圖解發(fā)電機勵磁原理講課教案

發(fā)電機勵磁(lìcí)系統(tǒng)原理（1）第一頁，共42頁。水輪發(fā)電廠原理(yuánlǐ)大壩、水電廠、水輪機、發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)、勵磁系統(tǒng)第二頁，共42頁。水輪發(fā)電廠轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)n=60f/P勵磁繞組(ràozǔ)（d軸）阻尼繞組(ràozǔ)（d軸、q軸）第三頁，共42頁。勵磁(lìcí)的基本概念什么是勵磁？導(dǎo)體切割磁力線感生(ɡǎnshēnɡ)電動勢e勵磁就是提供一個磁場BE=4.44fNΦ對于(duìyú)發(fā)電機來說，勵磁就是產(chǎn)生磁通Φ4.44:有效值系數(shù)F:勵磁條件與影響N:機端電壓影響Φ:與勵磁電流關(guān)系第四頁，共42頁。GFrequency（f）

ActivePower（P）Reactive

Power（Q）TerminalVoltage（Ug）Governor調(diào)速Excitation勵磁(lìcí)功角含義（電氣(diànqì)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（機組小于系統(tǒng)）勵磁的基本(jīběn)任務(wù)功角δ第五頁，共42頁。

ExcitationSystemExcitationControlSystemSynchronousMachineRegulatorExciterSynchronousMachinePowerSystemBlockdiagrammaccordingIEEE

勵磁(lìcí)系統(tǒng)勵磁(lìcí)控制系統(tǒng)勵磁重要(zhòngyào)概念第六頁，共42頁。

現(xiàn)在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用單軸直流電勵磁；發(fā)電機勵磁系統(tǒng)科研主要(zhǔyào)內(nèi)容：雙軸勵磁；交流勵磁；勵磁(lìcí)系統(tǒng)新科技第七頁，共42頁。

現(xiàn)在勵磁控制系統(tǒng)規(guī)律大多(dàduō)采用傳統(tǒng)經(jīng)典控制理論：PID+PSS勵磁控制系統(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)）。勵磁(lìcí)控制系統(tǒng)新科技電力系統(tǒng)(diànlìxìtǒnɡ)勵磁控制發(fā)展過程：PID控制；PSS控制線性最優(yōu)控制LO－PSS（LinearOptimalControl）非線性最優(yōu)控制NO－PSS（NonlinearOptimalControl）非線性魯棒控制NR－PSS（NonlinearRobustControl）

