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2-励磁原理_图文

励磁系统原理
二零一四年十一月 国电南瑞科技股份有限公司

I II III IV

发电机励磁系统的作用 发电机励磁系统的分类 发电机励磁系统的组成 发电机励磁系统的算法

什么是励磁系统
z 物理学

什 么 是 励 磁 系 统 ?

导体在磁场中运动,切割磁力线,在 导体中就会产生电流。e=Blv
z 发电机原理

励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁 场,原动机拖动转子以转速n旋转时, 其磁场切割定子绕组而感应交流电动 势E0。
z 励磁系统

就是提供发电机磁场电流的装置(包 括励磁变压器、调节与控制元件、灭 磁装置、起励装置、保护装置等)。

发电机励磁系统的作用

维持发电机或其他控制点电压在给定水平-控制电压

硬 作 硬 件 硬 用 件 技 件 分 技 术 技 类 术 术

控制并联运行机组无功功率的合理分配—分配无功 什么是励磁系统?

提高电力系统的稳定性—提高稳定性

发电机励磁系统的作用1
1、意义:

控 制硬 硬 电件 件 压技 术 技 术

1 2 3

保证电力系统运行设备的安全。 保证发电机运行的经济性。 控制电压和提高稳定的要求在许多方面是一致的。

发电机励磁系统的作用1
2、发电机单机带负荷时的电压控制 . U
流经转子的励磁电流If在同步发电机内 建立磁场,使定子绕阻产生空载感应电动势 .
If
EF

G

UG IG

..

负 荷

控 制 电 压

Eq,Eq与If成正比。

单机带负荷运行原理图
xd Eq

.

式中:IQ-定子电流的无功分量 ? ? If不变时,UG变化主要由IQ变化引起 IQ不变时,调节励磁电流If可以改变Eq, 进而可以改变UG,
φ

UG

.
Eq
φ

.

等值电路

.
δG

IP

.

UG

.

j IQ xd

.

. 向量图 . I IQ G

发电机励磁系统的作用1
3、发电机并网运行:
z 系统电压水平决定于无功电源发出与无功负荷消耗的无功功率平衡 关系

控 制 电 压

z 并网运行时的单机容量相对有限, 改变一台发电机的If对系统电压 水平的影响不像单机带负荷运行时的影响那么大,且电力系统的容 量越大,这种特征越明显。 z 当系统容量无穷大时,系统电压恒定,改变一台发电机的If对系统 电压水平没有影响,发电机励磁系统不再有调节发电机电压的作用 ,实际上,无穷大电力系统是不存在的,UG将随无功负荷变化。

发电机励磁系统的作用2
z 输入的机械功率

输出的有功,励磁电流

输出的无功。

z 为保证系统的电压质量和无功潮流合理分布,要求合理控制系统中并

联运行发电机输出的无功功率。

合 理 分 配 无 功

z 所谓“合理控制”包含两层意思:

①每台发电机发出的无功功率数量要合理; ②当系统电压变化时,每台发电机输出的无功功率要随之自动调节, 而且调节量要合理。
z 各并联发电机间承担的无功功率取决于各发电机的调差特性—可改变

发电机外特性曲线斜率δ的大小和正负. 发电机母线电压变化时,发电机外特性曲线的斜率决定发电机发出的 无功功率变化的大小。

发电机励磁系统的作用2
z 通常我们希望发电机间的无功电流按照机组容量大小成正比分配 ,使得母线电压波动时,各机组无功增量的标幺值相等。通过对

合 理 分 配 无 功

调差系数的调节,可实现这一目的。 z 发电机电压调差率 在调差单元投入、电压给定值固定、功率因数为零的情况下,发 电机无功电流从零变化到额定时发电机端电压变化率。 调差率: D(%)=[(Ug0-Ug)/Ug]×100%

式中 Ug0 ---发电机无功电流等于零时的电压 Ug ---发电机无功电流等于额定无功电流时的电压

发电机励磁系统的作用2
调差的设置: ? 发变组单元高压侧并联:

