發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理

1、三峽電廠陳小明Chen_第一部分勵磁的基本概念勵磁的基本概念E=4.44fNGActive Power（P）Frequency（f）Reactive Power（Q）Terminal Voltage（Ug）GovernorStatic or BrushlessExcitation勵磁的基本任務勵磁的基本任務水輪發(fā)電廠原理水輪發(fā)電廠原理 Turbine Governor Voltage Regulator Pe PSS Vt It n, P G 3 Turbine - - Vf Vtref Peref h 汽輪發(fā)電機調節(jié)原理汽輪發(fā)電機調節(jié)原理發(fā)電機空載特性發(fā)電機空載特性n勵磁作用重要體現之一發(fā)電

2、機短路特性發(fā)電機短路特性n勵磁作用重要體現之二Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronous Machine RegulatorExciterSynchronousMachinePowerSystem勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)勵磁控制系統(tǒng)勵磁控制系統(tǒng)勵磁重要概念勵磁重要概念GeneratorU , If fU , IE EVoltage RegulatorAVR110 V DC400 V ACPotential TransformersCurrent TransformersOutput of Excitation SystemMain Exc

3、iter自并勵勵磁系統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)For Example勵磁機勵磁與自并勵勵磁機勵磁與自并勵IGBT自并勵磁系統(tǒng)自并勵磁系統(tǒng)待續(xù)三峽電廠陳小明Chen_第二部分現代勵磁基礎現代勵磁基礎開關勵磁開關勵磁原理開關勵磁原理AC變變DCDC變變AC非相控電路非相控電路不需要同步不需要同步小功率小功率小勵磁小勵磁開關勵磁原理示意開關勵磁原理示意可控硅勵磁原理可控硅勵磁原理三相全控橋電路三相全控橋電路=00:強勵狀態(tài)，強勵狀態(tài)，AC變變DC=0:整流狀態(tài)，整流狀態(tài)，AC變變DC=1500:逆變狀態(tài)，逆變狀態(tài)，DC變變AC全控橋與半控橋全控橋與半控橋全控橋：全控橋：整流與逆變整流與逆變整流特征相同整流特征

4、相同能夠逆變也能續(xù)流能夠逆變也能續(xù)流Uf反相恒定反相恒定If線性衰減線性衰減滅磁快滅磁快半控橋：半控橋：整流與續(xù)流整流與續(xù)流整流特征相同整流特征相同不能逆變只能續(xù)流不能逆變只能續(xù)流Uf0If非線性衰減非線性衰減滅磁慢滅磁慢續(xù)流二極管續(xù)流二極管可控硅組件與整流柜可控硅組件與整流柜三相全控橋電路要點三相全控橋電路要點三相全控橋實際電路波形三相全控橋實際電路波形同步發(fā)電機勵磁的作用同步發(fā)電機勵磁的作用單機無限大母線系統(tǒng)(b)短路故障下，功率特性曲線的變化：初始工作曲線1；短路后3；故障切除2 暫態(tài)穩(wěn)定性決定于加速面積abedabcd是否小于或等于減速面積dfed提高暫態(tài)穩(wěn)定性有兩種方法提高暫態(tài)穩(wěn)定性

5、有兩種方法1、減小加速面積：加快故障切除時間2、增大減速面積：提高勵磁電壓響應比；提高強勵電壓倍數，使故障切除后的發(fā)電機內電勢Eq迅速上升，增加功率輸出，以達到增加減速面積的目的。正常工作曲線1；短路曲線3；強勵使功率特性曲線增加到bc段（減少了加速面積）；2時故障切除；強勵使曲線2的dehg增加到dehg （增大減速面積）；轉子功角最大值由m降到m。 勵磁頂值電壓越高，電壓響應比越快，勵磁勵磁頂值電壓越高，電壓響應比越快，勵磁調節(jié)對改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。調節(jié)對改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。 當發(fā)電機與系統(tǒng)的外接電抗較小，并且發(fā)電機的輸出功率較低時，系數K5為正，這時AVR的作用是引入了一個負

