1、励磁系统原理励磁系统原理丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁 场。相应的，将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统 建立发电机机端电压：发电机内电势发电机内电势 Eq=BLVu 最主要功能：维持发电机机端电压恒定、稳定，并根据发电机所 带负荷情况，相应的调整励磁电流 u 在并列运行的发电机间合理分配无功功率u 增加发电机的阻尼转矩，提高电力系统的运行稳定性u 不同工况下，对发电机实行过励磁限制和欠励限制等第1部分 励磁系统的基本作用丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流同步发电机的工作原理同步发电机的工作原理：原动机带动转子旋转后，给转子通直流
2、电，形成旋转原动机带动转子旋转后，给转子通直流电，形成旋转磁场，旋转磁场的磁力线切割定子绕组，产生感应电动势，磁场，旋转磁场的磁力线切割定子绕组，产生感应电动势，建立起机端电压，当发电机并网与负载相连时产生电流，建立起机端电压，当发电机并网与负载相连时产生电流，发出电能。发出电能。励磁设备的基本任务励磁设备的基本任务:给发电机转子提供直流给发电机转子提供直流电流电流形成磁场。形成磁场。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流励磁系统的主要技术要求励磁系统的主要技术要求v 有足够的强励顶值电压。强励电压倍数一般取有足够的强励顶值电压。强励电压倍数一般取1.82.0v 具有足够的强励电压上升速度具有足
3、够的强励电压上升速度v 有足够的调节容量：保证励磁电流在有足够的调节容量：保证励磁电流在1.1倍额定励磁电流时能长期运倍额定励磁电流时能长期运行行v 运行稳定，工作可靠，响应快速运行稳定，工作可靠，响应快速丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流 采用可靠性高、控制性能强的励磁系采用可靠性高、控制性能强的励磁系统，是保证发电机安全稳定运行并提高电统，是保证发电机安全稳定运行并提高电力系统稳定性的经济而有效的措施。力系统稳定性的经济而有效的措施。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流第2部分 励磁系统的几种主要类型v 直流励磁机励磁系统：直流励磁机励磁系统：70年代以前；年代以前；具有专用的直流发电机
4、具有专用的直流发电机丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 交流励磁机励磁系统：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。型机组采用。俗称三机励磁。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 无刷励磁系统：无刷励磁系统：这种励磁方式没有专门的励磁机，而是从发电机本身这种励磁方式没有专门的励磁机，而是从发电机本身获取励磁电流，经整流后再供发电机励磁，因此又称为自励式静止励获取励磁电流，经整流后再供发电机励磁，因此又称为自励式静止励磁磁 自励式静止励磁又可分为自并励和自复励两种方式自励式静止励磁又可分为自并励和自复励两种方式
5、 最具代表性的当属自并励励磁方式，通过接在发电机出口的整流变最具代表性的当属自并励励磁方式，通过接在发电机出口的整流变压器（亦称为并联变压器压器（亦称为并联变压器T T）取得励磁电流，经整流后供发电机励磁）取得励磁电流，经整流后供发电机励磁丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 自并励励磁系统：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。并励励磁系统。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术
6、交流 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：u 接线简单、结构紧凑，维护方便；u 取消励磁机，发电机组长度缩短，减小轴系振动，节约成本；u 调节性能优越，通过附加PSS控制可以有效提高电力系统稳定性。缺点：在发电机或系统发生短路时，由于电压的大幅下降或消失，导致励磁电流的下降或消失，而此时本应大大增加励磁（即强行励磁）来维持电压的。考虑到现代大型电网多采用封闭母线，且高压电网一般都装有快速保护（0.1s内切除短路故障），认为有足够的可靠性，故采用自并励的机组较多。第3部分 自并励励磁系统的基本构成丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流3.1 自并励励磁
7、系统的主要组成部分丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流3.2 励磁变压器v 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：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。v 励磁变的额定容量要满足发电机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。倍额定励磁电流的要求。v 励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。v 励磁变的绝缘等级：励磁变的绝缘等级：F级或级或H级。级。v 励磁变的额定最大温升：励磁变的额定最大温升：80K或或100K。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流3.3 可控
8、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。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流三相全控桥电路结构丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流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 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
9、变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长，10s左右。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流三相全控桥电路的三种典型波形=00:自然换相点，二极管整流，AC变DC=0900:整流状态，AC变DC=1500:逆变状态，DC变AC丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般12V），造），造成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大承受结温（成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大承受结温（PN结）是结）是125。v 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。可控硅散热方法：可控硅压装散热器，并启动
10、冷却风机进行风冷散热。三相全控桥的散热丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流3.4 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释放掉，以保证发电机安全运行，保护机组和其它设备安全。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：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能量转移到灭磁电阻中，来消耗掉。221ffILW 丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流灭磁系统的构成原理图-FR-V62-V61-QFG-LGE-A61-CT-V63QFG灭磁开关 FRSiC电阻 CT过电压动作检测器V61可控硅 V62可控硅 A61可控硅触发器丹