第八頁，共42頁。PID勵磁控制(kòngzhì)理念KΔVG控制(kòngzhì)20ΔVG如K=100第九頁，共42頁。GeneratorU,If

fU,IEEVoltageRegulatorAVR110VDC400VACPotential

TransformersCurrentTransformersOutputofExcitationSystem<MainExciter自并勵勵磁(lìcí)系統(tǒng)ForExample勵磁機他勵與自并勵I(lǐng)GBT他勵：勵磁(lìcí)電源取自勵磁(lìcí)機或廠用電等；自勵：勵磁(lìcí)電源取自發(fā)電機本身，可靠性高，但需采取措施保證強勵能力。第十頁，共42頁。勵磁(lìcí)系統(tǒng)的組成與分類自動電壓調(diào)節(jié)器AVR、ECR/FCR（勵磁調(diào)節(jié)器）勵磁電源（勵磁機、勵磁變壓器）整流器（AC/DC變換，SCR、二極管）滅磁與轉(zhuǎn)子過電壓保護 按勵磁電源分類：直流勵磁機勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)交流勵磁機勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)無刷勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)按響應(yīng)速度分類：慢速勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)快速勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)高起始勵磁系統(tǒng)(xìtǒng)第十一頁，共42頁。調(diào)輔助整流柜（功率柜）直流滅磁滅磁節(jié)控制制動(zhìdònɡ)整流柜開關(guān)柜電阻柜器柜（柔性制動(zhìdònɡ)）S101S106+S107三峽電廠右岸勵磁(lìcí)系統(tǒng)完全柔性制動(zhìdònɡ)系統(tǒng)THYRIPOL第十二頁，共42頁。直流勵磁機系統(tǒng)(xìtǒng)（開關(guān)勵磁）同軸開關(guān)式勵磁調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(yōudiǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，且勵磁電源可靠，不受電力系統(tǒng)電壓波動的影響。另外，不存在可控整流橋的觸發(fā)同步問題，控制簡便，運行可靠性高。第十三頁，共42頁。交流(jiāoliú)勵磁機系統(tǒng)（三機它勵）組成：交流主勵磁機（ACL）和交流副勵磁機（ACFL）都與發(fā)電機同軸。副勵磁機是自勵式的，其磁場繞組由副勵磁機機端電壓經(jīng)整流后供電。也有用永磁發(fā)電機作副勵磁機的，亦稱三機它勵勵磁系統(tǒng)。優(yōu)點：它勵，勵磁電源不受系統(tǒng)電源的影響缺點：調(diào)節(jié)速度慢，軸系長度(chángdù)長，易引發(fā)軸系振蕩同軸第十四頁，共42頁。自幷勵靜止(jìngzhǐ)第十五頁，共42頁。有刷勵磁(lìcí)靜止(jìngzhǐ)第十六頁，共42頁。無刷勵磁(lìcí)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)第十七頁，共42頁。自并勵磁(lìcí)系統(tǒng)勵磁裝置就是提供發(fā)電機磁場電流的裝置，包括所有(suǒyǒu)調(diào)節(jié)與控制元件，還有磁場放電或滅磁裝置及保護裝置勵磁控制系統(tǒng)是包括控制對象的反饋控制系統(tǒng)整流器輸入開關(guān)的定義：滅磁開關(guān)&隔離開關(guān)：按是否投滅磁電阻而定第十八頁，共42頁?，F(xiàn)代勵磁(lìcí)基礎(chǔ)同軸直流發(fā)電機（體積大、效率低、容量?。╇娏﹄娮悠骷憾O管、晶閘管（可控硅）、IGBT等PN結(jié)、單相導(dǎo)通特性、可控硅伏安特性可控硅導(dǎo)通條件：正向(zhènɡxiànɡ)電壓、正向(zhènɡxiànɡ)脈沖可控硅關(guān)斷條件：反向電壓同步電壓、觸發(fā)脈沖、脈寬調(diào)制開關(guān)(kāiguān)勵磁第十九頁，共42頁?？煽毓鑴畲?lìcí)原理三相全控橋電路

