圖解發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理

1、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理（1）,水輪發(fā)電廠原理,大壩、水電廠、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁系統(tǒng),水輪發(fā)電廠轉(zhuǎn)子,n=60f/p 勵(lì)磁繞組（d軸） 阻尼繞組（d軸、q軸）,勵(lì)磁的基本概念,什么是勵(lì)磁？ 導(dǎo)體切割磁力線感生電動(dòng)勢(shì)e 勵(lì)磁就是提供一個(gè)磁場(chǎng)b,e=4.44fn,對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁就是產(chǎn)生磁通,4.44:有效值系數(shù) f:勵(lì)磁條件與影響 n:機(jī)端電壓影響 :與勵(lì)磁電流關(guān)系,governor調(diào)速,excitation勵(lì)磁,功角含義（電氣量與空間量）、靜穩(wěn)極限pmax、系統(tǒng)穩(wěn)定余度（pmax/p）、功角范圍（機(jī)組小于系統(tǒng)）,勵(lì)磁的基本任務(wù),功角,excitation system,excitat

2、ion control system,synchronous machine regulator,exciter,synchronous machine,power system,blockdiagramm according ieee,勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁控制系統(tǒng),勵(lì)磁重要概念,現(xiàn)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用單軸直流電勵(lì)磁； 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：雙軸勵(lì)磁；交流勵(lì)磁；,勵(lì)磁系統(tǒng)新科技,現(xiàn)在勵(lì)磁控制系統(tǒng)規(guī)律大多采用傳統(tǒng)經(jīng)典控制理論：pid+pss 勵(lì)磁控制系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器pss；線性最優(yōu)控制規(guī)律（華中科技大學(xué)）；非線性最優(yōu)控制規(guī)律（清華大學(xué) ）。,勵(lì)磁控制系統(tǒng)新科技,電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制發(fā)

3、展過(guò)程： pid 控制； pss 控制 線性最優(yōu)控制lopss （linear optimal control） 非線性最優(yōu)控制nopss （nonlinear optimal control） 非線性魯棒控制nrpss （nonlinear robust control）, pid勵(lì)磁控制理念,k,vg,控制,如k=100,generator,u , i,f,f,u , i,e,e,voltage regulator,avr,main exciter,自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁機(jī)他勵(lì)與自并勵(lì),igbt,他勵(lì)：勵(lì)磁電源取自勵(lì)磁機(jī)或廠用電等； 自勵(lì)：勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，可靠性高，但需采取措施保證強(qiáng)

4、勵(lì)能力。,勵(lì)磁系統(tǒng)的組成與分類,自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器avr、ecr/fcr（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器） 勵(lì)磁電源（勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁變壓器） 整流器（ac/dc變換，scr、二極管） 滅磁與轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù) 按勵(lì)磁電源分類： 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng) 按響應(yīng)速度分類： 慢速勵(lì)磁系統(tǒng) 快速勵(lì)磁系統(tǒng) 高起始勵(lì)磁系統(tǒng),調(diào) 輔助 整流柜（功率柜） 直流滅磁 滅磁 節(jié) 控制 制動(dòng)整流柜 開關(guān)柜 電阻柜 器 柜 （柔性制動(dòng)） s101 s106+s107,三峽電廠右岸勵(lì)磁系統(tǒng),完全柔性制動(dòng)系統(tǒng),thyripol,直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（開關(guān)勵(lì)磁）,同軸,開關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，

5、且勵(lì)磁電源可靠，不受電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響。另外，不存在可控整流橋的觸發(fā)同步問題，控制簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠性高。,交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（三機(jī)它勵(lì)）,組成：交流主勵(lì)磁機(jī)（acl）和交流副勵(lì)磁機(jī)（acfl）都與發(fā)電機(jī)同軸。副勵(lì)磁機(jī)是自勵(lì)式的，其磁場(chǎng)繞組由副勵(lì)磁機(jī)機(jī)端電壓經(jīng)整流后供電。也有用永磁發(fā)電機(jī)作副勵(lì)磁機(jī)的，亦稱三機(jī)它勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)：它勵(lì)，勵(lì)磁電源不受系統(tǒng)電源的影響 缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)速度慢，軸系長(zhǎng)度長(zhǎng)，易引發(fā)軸系振蕩,同軸,自幷勵(lì),靜止,有刷勵(lì)磁,靜止,無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng),旋轉(zhuǎn),自并勵(lì)磁系統(tǒng),勵(lì)磁裝置就是提供發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流的裝置，包括所有調(diào)節(jié)與控制元件，還有磁場(chǎng)放電或滅磁裝置及保護(hù)裝置 勵(lì)磁控制系統(tǒng)是包括控制對(duì)象