合 理 分 配 无 功

变压器电抗调差(正调差)+ 发电 机调差(负调差) 长输电线路调差(正调差)+ 发电 机调差(负调差)—(坑口电站) ? 两机一变扩大单元接线: 发电机正调差,调差率较大

发电机励磁系统的作用3
z 静态稳定性(小而缓慢) 实质是运行点的稳定性。灵敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

电压的恒定,相当于补偿了全部发电机的d轴同步电抗,即达到线路静稳功 率极限。 z 暂态稳定性(大而突然) 表现在强励和快速励磁上——减少加速面积,增加减速面积。 z 动态稳定性 按电压偏差调节的比例式快速励磁会造成系统机电震荡阻尼变弱甚至 变负,容易导致低频振荡。 解决方法:PSS或者现代控制理论的励磁控制器

发电机励磁系统的作用3

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

简单电力系统及其等值电路

发电机输出电磁功率:

发电机功角向量图

发电机励磁系统的作用3
? 电力系统静态稳定性 (Steady Stability) 电力系统静态稳定性是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期 性的失步,自动恢复到起始运行状态的能力。 ? 判据:发电机输出电磁功率对功角的微分dPe/dδ是否大于0 。

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

?

由于采用自动励磁调节,可 使发电机运行于δ大于90° 的区域(人工稳定区),静 态稳定运行的最大电磁功率 和最大功率角都有提高,也 就是提高了电力系统静态稳 定能力。

发电机励磁系统的作用3
? 电力系统暂态稳定性 (Transient Stability) 电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后,各同步发电机保 持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定方式的能力。通常指第一 或第二振荡周期不失步。 如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动,经过一个 机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的 稳态运行方式,则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。暂态稳定 性不仅与系统在扰动前的运行方式有关,而且与扰动的类型、地点 及持续时间有关。

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

?

发电机励磁系统的作用3
电力系统暂态稳定性的判据是等面积定则

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

判据: 图(a)减速面积=加速 面积,临界稳定。 图(b)减速面积>加速 面积,稳定。 图(c)减速面积<加速 面积,不稳定。

提高暂态稳定性的方法就要减 小加速面积或增大减速面积 ? 加快故障切除时间 ? 提高励磁系统励磁电压响应比 ? 提高强行励磁电压倍数

发电机励磁系统的作用3
提高暂态稳定性对于励磁系统而言,就是要提高励磁系统励

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

磁电压响应比和提高强行励磁电压倍数。

?

提高励磁系统励磁电压响应比 加快励磁系统电压响应时间,即从施加阶跃信号起,励磁

电压达到顶值电压与额定励磁电压差的95%的瞬间的时间。 ? 提高强行励磁电压倍数 提高励磁系统电压响应比,即由励磁系统电压响应曲线确 定的励磁系统输出电压的增量除以额定磁场电压。

发电机励磁系统的作用3
电力系统动态稳定性 (Dynamic Stability)

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后,不发生振幅不断 增长的振荡而失步的能力。 扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂态稳 定性),但可能由于自动调节装置的配置不合适或其他因素,后续的 振荡周期幅值不断增大并造成失步。动态稳定问题实际上是指系统 在受到小的或大的扰动后,在自动调节装置和自动控制装置的影响 下,保持长过程运行稳定性的能力。

发电机励磁系统的作用3
励磁控制系统对动态稳定的影响

提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性

电力系统的固有自然阻尼小,而使用快速励磁调节器或使用 自并激可控硅快速励磁系统,又削弱了系统阻尼,甚至使系统产 生负阻尼。为了抑制低频振荡,在励磁系统中加入了电力系统稳 定器(PSS)。 电力系统稳定器(PSS)的作用是:利用附加控制,产生附加 阻尼转矩,增加正阻尼抑制低频振荡。