α=00:強勵狀態(tài)，AC變DC

α=α0:整流(zhěngliú)狀態(tài)，AC變DC

α=1500:逆變狀態(tài)，DC變AC第二十頁，共42頁。全控橋與半控橋全控橋：

整流與逆變

整流特征相同

能夠逆變也能續(xù)流

Uf反相(fǎnxiānɡ)恒定

If線性衰減

滅磁快

半控橋：

整流與續(xù)流

整流特征相同

不能逆變只能續(xù)流

Uf＝0

If非線性衰減

滅磁慢

續(xù)流二極管第二十一頁，共42頁。三相全控橋電路(diànlù)要點SCR導(dǎo)通順序：1234561234561234……整流狀態(tài)交流變直流，能量(néngliàng)供給00<a<900Ud>0逆變狀態(tài)直流變交流，能量(néngliàng)反送900<a<1500(1800-0)Ud<0Ud=1.35U2cosaI2＝0.816Id第二十二頁，共42頁。三相(sānxiānɡ)全控橋?qū)嶋H電路波形因電感引起(yǐnqǐ)換弧角帶來的過電壓尖峰，逆變顛覆實際(shíjì)電路器件介紹：快熔、阻容、分流器、表記、均流、開關(guān)、脈沖變等第二十三頁，共42頁。同步發(fā)電機勵磁(lìcí)的作用從發(fā)電廠角度學(xué)習勵磁（勵磁技術(shù)(jìshù)初級）調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓（空載）調(diào)節(jié)發(fā)電機無功功率（負載）多臺發(fā)電機無功功率分配（調(diào)差）安全可靠運行（關(guān)鍵）從電力系統(tǒng)角度研究勵磁（勵磁技術(shù)(jìshù)高級）提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性（小擾動穩(wěn)定）提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性（小擾動失穩(wěn)）提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性（大擾動穩(wěn)定）勵磁是發(fā)電機勵磁，也是系統(tǒng)(xìtǒng)的勵磁，但更重要的還是發(fā)電機勵磁第二十四頁，共42頁。勵磁(lìcí)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)1、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的最基本和最主要的任務(wù)是維持發(fā)電機電壓在給定水平上1.1、第一，保證電力系統(tǒng)運行設(shè)備的安全。1.2、第二，保證發(fā)電機運行的經(jīng)濟性1.3、第三，提高維持發(fā)電機電壓能力的要求和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求在許多方面是一致的。2、同步電機勵磁系控制統(tǒng)的重要任務(wù)是提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性盡管勵磁控制系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且也是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定的措施中，最為簡單、經(jīng)濟而有效的措施。但是，穩(wěn)定問題還是各有重點，各有分工：靜穩(wěn)由自動(zìdòng)電壓調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行調(diào)度負責；暫穩(wěn)主要由繼電保護負責，動穩(wěn)主要由勵磁PSS負責。第二十五頁，共42頁。電力系統(tǒng)穩(wěn)定(wěndìng)簡介電力系統(tǒng)穩(wěn)定分為三個電量的穩(wěn)定：電壓穩(wěn)定（勵磁、無功平衡、電壓崩潰、人工干預(yù)：增加Q）頻率穩(wěn)定（調(diào)速、有功平衡、安穩(wěn)裝置切機、自動減載）功角穩(wěn)定（P、Q變化）。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(qícì)是提高功角穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定由調(diào)速器負責。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。靜態(tài)穩(wěn)定是系統(tǒng)受到小擾動后系統(tǒng)的穩(wěn)定性（不發(fā)生非周期性的振蕩）（穩(wěn)定余度好極限功率問題、安穩(wěn)切機問題）；暫態(tài)穩(wěn)定是大擾動后系統(tǒng)在隨后的1－2個周波的穩(wěn)定性；（周期性振蕩）（安穩(wěn)切機問題、繼電保護問題）；動態(tài)穩(wěn)定是微小擾動或者是大擾動1－2周波后（暫穩(wěn)后期），因自動調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生的穩(wěn)定性穩(wěn)定（勵磁PSS問題）。第二十六頁，共42頁。靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后,不發(fā)生非周期性失步，自動恢復(fù)到起始運行狀態(tài)的能力。穩(wěn)定導(dǎo)則還規(guī)定，在有防止事故擴大的相應(yīng)措施的情況下，水電廠送出線路或次要輸電線路下列情況下允許(yǔnxǔ)只按靜態(tài)穩(wěn)定儲備送電。暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大擾動后,各同步電機保持同步運行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。暫態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是電網(wǎng)遭受每一次大擾動后，引起電力系統(tǒng)各機組之間功角相對增大，在經(jīng)過第一或第二個振蕩周期不失步，作同步的衰減振蕩，系統(tǒng)中樞點電壓逐漸恢復(fù)。動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持長過程的運行穩(wěn)定性的能力。動態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是在受到小的或大的擾動后，在動態(tài)搖擺過程中發(fā)電機相對功角和輸電線路功率呈衰減振蕩狀態(tài)，電壓和頻率能恢復(fù)到允許(yǔnxǔ)的范圍內(nèi)。我國電力系統(tǒng)(diànlìxìtǒnɡ)穩(wěn)定導(dǎo)則定義第二十七頁，共42頁。勵磁(lìcí)對靜態(tài)穩(wěn)定的影響(a)Eq恒定(勵磁(lìcí)電流恒定)，內(nèi)功率特性曲線(Eq=常數(shù))（ECR）(b)當Eq恒定,Eq’及U的變化(c)