11、江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流 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。灭磁系统的基本工作原理丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流 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通、分断；灭磁开关分断后，配合灭磁电阻完成灭磁的任务。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 线性电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。线性
12、电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。v 氧化锌氧化锌ZnO非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理想。非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理想。v SiC非线性电阻，国外生产，经常采用英国非线性电阻，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。用较多，比如：三峡、龙滩、拉西瓦等；灭磁时间适中。v 水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。v 单片单片ZnO阀片的工作能容量是阀片的工作能容量是15KJ，而单片，而单片Si
13、C阀片的工作能容量为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。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需要几，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。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。遍使用。灭磁电阻丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可
14、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，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10s。v 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，励磁灭磁系统灭磁：在发电机事故、过压或系统故
15、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磁的时间一般在5s以下。以下。两种灭磁方法丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流3.5 励磁调节器（AVR）励磁系统的控制核心，利用自动控制原理，自动控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
16、机组满足各种发电工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。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偿算法或经典PID算法，自动维持发电机电压恒定、稳定。算法，自动维持发电机电压恒定、稳定。附加附加PSS控制功能，经济、有效地提高电力系统稳控制功能，经济、有效地提高电力系统稳定性。定性。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流对自动调节励磁装置（对自动调节励磁装置（AVRAVR）的要求）的要求 工作可靠工作可靠 AVRAVR装置本身发生故障，可能迫使机组停机，甚至可能对电力系统装置本身发生故障，可能迫使机组
17、停机，甚至可能对电力系统造成严重影响。造成严重影响。有足够的输出容量有足够的输出容量 AVRAVR的容量既要满足正常运行时调节的要求，又要满足发生短路故的容量既要满足正常运行时调节的要求，又要满足发生短路故障时强励的要求。障时强励的要求。动作迅速动作迅速 采用快速动作的采用快速动作的AVRAVR对改善系统的稳定性和提高输送能力具有重要对改善系统的稳定性和提高输送能力具有重要意义。意义。无失灵区无失灵区 没有失灵区的没有失灵区的AVRAVR有助于提高系统的静态稳定性。有助于提高系统的静态稳定性。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流可控硅励磁调节装置的工作原理可控硅励磁调节装置的工作原理 可控硅元
18、件具有放大作用，适合于作励磁装置的放大元件。同时，它可控硅元件具有放大作用，适合于作励磁装置的放大元件。同时，它本身又是一个整流元件。可控硅励磁装置的构成如图所示。本身又是一个整流元件。可控硅励磁装置的构成如图所示。调差单元GST测量比较综合放大同步单元手控单元移相触发单元 可控硅励磁调节器电压给定丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流励磁反馈控制的基本工作原理为：励磁反馈控制的基本工作原理为：通过通过PTPT和和CTCT测量发电机电压和无功，与给定测量发电机电压和无功，与给定电压电压UgnUgn比较后获得电压差比较后获得电压差Ug=Ugn-UgUg=Ugn-Ug，经综合放大后得到控制信号，经综
19、合放大后得到控制信号UcUc。根。根据控制信号和同步信号计算可控硅的导同角据控制信号和同步信号计算可控硅的导同角，从而控制发电机的励磁电流，从而控制发电机的励磁电流，使发电机运行在稳定状态。使发电机运行在稳定状态。当扰动使发电机电压升高时的反馈控制过程如下：当扰动使发电机电压升高时的反馈控制过程如下：UgUg=Ug.n-UgUcUg.exUg扰动使Ug升高电压差减少控制信号减少导通角增加励磁电压降低Ug降低丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流第3部分 励磁调节器的主要功能v 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
20、压调节器，即压调节器，即AVR；及；及PSS附加控制。附加控制。v 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。定。为使励磁系统有良好的静、动态性能，为使励磁系统有良好的静、动态性能，AVRAVR可采用两级超前滞可采用两级超前滞后校正环节。后校正环节。v PSSPSS（电力系统稳定器）做为（电力系统稳定器）做为AVRAVR的附加控制，用于增加电力系统的正的附加控制，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。阻尼，从而抑制电力系统有功低频振荡。它不降低励磁系统它不降低励磁系统AVR调调节的增益，不影响励磁控制
21、系统的暂态性能节的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能。PSS已成为励磁调节已成为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。器的标配环节，在国内外电力系统中都得到了广泛应用。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流AVR的数学控制模型丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v Kavr关系到发电机端电压的调节精度。在保证关系到发电机端电压的调节精度。在保证AVR闭环调节稳定的闭环调节稳定的前提下，前提下，Kavr越大，机端电压的调节精度越高，越能维持机端电压越大，机端电压的调节精度越高，越能维持机端电压的恒定。的恒定。v 超前滞后环节的参数整定，保证超前滞后环节的参数整定，保证AVR闭环
