微小扰动或者是大扰动1－2周波后（暂稳后期），因自动调节作用产生的稳定性稳定（励磁PSS问题）。第26页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。稳定导则还规定，在有防止事故扩大的相应措施的情况下，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下允许只按静态稳定储备送电。暂态稳定是指电力系统受到大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的判据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围内。我国电力系统稳定导则定义第27页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁对静态稳定的影响

(a)Eq恒定(励磁电流恒定)，内功率特性曲线(Eq=常数)（ECR）(b)当Eq恒定,Eq’及U的变化(c)

Eq’恒定(发电机暂态电势恒定)(d)当Eq’恒定，Eq及U的变化(e)U恒定(发电机机端电压恒定)(f)当U恒定，Eq及Eq’的变化(c)和(e)分别维持Eq’和U为恒定时，发电机的功角特性曲线（AVR）0.4、0.77和1.0

维持Eq‘近似不变的外功率特性曲线静态稳定功率达到极限，功角大于900

第28页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三静稳定破坏举例：华北电网大（同）－房（山）线静稳定破坏事故1985年10月，大同电厂＃2机（额定有功200MW）通过220kV大房线向比较送电。因励磁调节器自动通道有问题，发电机处于手动调节励磁的状态下运行。发电机于130MW状态下已稳定运行很长时间，发电机励磁电流（转子电流）约为1000A。当电厂运行人员根据调度要求把发电机有功出力增加到170MW后，发电机与系统失去同步，发电机失步保护动作后，由于种种原因，造成机组超速，汽轮机严重损坏而报废。事故调查得知，运行人员在增加发电机的有功时（直到失步）没有同时增加发电机的励磁电流，事故后的仿真研究证明，（1）发电机为1000A时的静稳定极限就是170MW，（2）如果发电机是在自动励磁调节的状态下运行，其静稳定极限大于200MW，（3）即使发电机处于手动调节励磁的状态下运行，如果在增加有功出力的同时，运行人员能适当增加发电机的励磁，也可以避免发电机与系统失步的事故发生。第29页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁对暂态稳定的影响

(a)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1、减小加速面积：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）；δ2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到de’h’g

（增大减速面积）；转子功角最大值由δm’降到δm。励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但负面影响越大。正确的思路是在不影响励磁可靠性的基础上强调励磁强励倍数。（水电2倍;国标2倍+80%=2.5;三峡2.5+80%=3.125;<1000V,OK）第30页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁对动态稳定的影响

单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型（菲利普斯-海佛曼模型）（F.P.deMelloandC.Concordia.）

发电机转子运动方程：ΔΡ、Δω、Δδ。K1主要是同步力矩环节；D转子阻尼环节；K4发电机去磁电枢反应；K5励磁正负阻尼系数；K2和K6主要是励磁阻尼力矩环节。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；第31页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三功角稳定比喻腕中放置一个球，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。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。当腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中滚动幅度大且时间长。动稳定影响到电力系统阻尼，就如同影响这个碗中的摩擦系数一样，正阻尼就是增大摩擦系数，负阻尼减少摩擦系数。当这个球在滚动中，如果有一个外力在其上升时帮助其上升，在其下降时帮助其下降，这个球的滚动幅度就越滚越大，反之就越滚越小并最终停下来。PSS的作用就是增加阻尼。第32页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁负阻尼比喻：荡秋千在荡秋千中，我们停止外力，秋千就会在摩擦系数的作用下慢慢停下；当我们外加使秋千停下来的外力，它就会马上停下；当我们外加使这个秋千荡起来的外力，它就越荡越高。电力系统的动稳就像荡秋千一样，励磁负阻尼，就产生一个使秋千荡起来的外力，励磁正阻尼产生一个使秋千停下来的外力。比较这两个外力，主要的问题就是作用在秋千上的时间不同，由于发电机转子的电感，励磁对秋千所产生的外力总是滞后，正是这种滞后效应造成励磁负阻尼。如果我们用PSS的超前环节来校正这个滞后作用，励磁的负阻尼就变为正阻尼，这就是PSS的原理。第33页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三励磁产生负阻尼的原因

阻尼（正、零、负）VS惯性动态稳定可以理解为机电振荡的阻尼问题。AVR造成阻尼变弱、甚至变负（K5变负)。在—定的运行方式及励磁系统参数下，AVR在维持Ug恒定的同时，会产生负的阻尼作用。扰动前后：ΔP→Δδ1→Δδ→摆动→阻尼→Δδ2→稳定传统励磁：低增益慢速（没有能力管闲事）Δδ→ΔUg→AVR作用小、反应慢→ΔUf小→ΔIf小→Δ→ΔP（力矩象限不明）→对Δδ影响极小。现代励磁：高增益快速（管闲事帮倒忙）Δδ→ΔUg→AVR作用大、反应快→ΔUf大→ΔIf大→Δ→ΔP（力矩第二象限）→产生负阻尼使原来的阻尼变小，对Δδ负面影响。AVR+PSS:高增益快速+附加控制系统（管闲事帮正忙）Δδ→ΔUg→AVR作用大、反应快→ΔUf大→ΔIf大，Δ→ΔP（力矩第一象限）→产生正阻尼使原来的阻尼变大，对Δδ正面影响。第34页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三电力系统低频振荡本机振荡模式地区性振荡模式（localmodel）：频率一般在0.5～2.0Hz；区域间振荡模式（interareamodel、tielinemodel）：频率一般在0.1～0.5Hz）。小系统：0.5～2.5Hz；大系统：0.2～2.5Hz；全国联网：0.1～2.0Hz；

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，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(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。第35页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三电力系统稳定器原理

建立δ－ω平面坐标系T1：励磁产生的电磁力矩T2：PSS产生的电磁力矩ΔPSS:附加励磁控制信号AVR(PID)＋PSS产生的电磁力矩

PSS输入信号Δω、Δδ、Pe、ΔP、Δf测量轴转速Δω，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ΔP，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ΔP，使用广泛，效果不错。但在原动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Δω测量处理上的困难，但由于发电机电抗的影响，△f与频差Δω不完全一致，因而效果上稍差。第36页，讲稿共42页，2023年5月2日，星期三PSS模型简介输入量、优缺