6、的反饋控制系統(tǒng) 整流器輸入開關(guān)的定義：滅磁開關(guān)國(guó)標(biāo)2倍+80%=2.5;三峽2.5+80%=3.125;1000v,ok）,勵(lì)磁對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響,單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)線性化小偏差理論數(shù)學(xué)模型 （菲利普斯-海佛曼模型）（ f. p. demello and c. concordia. ）,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：、。 k1主要是同步力矩環(huán)節(jié)；d轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)節(jié)；k4發(fā)電機(jī)去磁電樞反應(yīng)；k5勵(lì)磁正負(fù)阻尼系數(shù)；k2和k6主要是勵(lì)磁阻尼力矩環(huán)節(jié)。 k5為正，這時(shí)avr的作用是引入了一個(gè)負(fù)的同步轉(zhuǎn)矩和一個(gè)正的阻尼轉(zhuǎn)矩，有利于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定； 當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的外接電抗較大，并且發(fā)電機(jī)的輸出功率較高時(shí)，系數(shù)k5為負(fù)，這時(shí)avr

7、的作用是引入了一個(gè)正的同步轉(zhuǎn)矩和一個(gè)負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩不利于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；,功角穩(wěn)定比喻,腕中放置一個(gè)球，且受到外部的一個(gè)小外力，它就偏離原來(lái)的位置。如果這個(gè)腕的高度很矮，像一個(gè)盤子，該球就有可能從碗中掉下來(lái)。此時(shí)，我們就說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)靜穩(wěn)不足。提高腕的高度最經(jīng)濟(jì)的辦法就是采用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。 當(dāng)碗中的球受到一個(gè)大的外力，怎樣保證該球不飛出，最主要措施就是快速的繼電保護(hù)。繼保的作用就相當(dāng)于減少這個(gè)外部力量的作用時(shí)間，繼保越快，外力的作用時(shí)間就越短，這個(gè)球就不會(huì)一下子掉下來(lái)。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器此時(shí)作用相當(dāng)于自動(dòng)改變這個(gè)腕的坡度，當(dāng)這個(gè)球上升時(shí)增加坡度，當(dāng)這個(gè)球下降時(shí)就減少這個(gè)坡度，使這個(gè)球在碗中滾動(dòng)幅度迅速減小。

8、 當(dāng)腕和球之間的摩擦很小，這個(gè)球受到擾動(dòng)后在碗中滾動(dòng)幅度大且時(shí)間長(zhǎng)。動(dòng)穩(wěn)定影響到電力系統(tǒng)阻尼，就如同影響這個(gè)碗中的摩擦系數(shù)一樣，正阻尼就是增大摩擦系數(shù)，負(fù)阻尼減少摩擦系數(shù)。當(dāng)這個(gè)球在滾動(dòng)中，如果有一個(gè)外力在其上升時(shí)幫助其上升，在其下降時(shí)幫助其下降，這個(gè)球的滾動(dòng)幅度就越滾越大，反之就越滾越小并最終停下來(lái)。pss的作用就是增加阻尼。,勵(lì)磁負(fù)阻尼比喻：蕩秋千,在蕩秋千中，我們停止外力，秋千就會(huì)在摩擦系數(shù)的作用下慢慢停下；當(dāng)我們外加使秋千停下來(lái)的外力，它就會(huì)馬上停下；當(dāng)我們外加使這個(gè)秋千蕩起來(lái)的外力，它就越蕩越高。 電力系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)就像蕩秋千一樣，勵(lì)磁負(fù)阻尼，就產(chǎn)生一個(gè)使秋千蕩起來(lái)的外力，勵(lì)磁正阻尼產(chǎn)生

9、一個(gè)使秋千停下來(lái)的外力。 比較這兩個(gè)外力，主要的問題就是作用在秋千上的時(shí)間不同，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電感，勵(lì)磁對(duì)秋千所產(chǎn)生的外力總是滯后，正是這種滯后效應(yīng)造成勵(lì)磁負(fù)阻尼。如果我們用pss的超前環(huán)節(jié)來(lái)校正這個(gè)滯后作用，勵(lì)磁的負(fù)阻尼就變?yōu)檎枘幔@就是pss的原理。,勵(lì)磁產(chǎn)生負(fù)阻尼的原因,阻尼（正、零、負(fù)）vs慣性 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定可以理解為機(jī)電振蕩的阻尼問題。 avr造成阻尼變?nèi)?、甚至變?fù)（k5變負(fù))。在 定的運(yùn)行方式及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下，avr在維 持ug恒定的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用。 擾動(dòng)前后：p 1 擺動(dòng) 阻尼 2 穩(wěn)定 傳統(tǒng)勵(lì)磁：低增益慢速（沒有能力管閑事） ug avr作用小、反應(yīng)慢 uf小 if小