6、的同步轉矩和一個正的阻尼轉矩，有利于動態(tài)穩(wěn)定；當發(fā)電機與系統(tǒng)的外接電抗較大，并且發(fā)電機的輸出功率較高時，系數K5為負，這時AVR的作用是引入了一個正的同步轉矩和一個負的阻尼轉矩不利于動態(tài)穩(wěn)定；快速勵磁系統(tǒng)以及特定參數條件下造成動態(tài)穩(wěn)定性惡化的原因是由于勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機勵磁繞組的滯后特性所致。電力系統(tǒng)穩(wěn)定簡介v電力系統(tǒng)穩(wěn)定分為三個電量的穩(wěn)定：電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、功角穩(wěn)定。v勵磁系統(tǒng)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定主要是提高電壓的穩(wěn)定，其次是提高功角穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定由調速器負責。v功角穩(wěn)定又分為三種：靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。v靜態(tài)穩(wěn)定是系統(tǒng)受到小擾動后系統(tǒng)的穩(wěn)定性；v暫態(tài)穩(wěn)定是大擾動后系統(tǒng)在隨后的12個周波

7、的穩(wěn)定性；v動態(tài)穩(wěn)定是小擾動后或者是大擾動12周波后的，并且采取技術措施后的穩(wěn)定性，也就是PSS研究的穩(wěn)定性。功角穩(wěn)定比喻v腕中放置一個球，且受到外部的一個小外力，它就偏離原來的位置。如果這個腕的高度很矮，像一個盤子，該球就有可能從碗中掉下來。此時，我們就說這個系統(tǒng)靜穩(wěn)不足。提高腕的高度最經濟的辦法就是采用自動電壓調節(jié)器。v當碗中的球受到一個大的外力，怎樣保證該球不飛出，最主要措施就是快速的繼電保護。繼保的作用就相當于減少這個外部力量的作用時間，繼保越快，外力的作用時間就越短，這個球就不會一下子掉下來。自動電壓調節(jié)器此時作用相當于自動改變這個腕的坡度，當這個球上升時增加坡度，當這個球下降時就減

8、少這個坡度，使這個球在碗中滾動幅度迅速減小。v如果這個腕和球之間的摩擦很小，這個球受到擾動后在碗中來回滾動時間就很長，特別是，如果這個擾動的外力不斷的來回施加，就比如我們不斷的蕩秋千，這個球就永遠不停的來回滾動甚至掉下來，我們就說這個系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性差。這里的摩擦阻力相當于電力系統(tǒng)的阻尼，這個來回不斷施加的外部力量就相當于自動電壓調節(jié)器產生的負阻尼。一般來說，自動電壓調節(jié)器在電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定中起壞作用，產生負阻尼，使整個系統(tǒng)阻尼減少。當我們在自動電壓調節(jié)器中增添PSS裝置，PSS就把自動電壓調節(jié)器原來所產生的負阻尼變?yōu)檎枘幔喈斢谠黾油蠛颓虻哪Σ料禂?，使球的滾動幅度快速減小，于是這個系統(tǒng)的

9、動態(tài)穩(wěn)定性就滿足要求。待續(xù)三峽電廠陳小明Chen_第三部分勵磁系統(tǒng)的組成與分類勵磁系統(tǒng)的組成與分類 交流勵磁機系統(tǒng)（三機它勵）交流勵磁機系統(tǒng)（三機它勵）同軸同軸交流勵磁機系統(tǒng)（二機它勵）交流勵磁機系統(tǒng)（二機它勵）組成：交流主勵磁機經過可控硅整流裝置向發(fā)電機轉子回路提供勵磁電流；AVR控制可控硅的觸發(fā)角，調整其輸出電流，亦稱為兩機它勵勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)沒有副勵磁機，交流勵磁機的勵磁電源由發(fā)電機出口電壓經勵磁變壓器后獲得，自動勵磁調節(jié)器控制可控硅磚觸發(fā)角，以調節(jié)交流勵磁機勵磁電流，交流勵磁機輸出電壓經硅二極管整流后接至發(fā)電機轉子，亦稱為兩機一變勵磁系統(tǒng)。 優(yōu)點：取消副勵磁機，軸系長度縮短；缺點：調

