1、发电机励磁系统原理演示文稿第一页，共八十四页。发电机励磁系统原理第二页，共八十四页。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=4.44fN对于发电机来说，励磁就是产生磁通第三页，共八十四页。GActive Power（P）Frequency（f）Reactive Power（Q）Terminal Voltage（Ug）Governor调速Static or BrushlessExcitation励磁同步发电机的两个基本控制：励磁&调速电能质量：电压&频率励磁的基本任务第四页，共八十四页。水轮发电厂原理大坝、水电厂、水轮机、发电机定子、转子、励磁系统水电厂其他
2、控制设备：继电保护、调速、计算机监控、仪表励磁与其他控制设备的最大区别：连续反馈控制 vs 离散控制；365 x 24小时在线、发电机快速连续调节的唯一手段！第五页，共八十四页。汽轮发电机调节原理第六页，共八十四页。发电机空载特性发电机升压试验：额定转速、Ugf（If）励磁作用重要体现之一第七页，共八十四页。发电机短路特性发电机升流试验：额定转速、Igf（If）励磁作用重要体现之二第八页，共八十四页。Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronous Machine RegulatorExciterSynchronousMachinePo
3、werSystemBlockdiagramm according IEEE 励磁系统励磁控制系统励磁重要概念第九页，共八十四页。GeneratorU , If fU , IE EVoltage RegulatorAVR110 V DC400 V ACPotential TransformersCurrent TransformersOutput of Excitation SystemMain Exciter自并励励磁系统For Example励磁机励磁与自并励IGBT第十页，共八十四页。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
4、励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统励磁控制系统对电力系统的安全、稳定、经济运行都有重要的影响待续第十一页，共八十四页。发电机励磁系统原理三峡电厂陈小明第二部分第十二页，共八十四页。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十三页，共八十四页。开关励磁原理AC变DCDC变AC非相控电路不需要同步小功率小励磁第十四页，共八十四页。开关励磁原理示意第十五页，共八十四页。可控硅励磁原理三相全控桥电路=00:
5、强励状态，AC变DC=0:整流状态，AC变DC=1500:逆变状态，DC变AC第十六页，共八十四页。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Uf0If非线性衰减灭磁慢续流二极管第十七页，共八十四页。可控硅组件与整流柜第十八页，共八十四页。三相全控桥电路要点SCR导通顺序：整流状态交流变直流，能量供给00a0逆变状态直流变交流，能量反送900a1500 (1800-0)Ud0Ud=1.35U2cosaI20.816Id第十九页，共八十四页。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
6、覆实际电路器件介绍：快熔、阻容、分流器、表记、均流、开关、脉冲变等第二十页，共八十四页。同步发电机励磁的作用从发电厂角度研究励磁调节发电机电压（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）安全可靠运行从电力系统角度研究励磁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）改善系统的电压稳定性二次电压控制安全可靠运行。第二十一页，共八十四页。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
7、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）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 第二十二页，共八十四页。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
8、，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）；2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到dehg （增大减速面积）；转子功角最大值由m降到m。 励磁顶值电压越高，电压响应比越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。第二十三页，共八十四页。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 当发电机与系统的外接电抗较小，并且发电机的输出功率较低时，系数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