I II III IV

发电机励磁系统的作用 发电机励磁系统的分类 发电机励磁系统的组成 发电机励磁系统的算法

励磁系统的基本分类
z

他励交流励磁机系统
三机他励励磁系统 两机他励励磁系统 两机一变励磁系统 无刷励磁系统

z z

自并励励磁系统(主流) 其它励磁系统
P棒励磁系统 直流励磁机励磁系统 谐波励磁系统

他励交流励磁机系统
三机他励励磁系统
FLQ ACFL ACL F CT

三 机 他 励

PT 自动恒 压装置 自动励磁调节器

交流主励磁机(ACL)和交流副励磁机(ACFL)都与发电机同轴。 副励磁机可以采用自励恒压式(磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后 供电),也可采用永磁发电机。

他励交流励磁机系统
两机他励励磁系统

两 机 他 励
自动恒 压装置

FLQ ACL F CT

PT

自动励磁 调节器

他励交流励磁机系统
两机一变励磁系统

两 机 一 变

FLQ ACL F

ZB CT

PT

自动励磁调节器

他励交流励磁机系统
静止整流器交流励磁机系 统需通过滑环、碳刷向转子提 供电流。随着巨型发电机组的 出现,转子电流若超过滑环允 许值,可能产生个别滑环过热 和冒火的现象。所以出现了无 刷励磁。 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,副励 磁机(PMG)是永磁式中频发 电机,与发电机同轴旋转。还 有一种无刷系统:主励磁机的 励磁电源是发电机出口电压经 励磁变来,是交流发电机。

无 刷 励 磁 系 统

他励交流励磁机系统

无 刷 励 磁 系 统

优点: 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。 缺点: 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。

他励交流励磁机系统

对其评价
评 价 交流他励系统总体说来具有励磁电压稳定,不受电 网影响的优点,但是相比自励系统响应仍然较慢,而且 维护复杂。

自并励励磁机系统
取消了励磁机,采用变压器作
KZ FLQ F CT

为交流励磁电源,励磁变接在发电
PT ZB

机出口或厂用母线上。目前常用一 台励磁变压器并联在机端,来提供 励磁电源,称为自并励方式。

自 动 励 磁 调 节 器

自 并 励

评价:自励系统尤其是自并励系统,结构简单,响应快速。但是长期以 来被认为在电力系统短路故障时尤其是三相短路时无法支撑起电网电 压—动模实验表明,在发电机端三相短路时,自励方式与他励方式的发 电机短路电流上升速度和最大值基本一致,只是在0.5s后两者差别才明 显起来。随着近年来随着封闭母线的大规模运用和控制理论的成熟,已 经成为主流励磁机型。
福安元器件

I II III IV

发电机励磁系统的作用 发电机励磁系统的分类 发电机励磁系统的组成 发电机励磁系统的算法

发电机励磁系统的基本配置

? ?

励磁变压器 可控硅整流桥 自动励磁调节器 起励装置 转子过电压保护与灭磁装置等

自 并 励

? ? ?

发电机励磁系统的基本配置
南瑞电气控制公司FWL/B型静止励磁系统的接线原理框图

自 并 励

发电机励磁系统的基本配置
励磁系统整体机柜

自 并 励

发电机励磁系统的基本配置
励磁变压器
励磁变为励磁系统提供励磁电源。励磁变压器可设置过电流保护、温 度保护,容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯保护。大多小容量励磁变

自 压器一般自己不设保护。变压器高压侧接线必须包含在发电机的差动保护 并 范围之内。 励 早期的励磁变压器一般都采用油浸式变压器。近年来,随着干式变压
器制造技术的进步及考虑防火、维护等因素的影响,一般采用环氧干式变 压器。对于大容量的励磁变压器,往往采用三个单相干式变压器组合而成 。励磁变压器的联接组别,通常采用Y/△-11组别。与普通配电变压器一样 ,励磁变压器的短路压降为4%~8%。

发电机励磁系统的基本配置
可控硅整流装置
自并激励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接法。这种接 法的优点是半导体元件承受的电压低,励磁变压器的利用率高。在自并激 励磁系统中多采用全控桥。

自 并 励

发电机转子为电感性负载: 整流状态:制角在0 °-90 °之间,产生正向电压与正向电流 逆变状态:控制角在90°-165°之间,产生负向电压与正向电流 负载变化 改变控制角 调整励磁电流 维持机端电压恒定。