10、節(jié)速度慢同軸同軸 自勵系統(tǒng)（并勵、復勵）自勵系統(tǒng)（并勵、復勵）自并勵勵磁系統(tǒng)組成：勵磁變壓器、大功率可控硅整流柜、滅磁及過電壓保護、起勵設備、自動電壓調節(jié)器優(yōu)點：結構簡單、響應速度快缺點：強勵時系統(tǒng)電壓變化復雜交流側串聯自復激勵磁系統(tǒng)勵磁電壓變壓器ZB（并聯變）的副方電壓與勵磁電流變壓器 GLH（串聯變）的副方電壓相聯（相量相加），然后加在可控硅整流橋KZ上。當發(fā)電機負載情況變化時，例如電流增大或功率數降低，則加到可控硅整流橋上的陽極電壓增大，故這種勵磁方式具有相復勵作用。靜止靜止 無刷勵磁系統(tǒng)無刷勵磁系統(tǒng) 組成：主勵磁機（ACL）電樞是旋轉的，它發(fā)出的三相交流電經旋轉的二極管整流橋整流后直接

11、送發(fā)電機轉子回路。無刷勵磁系統(tǒng)中的副勵磁機（PMG）是一個永磁式中頻發(fā)電機，它與發(fā)電機同軸旋轉。主勵磁機的磁場繞組是靜止的，即它是一個磁極靜止、電樞旋轉的交流發(fā)電機。無刷勵磁系統(tǒng)徹底革除了滑環(huán)、電刷等轉動接觸元件，提高了運行可靠性和減少了機組維護工作量。但旋轉半導體無刷勵磁方式對硅元件的可靠性要求高，不能采用傳統(tǒng)的滅磁裝置進行滅磁，轉子電流、電壓及溫度不便直接測量等。這些都是需要研究解決的問題旋轉旋轉 勵磁調節(jié)器原理圖勵磁調節(jié)器原理圖 移相觸發(fā)器原理：UtUk觸發(fā)脈沖 模擬式移相電路：余弦移相、鋸齒波移相 AVR（自動） 恒電壓閉環(huán)自動電壓調節(jié)器 ECRECR（手動）（手動） 恒電流閉環(huán)勵磁電

12、流調節(jié)器 電壓給定Ugref 電流給定Ifref PID調節(jié)計算 限制功能 控制電壓Uk 恒無功閉環(huán)：恒無功閉環(huán)：AVR的輔助控制的輔助控制 勵磁調節(jié)器構成勵磁調節(jié)器構成 移相原理移相原理模擬電路移相原理模擬電路移相原理 數字移相原理之一數字移相原理之一1、首先計算、首先計算角；角；2、將、將角轉換為計數器的角轉換為計數器的計數時間計數時間T；3、由同步點啟動計數器，、由同步點啟動計數器，計數時間就是計數時間就是角；角；4、計數時間到，觸發(fā)相應、計數時間到，觸發(fā)相應的可控硅；的可控硅；5、每隔、每隔600再觸發(fā)下一個可再觸發(fā)下一個可控硅，共控硅，共6個可控硅；個可控硅；6、每發(fā)一個脈沖，啟動脈

13、、每發(fā)一個脈沖，啟動脈寬中斷，控制脈沖寬度。寬中斷，控制脈沖寬度。 勵磁調節(jié)器輸出脈沖勵磁調節(jié)器輸出脈沖脈沖變壓器作用隔離功率匹配脈沖發(fā)展形式寬脈沖雙脈沖寬高頻脈沖雙高頻脈沖 勵磁調節(jié)器功能簡介勵磁調節(jié)器功能簡介無功補償（調差）強勵電流限制（快速限制）過勵限制（勵磁電流慢速、反時限）欠勵限制（P-Q）定子電流限制（過無功限制）伏赫限制（V/HZ、U/F）（過激磁）軟起勵功能PSS功能電制動功能PT斷線保護 勵磁調差原理與應用勵磁調差原理與應用全控橋強勵與強減全控橋強勵與強減強勵強勵=15=150 0 強減強減=150=1500 0 強勵限制與過勵限制強勵限制與過勵限制 欠勵限制欠勵限制 發(fā)電機