9、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；快速励磁系统以及特定参数条件下造成动态稳定性恶化的原因是由于励磁系统和发电机励磁绕组的滞后特性所致。第二十四页，共八十四页。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、频率稳定、功角稳定。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；暂态稳定是大扰动后系统在随后的12个周波的稳定性；动态稳定是小扰动后或者是大扰动12周波后的，并且采取技术措施后的稳定性，也就是PSS研究的稳定性。第二十五页，共八
10、十四页。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。如果这个腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时
11、间就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加腕和球的摩擦系数，使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。待续第二十六页，共八十四页。发电机励磁系统原理三峡电厂陈小明第三部分第二十七页，共八十
12、四页。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二十八页，共八十四页。 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
13、系振荡同轴第二十九页，共八十四页。交流励磁机系统（二机它励）组成：交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；AVR控制可控硅的触发角，调整其输出电流，亦称为两机它励励磁系统。励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统。 优点：取消副励磁机，轴系长度缩短；缺点：调节速度慢同轴第三十页，共八十四页。 自励系统（并励、复励）自并励励磁系统组成：励磁变压器、大功率可控硅整流柜、灭磁及过电压保护、起励设备、自动电压调节器
14、优点：结构简单、响应速度快缺点：强励时系统电压变化复杂交流侧串联自复激励磁系统励磁电压变压器ZB（并联变）的副方电压与励磁电流变压器 GLH（串联变）的副方电压相联（相量相加），然后加在可控硅整流桥KZ上。当发电机负载情况变化时，例如电流增大或功率数降低，则加到可控硅整流桥上的阳极电压增大，故这种励磁方式具有相复励作用。静止第三十一页，共八十四页。 无刷励磁系统 组成：主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。无刷励磁系统中的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢
15、旋转的交流发电机。无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题旋转第三十二页，共八十四页。 励磁调节器原理图 移相触发器原理：UtUk触发脉冲 模拟式移相电路：余弦移相、锯齿波移相 AVR（自动） 恒电压闭环自动电压调节器 ECR（手动） 恒电流闭环励磁电流调节器 电压给定Ugref 电流给定Ifref PID调节计算 限制功能 控制电压Uk 恒无功闭环：AVR的辅助控制第三十三页，共八十四页。 励磁调节器构成
16、第三十四页，共八十四页。 移相原理模拟电路移相原理 数字移相原理之一1、首先计算角；2、将角转换为计数器的计数时间T；3、由同步点启动计数器，计数时间就是角；4、计数时间到，触发相应的可控硅；5、每隔600再触发下一个可控硅，共6个可控硅；6、每发一个脉冲，启动脉宽中断，控制脉冲宽度。第三十五页，共八十四页。 励磁调节器输出脉冲脉冲变压器作用隔离功率匹配脉冲发展形式宽脉冲双脉冲宽高频脉冲双高频脉冲第三十六页，共八十四页。 励磁调节器功能简介无功补偿（调差）强励电流限制（快速限制）过励限制（励磁电流慢速、反时限）欠励限制（P-Q）定子电流限制（过无功限制）伏赫限制（V/HZ、U/F）（过激磁）软
17、起励功能PSS功能电制动功能PT断线保护第三十七页，共八十四页。 励磁调差原理与应用第三十八页，共八十四页。全控桥强励与强减按照Ud=1.35U2cosa，一般强励=150 ；强减=1500 第三十九页，共八十四页。 强励限制与过励限制1、电压强励能力取决于励磁变二次电压（阳极电压）；2、电流强励能力取决于可控硅电流或者说是功率柜的数量；3、强励限制是指电流限制倍数：倍；功率柜故障取1.1倍；4、过励限制是励磁电流限制，大于1.1倍，反时限，励磁电流闭环；第四十页，共八十四页。 欠励限制欠励动作后按照Q闭环运行，欠励设定值与机端电压值相关的设计 发电机进相不能太深，否则定子绕组的端部、磁轭等部