Eq’恒定(發(fā)電機暫態(tài)電勢恒定)(d)當Eq’恒定，Eq及U的變化(e)U恒定(發(fā)電機機端電壓恒定)(f)當U恒定，Eq及Eq’的變化(c)和(e)分別維持Eq’和U為恒定時，發(fā)電機的功角特性曲線（AVR）0.4、0.77和1.0維持Eq‘近似不變的外功率特性曲線靜態(tài)(jìngtài)穩(wěn)定功率達到極限，功角大于900第二十八頁，共42頁。靜穩(wěn)定(wěndìng)破壞舉例：華北電網(wǎng)大（同）－房（山）線靜穩(wěn)定(wěndìng)破壞事故1985年10月，大同電廠＃2機（額定有功200MW）通過220kV大房線向比較送電。因勵磁調(diào)節(jié)器自動通道有問題，發(fā)電機處于手動調(diào)節(jié)勵磁的狀態(tài)下運行。發(fā)電機于130MW狀態(tài)下已穩(wěn)定運行很長時間，發(fā)電機勵磁電流（轉(zhuǎn)子電流）約為1000A。當電廠運行人員根據(jù)調(diào)度要求把發(fā)電機有功出力增加到170MW后，發(fā)電機與系統(tǒng)失去同步，發(fā)電機失步保護動作后，由于種種原因，造成機組(jīzǔ)超速，汽輪機嚴重損壞而報廢。事故調(diào)查得知，運行人員在增加發(fā)電機的有功時（直到失步）沒有同時增加發(fā)電機的勵磁電流，事故后的仿真研究證明，（1）發(fā)電機為1000A時的靜穩(wěn)定極限就是170MW，（2）如果發(fā)電機是在自動勵磁調(diào)節(jié)的狀態(tài)下運行，其靜穩(wěn)定極限大于200MW，（3）即使發(fā)電機處于手動調(diào)節(jié)勵磁的狀態(tài)下運行，如果在增加有功出力的同時，運行人員能適當增加發(fā)電機的勵磁，也可以避免發(fā)電機與系統(tǒng)失步的事故發(fā)生。第二十九頁，共42頁。勵磁(lìcí)對暫態(tài)穩(wěn)定的影響(a)單機無限大母線(mǔxiàn)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(yīng)比；提高強勵電壓倍數(shù)，使故障切除后的發(fā)電機內(nèi)電勢Eq迅速上升，增加功率輸出(shūchū)，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）；δ2時故障切除；強勵使曲線2的dehg增加到de’h’g（增大減速面積）；轉(zhuǎn)子功角最大值由δm’降到δm。勵磁頂值電壓越高，電壓響應(yīng)越快，勵磁調(diào)節(jié)對改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。但負面影響越大。正確的思路是在不影響勵磁可靠性的基礎(chǔ)上強調(diào)勵磁強勵倍數(shù)。（水電2倍;國標2倍+80%=2.5;三峽2.5+80%=3.125;<1000V,OK）第三十頁，共42頁。勵磁對動態(tài)穩(wěn)定(wěndìng)的影響單機無窮大系統(tǒng)(xìtǒng)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.deMelloandC.Concordia.）發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程：ΔΡ、Δω、Δδ。K1主要是同步力矩環(huán)節(jié)(huánjié)；D轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)節(jié)(huánjié)；K4發(fā)電機去磁電樞反應(yīng)；K5勵磁正負阻尼系數(shù)；K2和K6主要是勵磁阻尼力矩環(huán)節(jié)(huánjié)。K5為正，這時AVR的作用是引入了一個負的同步轉(zhuǎn)矩和一個正的阻尼轉(zhuǎn)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(shù)K5為負，這時AVR的作用是引入了一個正的同步轉(zhuǎn)矩和一個負的阻尼轉(zhuǎn)矩不利于動態(tài)穩(wěn)定；第三十一頁，共42頁。功角穩(wěn)定(wěndìng)比喻腕中放置一個球，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(jīng)濟的辦法就是采用自動電壓調(diào)節(jié)器。當碗中的球受到一個大的外力，怎樣保證(bǎozhèng)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(diào)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少這個坡度，使這個球在碗中滾動幅度迅速減小。