14、進相不能太深，否則定子繞組的端部、磁軛等部件可能過熱，將嚴重影響發(fā)電機的運行安全，失磁保護將動作停機。為了保證機組的穩(wěn)定運行，低勵限制器必須在機組超過限制區(qū)之前將定子電壓升高，以使機組運行點回到允許的允許范圍之內。 定子電流限制定子電流限制（過無功限制、過勵限制過無功限制、過勵限制）定子電流限制還可以采用根據發(fā)電機輸出的有功功率來確定發(fā)電機允許輸出無功功率的方式來實現，即過無功限制當發(fā)電機電流超過了限制區(qū)，如果此時機組運行在進相狀態(tài)，則限制器動作，增加勵磁電流；如果此時機組在遲相運行，則限制動作，減少勵磁電流?？傊ㄗ与娏飨拗破鞯淖饔檬钦{節(jié)發(fā)電機定子電流中的無功分量，使發(fā)電機電流回到限制區(qū)以

15、內運行。進相運行超過限制區(qū)遲相運行超過限制區(qū)發(fā)電機定子電流有功電流分量無功電流分量調節(jié)死區(qū)10功率因數1附近沒有操作伏赫限制以及其他輔助功能伏赫限制以及其他輔助功能設計U/F限制器是為了保護機組及與機組相連的變壓器過激磁。當機組頻率降低的時候，為了使機組的機端電壓保持恒定，勵磁系統(tǒng)將會增加勵磁電流，此時，如果機組在低頻率的情況下使機端電壓保持在額定值，那么對機組及所有與機組相連的變壓器而言，將有可能出現過磁通現象（尤其是主變壓器），從而對機組及變壓器造成損壞。 其他輔助控制功能1、 PT斷線保護功能；2、軟起勵功能；3、主開關容錯功能；4、同步電壓斷線保護P 1 擺動 阻尼 2 穩(wěn)定q Ug

16、AVR作用小、反應慢 Uf小 If小 P（力矩象限不明） 對影響極小。q Ug AVR作用大、反應快 Uf大 If大 P（力矩第二象限） 產生負阻尼使原來的阻尼變小，對負面影響。q Ug AVR作用大、反應快 Uf大 If大， P（力矩第一象限） 產生正阻尼使原來的阻尼變大，對正面影響。v本機振蕩模式v地區(qū)性振蕩模式（local model）：頻率一般在0.52.0Hz；v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)： 0.22.5Hz；全國聯網： 0.12.0Hz； 解決勵磁產生負阻尼，造成系統(tǒng)

17、產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)勵磁控制器，各種智能控制器。依據F.D.迪米洛和C.康柯迪亞理論設計的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power system stabilizer)，簡稱PSS，即為抑制系統(tǒng)低頻振蕩和提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性而設置的。 建立平面坐標系T1：勵磁產生的電磁力矩T2：PSS產生的電磁力矩PSS:附加勵磁控制信號AVR(PID)PSS產生的電磁力矩 PSS輸入信號、Pe、P、f測量軸轉速，測量和處理比較復雜, 軸系扭轉的處理更加困難，使用較少測量過剩功率P，測量和處理更加復雜,輸入信號多，使用也少測量電功率Pe，在假定機械功率不變的情況下，可以得到過剩功率P，

18、使用廣泛，效果不錯。但在原動機功率變化時會出現反調現象。測量機端電壓頻率f，克服了測量處理上的困難，但由于發(fā)電機電抗的影響，f與頻差不完全一致，因而效果上稍差PSS模型簡介輸入量、優(yōu)缺點、反調加速電功率型PSSPSS1APSS2APSS2B時域分析待續(xù)三峽電廠陳小明Chen_第四部分勵磁調節(jié)器自動控制原理簡圖勵磁調節(jié)器自動控制原理簡圖Ugset為機端電壓設定值，Ugact為機端電壓實際值，Uk為控制電壓，Vs為勵磁電源電壓，T c為機端電壓采樣時間常數，TF為發(fā)電機勵磁電壓反饋時間常數，PI為比例-積分控制，TSCR、Tg分別為可控硅整流橋等效時間常數和發(fā)電機等效時間常數勵磁調節(jié)器手動控制原理