22、控制稳定，并有良好的闭环控制稳定，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。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。v 励磁标准中要求机端电压的调节精度为励磁标准中要求机端电压的调节精度为0.5。即，在。即，在AVR给定值给定值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Kavr丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流PSS的数学控制模型：PSS2A丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流PSS数学模型说明
23、v PSS2A以转速信号与电功率信号合成的加速功率做为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，的输入量，在解决在解决“反调反调”问题的同时，不影响问题的同时，不影响PSS的阻尼效果。的阻尼效果。v 通过通过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（系统低频振荡区（0.12.0Hz）内使该力矩向量对应）内使该力矩向量对应轴在超前轴在超前10滞后滞后45以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应轴在轴在0滞后滞后30以内，以尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频以内，以
24、尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频振荡。振荡。v PSS环节的参数，需要经过电网公司认可、具有资质的第三环节的参数，需要经过电网公司认可、具有资质的第三 方试验方试验单位（一般是各电网的电科院）进行现场试验后给出。单位（一般是各电网的电科院）进行现场试验后给出。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流l励磁调节器的手动方式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，为励磁电流负反馈闭环控制，用于维持励磁电流恒定、稳定。持励磁电流恒定、稳定。lFCRFCR，是励磁调节控制的辅助运行方式。在发电机端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、回路出现故障、自动方式采
25、集的机端电压出现异常情况时，励磁调节器自动切换为手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。动方式运行，防止励磁系统出现误强励。手动方式FCR控制 1+TbS1 1+TB2S1+TB1SKiIL(S)IgdUK2(S)电流反馈电流给定图3 励磁电流调节器数学模型丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流自动方式AVR控制的整体模型描述丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流v 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。功的变化对机端电压进行
26、必要的微调。v 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。行的发电机间无功互抢。v 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。高，用于补偿单机单变方式下主变的压降损失。v 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。从系统母线侧看，单机单变方式下
27、的整体调差，应表现为正调差。无功调差控制丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流 防止发电机因励磁电流过度减小而引起失步以及因机组过度进相引起防止发电机因励磁电流过度减小而引起失步以及因机组过度进相引起定子端部过热。确保机组在并网运行时，将发电机的功率运行点（定子端部过热。确保机组在并网运行时，将发电机的功率运行点（P、Q）限制在欠励限制曲线上方。）限制在欠励限制曲线上方。v 正常情况下，发电机输出的无功为正。当发电机端电压低于系统电压正常情况下，发电机输出的无功为正。当发电机端电压低于系统电压时，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时，发电机从系统吸收无功或输出负无功，这种情
28、况称为发电机进相运行。运行。v 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。统电压水平。欠励限制丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流发电机V/f限制 防止励磁过多导致发电机电压过高，铁芯磁密度过大，致使发电机防止励磁过多导致发电机电压过高，铁芯磁密度过大，致使发电机发热而损坏。发热而损坏。v 当发电机频率降低时，如果仍要维持发电机端电压在额定水平，励磁当发电机频率降低时，如果仍要维持发电机
29、端电压在额定水平，励磁电流和主变激磁电流需要正比增加。当频率降低到一定程度后，激磁电流和主变激磁电流需要正比增加。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。回路将处于饱和状态，将引起磁路损耗增大、发热而损坏。v 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，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。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。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流强励限制与过励限制v 过励限制：过励限制：当有倒闸操作或者系统发生短路故障，以及系统电压降低
30、，当有倒闸操作或者系统发生短路故障，以及系统电压降低，要求机组增加无功功率时，励磁调节器将增加励磁电流以维持机端电要求机组增加无功功率时，励磁调节器将增加励磁电流以维持机端电压的恒定；若出现线电压大幅度降低时，如果电压设定值没有及时减压的恒定；若出现线电压大幅度降低时，如果电压设定值没有及时减小，或者主变的变比（分接头）没有调整到合适的位置时，将导致转小，或者主变的变比（分接头）没有调整到合适的位置时，将导致转子过载。子过载。作用作用：在上述的情况下，自动限制发电机励磁电流，降低发电机机：在上述的情况下，自动限制发电机励磁电流，降低发电机机端电压。端电压。v 强励限制：强励限制：又称为强励顶值
31、限制。其作用是防止在调节过程中发生发电机转又称为强励顶值限制。其作用是防止在调节过程中发生发电机转子电流瞬时超过容许的强励顶值。它与过励限制的不同之处在于：子电流瞬时超过容许的强励顶值。它与过励限制的不同之处在于：1）其定值是强励容许值，而不是长期允许值。）其定值是强励容许值，而不是长期允许值。2）动作是瞬时的，不是按过热积累考虑的延时。动作是瞬时的，不是按过热积累考虑的延时。丹江口励磁技术交流丹江口励磁技术交流调节器其他的附加功能调节器其他的附加功能v 系统电压跟踪系统电压跟踪v 恒无功调节恒无功调节v 恒功率因数调节恒功率因数调节v PSVRv 软起励功能软起励功能v PT断线保护功能断线保护功能v 电制动功能电制动功能