當腕和球之間的摩擦很小，這個球受到擾動后在碗中滾動幅度大且時間長。動穩(wěn)定影響到電力系統(tǒng)阻尼，就如同影響這個碗中的摩擦系數(shù)一樣，正阻尼就是增大摩擦系數(shù)，負阻尼減少摩擦系數(shù)。當這個球在滾動中，如果有一個外力在其上升時幫助其上升，在其下降時幫助其下降，這個球的滾動幅度就越滾越大，反之就越滾越小并最終停下來。PSS的作用就是增加阻尼。第三十二頁，共42頁。勵磁負阻尼(zǔní)比喻：蕩秋千在蕩秋千中，我們停止外力，秋千就會在摩擦系數(shù)的作用下慢慢停下；當我們外加(wàijiā)使秋千停下來的外力，它就會馬上停下；當我們外加(wàijiā)使這個秋千蕩起來的外力，它就越蕩越高。電力系統(tǒng)的動穩(wěn)就像蕩秋千一樣，勵磁負阻尼，就產(chǎn)生一個使秋千蕩起來的外力，勵磁正阻尼產(chǎn)生一個使秋千停下來的外力。比較這兩個外力，主要的問題就是作用在秋千上的時間不同，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的電感，勵磁對秋千所產(chǎn)生的外力總是滯后，正是這種滯后效應(yīng)造成勵磁負阻尼。如果我們用PSS的超前環(huán)節(jié)來校正這個滯后作用，勵磁的負阻尼就變?yōu)檎枘幔@就是PSS的原理。第三十三頁，共42頁。勵磁(lìcí)產(chǎn)生負阻尼的原因阻尼（正、零、負）VS慣性動態(tài)穩(wěn)定可以理解為機電振蕩的阻尼問題。AVR造成阻尼變?nèi)酢⑸踔磷冐摚↘5變負)。在—定的運行方式及勵磁系統(tǒng)參數(shù)下，AVR在維持Ug恒定的同時，會產(chǎn)生負的阻尼作用。擾動前后：ΔP→Δδ1→Δδ→擺動→阻尼→Δδ2→穩(wěn)定傳統(tǒng)勵磁：低增益慢速（沒有能力管閑事）Δδ→ΔUg→AVR作用小、反應(yīng)慢→ΔUf小→ΔIf小→Δ→ΔP（力矩(lìjǔ)象限不明）→對Δδ影響極小?，F(xiàn)代勵磁：高增益快速（管閑事幫倒忙）Δδ→ΔUg→AVR作用大、反應(yīng)快→ΔUf大→ΔIf大→Δ→ΔP（力矩(lìjǔ)第二象限）→產(chǎn)生負阻尼使原來的阻尼變小，對Δδ負面影響。AVR+PSS:高增益快速+附加控制系統(tǒng)（管閑事幫正忙）Δδ→ΔUg→AVR作用大、反應(yīng)快→ΔUf大→ΔIf大，Δ→ΔP（力矩(lìjǔ)第一象限）→產(chǎn)生正阻尼使原來的阻尼變大，對Δδ正面影響。第三十四頁，共42頁。電力系統(tǒng)(diànlìxìtǒnɡ)低頻振蕩本機振蕩(zhèndàng)模式地區(qū)性振蕩(zhèndàng)模式（localmodel）：頻率一般在0.5～2.0Hz；區(qū)域間振蕩(zhèndàng)模式（interareamodel、tielinemodel）：頻率一般在0.1～0.5Hz）。小系統(tǒng)：0.5～2.5Hz；大系統(tǒng)：0.2～2.5Hz；全國聯(lián)網(wǎng)：0.1～2.0Hz；解決勵磁產(chǎn)生負阻尼，造成系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的方法是附加控制(kòngzhì)，即電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，線性最優(yōu)勵磁控制(kòngzhì)器，各種智能控制(kòngzhì)器。依據(jù)F.D.迪米洛和C.康柯迪亞理論設(shè)計的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Powersystemstabilizer)，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(shè)置的。第三十五頁，共42頁。電力系統(tǒng)(diànlìxìtǒnɡ)穩(wěn)定器原理建立(jiànlì)δ－ω平面坐標系T1：勵磁產(chǎn)生的電磁力矩T2：PSS產(chǎn)生的電磁力矩ΔPSS:附加勵磁控制信號AVR(PID)＋PSS產(chǎn)生的電磁力矩PSS輸入信號Δω、Δδ、Pe、ΔP、Δf測量軸轉(zhuǎn)速Δω，測量和處理比較復(fù)雜,軸系扭轉(zhuǎn)的處理更加困難，使用較少測量過剩功率ΔP，測量和處理更加復(fù)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ΔP，使用廣泛，效果不錯。但在原動機功率變化時會出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象。測量機端電壓頻率△f，克服了Δω測量處理上的困難，但由于發(fā)電機電抗的影響，△f與頻差Δω不