10、 p（力矩象限不明） 對(duì)影響極小。 現(xiàn)代勵(lì)磁：高增益快速（管閑事幫倒忙） ug avr作用大、反應(yīng)快 uf大 if大 p（力矩第二象限） 產(chǎn)生負(fù)阻尼使原來(lái)的阻尼變小，對(duì)負(fù)面影響。 avr+pss:高增益快速+附加控制系統(tǒng)（管閑事幫正忙） ug avr作用大、反應(yīng)快 uf大 if大， p（力矩第一象限） 產(chǎn)生正阻尼使原來(lái)的阻尼變大，對(duì)正面影響。,電力系統(tǒng)低頻振蕩,本機(jī)振蕩模式 地區(qū)性振蕩模式（local model）：頻率一般在0.52.0hz； 區(qū)域間振蕩模式（interarea model、tieline model）：頻率一般在0.10.5hz）。 小系統(tǒng)： 0.52.5hz； 大系統(tǒng)：

11、0.22.5hz； 全國(guó)聯(lián)網(wǎng)： 0.12.0hz；,解決勵(lì)磁產(chǎn)生負(fù)阻尼，造成系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的方法是附加控制，即電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器，各種智能控制器。 依據(jù)f.d.迪米洛和c.康柯迪亞理論設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer)，簡(jiǎn)稱pss，即為抑制系統(tǒng)低頻振蕩和提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性而設(shè)置的。,電力系統(tǒng)穩(wěn)定器原理,建立平面坐標(biāo)系 t1：勵(lì)磁產(chǎn)生的電磁力矩 t2：pss產(chǎn)生的電磁力矩 pss:附加勵(lì)磁控制信號(hào) avr(pid)pss產(chǎn)生的電磁力矩 pss輸入信號(hào) 、pe、p、f 測(cè)量軸轉(zhuǎn)速，測(cè)量和處理比較復(fù)雜, 軸系扭轉(zhuǎn)的處理更加困難，使用較少 測(cè)量

12、過(guò)剩功率p，測(cè)量和處理更加復(fù)雜,輸入信號(hào)多，使用也少 測(cè)量電功率pe，在假定機(jī)械功率不變的情況下，可以得到過(guò)剩功率p，使用廣泛，效果不錯(cuò)。但在原動(dòng)機(jī)功率變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象。 測(cè)量機(jī)端電壓頻率f，克服了測(cè)量處理上的困難，但由于發(fā)電機(jī)電抗的影響，f與頻差不完全一致，因而效果上稍差。,pss模型簡(jiǎn)介,輸入量、優(yōu)缺點(diǎn)、反調(diào) 加速電功率型pss,pss1a,pss2a,pss2b,投退pss負(fù)載階躍試驗(yàn)錄波,時(shí)域分析,國(guó)外發(fā)生“低頻振蕩” 實(shí)例,96年8月10日，當(dāng)天美國(guó)wscc處于水電大發(fā), 向南輸送很重的負(fù)荷. 由于一條500kv聯(lián)絡(luò)線故障斷開, 潮流轉(zhuǎn)移使得局部地區(qū)電壓偏低, 此時(shí)一個(gè)水電廠13

13、臺(tái)機(jī)組由于勵(lì)磁誤動(dòng)而相繼斷開，系統(tǒng)出現(xiàn)了0.24hz左右的增幅低頻振蕩，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定,解列成數(shù)個(gè)小系統(tǒng)。值得特別注意的是加拿大powertech lab inc.公司事后作的仿真研究證明，如果把南加卅(系統(tǒng)受端)一臺(tái)機(jī)組pss參數(shù)重新調(diào)整，另一臺(tái)機(jī)組的pss由退出狀態(tài)改成投入狀態(tài)，則上述負(fù)阻尼增幅振蕩不會(huì)出現(xiàn)。上圖為實(shí)際錄波曲線，下圖為仿真曲線。,國(guó)內(nèi)發(fā)生過(guò)許多次“低頻振蕩” （1）,1998年7月，川渝電網(wǎng)二灘電廠機(jī)組與系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩，導(dǎo)致機(jī)組跳閘，見圖43。其后，因過(guò)磁通限制動(dòng)作，錯(cuò)誤地將pss退出（系調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)邏輯所致），又發(fā)生過(guò)多次低頻振蕩，但未造成系統(tǒng)事故。,國(guó)內(nèi)發(fā)生過(guò)許多次“低頻振蕩” （2）,200