19、簡圖勵磁調節(jié)器手動控制原理簡圖Ifset和Ifact分別表示轉子電流的設定值和實際值,Uk為控制電壓，Vs為勵磁電源電壓，T c為機端電壓采樣時間常數，TF為發(fā)電機勵磁電壓反饋時間常數，PI為比例-積分控制，TSCR、Tg分別為可控硅整流橋等效時間常數和發(fā)電機等效時間常數勵磁調節(jié)器控制模型簡化勵磁調節(jié)器控制模型簡化AVR與各限制器關系與各限制器關系西門子勵磁調節(jié)器與各限制器關系西門子勵磁調節(jié)器與各限制器關系勵磁調節(jié)器三種控制模式結構勵磁調節(jié)器三種控制模式結構機組無功調節(jié)原理框圖 勵磁調節(jié)器硬件簡介勵磁調節(jié)器硬件簡介 勵磁調節(jié)器軟件簡介勵磁調節(jié)器軟件簡介軟件語言發(fā)展匯編語言C語言可編程語言列表語

20、言圖形語言組態(tài)語言技術（ABB UNITROL5000勵磁組態(tài)語言）待續(xù)三峽電廠陳小明Chen_第五部分發(fā)電機事故滅磁滅磁的主要目的滅磁的主要目的 在機組故障情況下斷開滅磁開關、導通滅磁回路(a,b,c,d 4)快速吸收轉子能量衡量發(fā)電機滅磁性能指標有兩個：滅磁速度和滅磁電壓。其要求是速度快即滅磁時間短，滅磁電壓不能超過轉子允許電壓值。最優(yōu)的滅磁系統(tǒng)是滅磁電壓較高且在滅磁過程中保持恒定，只有這樣，滅磁電流才能按線性方式衰減，其滅磁時間才最短。最優(yōu)的滅磁系統(tǒng)稱為理想滅磁系統(tǒng) 發(fā)電機發(fā)電機發(fā)電機出口開關發(fā)電機出口開關滅磁電阻滅磁電阻RE可控硅整流橋可控硅整流橋cdIf, Ufp.u.tt=0ba理

21、想滅磁理想滅磁、SIC滅磁滅磁、線性電阻滅磁、線性電阻滅磁滅磁開關的種類滅磁開關分類：滅磁開關分類：單斷口、雙斷口、單斷口、雙斷口、多斷口（主斷口、弧斷口、放電斷口多斷口（主斷口、弧斷口、放電斷口即常閉觸頭）即常閉觸頭）滅磁開關結構選擇1、具有常閉輔助斷口的滅磁開具有常閉輔助斷口的滅磁開關最適合放電滅磁方式，也是關最適合放電滅磁方式，也是專用滅磁開關的標志；專用滅磁開關的標志；2、雙斷口滅磁開關比單斷口滅雙斷口滅磁開關比單斷口滅磁開關更加適合勵磁回路的應磁開關更加適合勵磁回路的應用，檢修試驗方便；用，檢修試驗方便；3、設置專用的弧觸頭有利于保設置專用的弧觸頭有利于保護主觸頭，維護工作量少；護主

22、觸頭，維護工作量少；4、采用短電弧柵滅弧原理，即采用短電弧柵滅弧原理，即采用金屬滅弧柵滅弧罩，吸熱采用金屬滅弧柵滅弧罩，吸熱好，電弧穩(wěn)定；電磁吹弧簡單好，電弧穩(wěn)定；電磁吹弧簡單DMX和和CEX滅磁滅磁開關結構開關結構最好、是最好、是專業(yè)滅磁專業(yè)滅磁開關，推開關，推薦使用薦使用滅磁電阻的種類v線性電阻線性電阻1（大功率）（慢）（大功率）（慢）v非線性電阻（低場強大電流非線性電阻（低場強大電流）碳化硅滅磁電阻碳化硅滅磁電阻2 （SiC） （稍快）（稍快）氧化鋅滅磁電阻氧化鋅滅磁電阻3 （ZnO）（最快）（最快）滅磁電阻伏安特性曲線滅磁電阻伏安特性曲線滅磁方式種類串聯滅串聯滅磁、并磁、并聯滅磁聯滅磁