18、件可能过热，将严重影响发电机的运行安全，失磁保护将动作停机。为了保证机组的稳定运行，低励限制器必须在机组超过限制区之前将定子电压升高，以使机组运行点回到允许的允许范围之内。 第四十一页，共八十四页。定子电流限制（过无功限制、过励限制）定子电流限制还可以采用根据发电机输出的有功功率来确定发电机允许输出无功功率的方式来实现，即过无功限制当发电机电流超过了限制区，如果此时机组运行在进相状态，则限制器动作，增加励磁电流；如果此时机组在迟相运行，则限制动作，减少励磁电流。总之，定子电流限制器的作用是调节发电机定子电流中的无功分量，使发电机电流回到限制区以内运行。第四十二页，共八十四页。伏赫限制以及其他辅
19、助功能设计U/F限制器是为了保护机组及与机组相连的变压器过激磁。当机组频率降低的时候，为了使机组的机端电压保持恒定，励磁系统将会增加励磁电流，此时，如果机组在低频率的情况下使机端电压保持在额定值，那么对机组及所有与机组相连的变压器而言，将有可能出现过磁通现象（尤其是主变压器），从而对机组及变压器造成损坏。 其他辅助控制功能1、 PT断线保护功能；2、软起励功能；3、主开关容错功能；4、同步电压断线保护第四十三页，共八十四页。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
20、持Ug恒定的同时，会产生负的阻尼作用。 扰动前后：P 1 摆动 阻尼 2 稳定传统励磁：低增益慢速（没有能力管闲事） Ug AVR作用小、反应慢 Uf小 If小 P（力矩象限不明） 对影响极小。现代励磁：高增益快速（管闲事帮倒忙） Ug AVR作用大、反应快 Uf大 If大 P（力矩第二象限） 产生负阻尼使原来的阻尼变小，对负面影响。AVR+PSS:高增益快速+附加控制系统（管闲事帮正忙） Ug AVR作用大、反应快 Uf大 If大， P（力矩第一象限） 产生正阻尼使原来的阻尼变大，对正面影响。第四十四页，共八十四页。电力系统低频振荡本机振荡模式地区性振荡模式（local model）：频率一
21、般在0.52.0Hz；区域间振荡模式（interarea model、tieline model）：频率一般在0.10.5Hz）。小系统： 0.52.5Hz；大系统： 0.22.5Hz；全国联网： 0.12.0Hz； 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(Power system stabilizer)，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。第四十五页，共八十四页。电力系统稳定器原理 建立平面坐标系T1：励磁产生的电磁力矩T2：PSS产
22、生的电磁力矩PSS:附加励磁控制信号AVR(PID)PSS产生的电磁力矩 PSS输入信号、Pe、P、f测量轴转速，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P，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P，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，克服了测量处理上的困难，但由于发电机电抗的影响，f与频差不完全一致，因而效果上稍差。第四十六页，共八十四页。PSS模型简介输入量、优缺点、反调加速电功率型PSSPSS1APSS2APSS2B第四十七页，共八十四页。投退PSS负载阶跃试验
23、录波时域分析待续第四十八页，共八十四页。发电机励磁系统原理三峡电厂陈小明第四部分第四十九页，共八十四页。励磁调节器自动控制原理简图Ugset为机端电压设定值，Ugact为机端电压实际值，Uk为控制电压，Vs为励磁电源电压，T c为机端电压采样时间常数，TF为发电机励磁电压反馈时间常数，PI为比例-积分控制，TSCR、Tg分别为可控硅整流桥等效时间常数和发电机等效时间常数第五十页，共八十四页。励磁调节器手动控制原理简图Ifset和Ifact分别表示转子电流的设定值和实际值,Uk为控制电压，Vs为励磁电源电压，T c为机端电压采样时间常数，TF为发电机励磁电压反馈时间常数，PI为比例-积分控制，T
24、SCR、Tg分别为可控硅整流桥等效时间常数和发电机等效时间常数第五十一页，共八十四页。励磁调节器控制模型简化第五十二页，共八十四页。AVR与各限制器关系VREF设定值、VC测量值、VS PSS输出、VUEL欠励、VOEL过励、IFD励磁电流、VF励磁电压、比较门、PID第五十三页，共八十四页。西门子励磁调节器与各限制器关系第五十四页，共八十四页。励磁调节器三种控制模式结构第五十五页，共八十四页。机组无功调节原理框图自动电压调节AVC机组无功联控模式（自动）机组无功单控模式（手动）机组现地监控装置CSCS1、设定值直接下达；2、监控无功闭环，采用脉冲宽度调节。第五十六页，共八十四页。 励磁调节器
25、硬件简介MEC20/30硬件简介（多通道、双调节模式）STD双/三工控机：CPU+A/D+D/A+I/O+测量板同步板显示板自检板通讯板(双机、调试）测量回路：Ug、Ig、If、Uf、Ut，测量变压器、衰减器电源回路：ACDC继电器板：输入输出第五十七页，共八十四页。 励磁调节器软件简介软件语言发展汇编语言C语言可编程语言列表语言图形语言组态语言技术（ABB UNITROL5000励磁组态语言）待续第五十八页，共八十四页。发电机励磁系统原理三峡电厂陈小明第五部分第五十九页，共八十四页。发电机事故灭磁灭磁的主要目的 在机组故障情况下断开灭磁开关、导通灭磁回路(a,b,c,d 4)快速吸收转子能量
26、衡量发电机灭磁性能指标有两个：灭磁速度和灭磁电压。其要求是速度快即灭磁时间短，灭磁电压不能超过转子允许电压值。最优的灭磁系统是灭磁电压较高且在灭磁过程中保持恒定，只有这样，灭磁电流才能按线性方式衰减，其灭磁时间才最短。最优的灭磁系统称为理想灭磁系统 发电机发电机出口开关灭磁电阻RE可控硅整流桥cdIf, Ufp.u.tt=0ba理想灭磁、SIC灭磁、线性电阻灭磁第六十页，共八十四页。灭磁开关的种类灭磁开关分类：单断口、双断口、多断口（主断口、弧断口、放电断口即常闭触头）第六十一页，共八十四页。灭磁开关结构选择1、具有常闭辅助断口的灭磁开关最适合放电灭磁方式，也是专用灭磁开关的标志；2、双断口灭
27、磁开关比单断口灭磁开关更加适合励磁回路的应用，检修试验方便；3、设置专用的弧触头有利于保护主触头，维护工作量少；4、采用短电弧栅灭弧原理，即采用金属灭弧栅灭弧罩，吸热好，电弧稳定；电磁吹弧简单DMX和CEX灭磁开关结构最好、是专业灭磁开关，推荐使用第六十二页，共八十四页。灭磁电阻的种类线性电阻1（大功率）（慢）非线性电阻（低场强大电流）碳化硅灭磁电阻2 （SiC） （稍快）氧化锌灭磁电阻3 （ZnO）（最快）灭磁电阻伏安特性曲线第六十三页，共八十四页。灭磁方式种类串联灭磁、并联灭磁电路原理比较第六十四页，共八十四页。直流灭磁原理分析灭磁换流公式Uk Uz UL整流：Uk Uz UL ，Uk要求
28、高，不推荐使用；逆变：Uk Uz UL ，Uk要求低，直流灭磁推荐；封脉冲： Uk Uz UL， Uz交变，交流灭磁推荐。a90Uz波形第六十五页，共八十四页。封脉冲下的交流灭磁原理灭磁换流公式：Uk Uz UL第六十六页，共八十四页。脉冲正常下交流灭磁原理A-ABC-C-B导通周期12060灭磁过程简述：1、KA+、KB+导通时分开关；2、MKB分断； MKA和MKC无法关断，电弧燃烧；3、KB+不导通，KA+无法关断；4、KA-导通、KC-被关断；5、KA+和KA-导通，电流续流；6、 MKA 、MKC关断。SCR关断条件脉冲顺序第六十七页，共八十四页。交流灭磁原理结论1、在交流灭磁过程中
29、，如果能够切除脉冲，励磁变二次侧交流电压的负半波就会引导励磁电流进入灭磁电阻，使得交流灭磁开关安全分断，快速灭磁任务完成。2、在脉冲正常的条件下进行交流灭磁，会造成励磁电流经同相可控硅短路，尽管交流灭磁开关也可以安全分断，但灭磁电阻无法投入工作，放电灭磁变为续流灭磁，达不到快速灭磁的目的。第六十八页，共八十四页。交直流灭磁与转子过电压保护电路灭磁命令逆变励磁电流下降到零闭锁脉冲逆变终止合S107跳S102跳S101中间继电器第六十九页，共八十四页。转子过电压保护配置与跨接器原理1、转子过电压保护配置：非线性电阻、跨接器、阻容保护、一体化阻容保护、阻断式阻容保护；2、跨接器原理接线、BOD元件原
30、理；3、压敏电阻、可控硅阻容保护等配置原则。第七十页，共八十四页。交直流灭磁电压波形实录第七十一页，共八十四页。水轮发电机与汽轮机灭磁区别转子结构不同：空心与实心灭磁要求就不同：快速与慢速转子绕组：励磁绕组、阻尼绕组、d绕组、q绕组阻尼绕组作用UgUgIfIfttt水轮机快速灭磁t汽轮机快速灭磁第七十二页，共八十四页。碳化硅与氧化锌电阻灭磁波形区别第七十三页，共八十四页。重要励磁录波图甩负荷甩负荷灭磁发电机三相突然短路待续第七十四页，共八十四页。发电机励磁系统原理三峡电厂陈小明第六部分第七十五页，共八十四页。UNITROL5000瑞士ABB公司（上海ABB、广科院、东方电机厂）第七十六页，共八
31、十四页。EX2100美国GE公司（北京光耀、哈尔滨电机厂、南瑞电控、洪山电工、能达电气）第七十七页，共八十四页。南瑞电控大型励磁系统FWL/B-600/800励磁系统第七十八页，共八十四页。FWL/B-600/800励磁框图第七十九页，共八十四页。广科院大型励磁系统EXC-9000励磁系统第八十页，共八十四页。EXC-9000励磁框图第八十一页，共八十四页。调 辅助 直流灭磁 灭磁 制动节 控制 整流柜（功率柜） 开关柜 电阻柜 整流器 柜 S101 S106+S107 柜三峡电厂左岸励磁系统不完全柔性制动系统THYRIPOL第八十二页，共八十四页。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） S101 S106+S107 三峡电厂右岸励磁系统完全柔性制动系统THYRIPOL第八十三页，共八十四页。三峡左岸励磁系统主接线第八十四页，共八十四页。