23、電路原電路原理比較理比較LPUZ+-MK+ UK -IK-+ULRVLQILuIRVv滅磁換流公式vUk Uz ULv整流：Uk Uz UL ，Uk要求高，不推薦使用；v逆變：Uk Uz UL ，Uk要求低，直流滅磁推薦；v封脈沖： Uk Uz UL， Uz交變，交流滅磁推薦。a90Uz波形KA+KA-LBIAIBICMKAMKBMKCKB+KB-KC+KC-ULQILRV 滅磁換流公式：Uk Uz ULKA+KA-LBIAIBICMKAMKBMKCKB+KB-KC+KC-ULQILRV A-ABC-C-B導通周期12060滅磁過程簡述：1、KA+、KB+導通時分開關；2、MKB分斷； MKA

24、和MKC無法關斷，電弧燃燒；3、KB+不導通，KA+無法關斷；4、KA-導通、KC-被關斷；5、KA+和KA-導通，電流續(xù)流；6、 MKA 、MKC關斷。SCR關斷條件脈沖順序1 1、在交流滅磁過程中，如果能夠切除脈沖，、在交流滅磁過程中，如果能夠切除脈沖，勵磁變二次側交流電壓的負半波就會引導勵磁勵磁變二次側交流電壓的負半波就會引導勵磁電流進入滅磁電阻，使得電流進入滅磁電阻，使得交流滅磁開關安全分交流滅磁開關安全分斷斷，快速滅磁任務完成。，快速滅磁任務完成。2 2、在脈沖正常的條件下進行交流滅磁，會造、在脈沖正常的條件下進行交流滅磁，會造成勵磁電流經同相可控硅短路，盡管成勵磁電流經同相可控硅短

25、路，盡管交流滅磁交流滅磁開關也可以安全分斷開關也可以安全分斷，但滅磁電阻無法投入工，但滅磁電阻無法投入工作，放電滅磁變?yōu)槔m(xù)流滅磁，達不到快速滅磁作，放電滅磁變?yōu)槔m(xù)流滅磁，達不到快速滅磁的目的。的目的。滅磁命令逆變勵磁電流下降到零閉鎖脈沖逆變終止合S107跳S102跳S101中間繼電器1、轉子過電壓保護配置：非線性電阻、跨接器、阻容保護、一體化阻容保護、阻斷式阻容保護；2、跨接器原理接線、BOD元件原理；3、壓敏電阻、可控硅阻容保護等配置原則。轉子結構不同：空心與實心轉子結構不同：空心與實心滅磁要求就不同：快速與慢速滅磁要求就不同：快速與慢速轉子繞組：轉子繞組：勵磁繞組、阻尼繞組、勵磁繞組、阻尼

26、繞組、d繞組、繞組、q繞組繞組阻尼繞組作用阻尼繞組作用UgUgIfIfttt水輪機快速滅磁t汽輪機快速滅磁碳化硅與氧化鋅電阻滅磁波形區(qū)別碳化硅與氧化鋅電阻滅磁波形區(qū)別重要勵磁錄波圖重要勵磁錄波圖甩負荷甩負荷甩負荷滅磁甩負荷滅磁發(fā)電機三相突然短路發(fā)電機三相突然短路待續(xù)三峽電廠陳小明Chen_第六部分UNITROL5000瑞士瑞士ABB公司（上海公司（上海ABB、廣科院、東方電機廠）、廣科院、東方電機廠）EX2100美國美國GE公司（北京光耀、哈爾濱電機廠、公司（北京光耀、哈爾濱電機廠、南瑞電控、洪山電工、能達電氣）南瑞電控、洪山電工、能達電氣）南瑞電控大型勵磁系統(tǒng)FWL/B-600/800勵磁系統(tǒng)FWL/B-600/800勵磁框圖