大型机组多采用数个整流桥并联,支路数的选取为N+1原则。N为保 证发电机正常励磁的整流桥个数。当一个整流桥因故障退出时,不影响励 磁系统的正常励磁能力。

发电机励磁系统的基本配置
励磁控制装置
包括自动电压调节器和起励控制回路。 自动电压调节器:按偏差进行PID(比例、积分和微分)调节控制。 电压闭环调节:测量发电机机端电压,并与给定值进行比较,当机端

自 并 励

电压高于给定值时,增大可控硅的控制角,减小励磁电流,使发电机 机端电压回到设定值;当机端电压低于给定值时,减小可控硅的控制 角,增大励磁电流,维持发电机机端电压为设定值。 目前南瑞电控分公司已经投入运行的调节器主要有: SJ800(已停产) SAVR2000(已停产) NES5100 NES6100(主推)

发电机励磁系统的基本配置
灭磁及转子过电压保护装置
配置:磁场断路器、线性灭磁电阻、非线性电阻; 线性灭磁电阻:需要与磁场断路器常闭触头配合使用,而且还需要配置单

自 并 励

独的转子过电压保护装置。 非线性电阻:可以同时兼顾转子的过电压保护。 因此,非线性电阻灭磁方式在大型发电机组,特别是水轮发电机组中得到 了大量应用。 国内:高能氧化锌阀片使用较多 国外:碳化硅电阻使用较多。 目前国内一些大型机组也采用机械开关加碳化硅灭磁,如三峡、小湾、官 地。

发电机励磁系统的基本配置

三 机 他 励

发电机励磁系统的基本配置
他励交流励磁机静止硅整流器励磁方式,即交流三机励磁系统。在这 种励磁方式中配置有:静止二极管整流器,静止可控硅整流器,励磁调节 器,灭磁及过电压保护装置,手动励磁装置。对于这种励磁方式,调节发 电机的励磁是通过调整加到交流励磁机的励磁电压来实现的,这就造成了

三 机 他 励

交流励磁机励磁绕组的时滞,响应速度比自并励励磁系统慢些。为了加快 励磁系统的响应,通常交流励磁机采用100-250Hz的频率,以减小其励磁绕 组的电感及时间常数。 交流副励磁机多采用中频感应式同步发电机,频率一般为350~500HZ。 交流副励磁机结构简单,不需要励磁设备。但是,交流副励磁机输出电压 的特性较软;所以还可采用可控硅自励恒压方式,先借外部电源起励,当 建立起一定的电压后转为自励,并靠励磁调节器保持其端电压恒定。

I II III IV

发电机励磁系统的作用 发电机励磁系统的分类 发电机励磁系统的组成 发电机励磁系统的算法

PID调节及其算法
? 按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器, 是连续系统控制中 技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 ? 比例调节:可以减小控制系统惯性时间常数,但相对稳定性降低,而且

散 不能消除稳态误差; 热 ? 积分调节:可以消除稳态误差; 器
? 微分调节:可以提高控制系统的稳定性,相应可以增加比例调节放大倍 数(放大放小都不利于系统稳定,要根据具体情况选取合适值)。

PID调节及其算法

并 联 P I D 调 节

PID调节及其算法

串 联 P I D 调 节

电力系统稳定器PSS
由于电力系统的发展、互联电力系统的出现和扩大、快速自动 励磁调节器和快速励磁系统的应用,电力系统出现了低频功率振荡 ,严重影响电力系统的安全稳定运行,成为制约联络线输送功率极

风 机

限提高的最重要因素之一。 当前,PID+PSS的控制方式,在励磁系统中获得了广泛的应用 ,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 。发电机电磁力矩可分为同步力矩和阻尼力矩,同步力矩(PE)与 Δδ同相位,阻尼力矩与Δω同相位。如果同步力矩不足,将发生 滑行失步;阻尼力矩不足,将发生振荡失步。

电力系统稳定器PSS
为抵消快速励磁调节所带来的负阻尼转矩并加强机组的正阻尼,需 引入一附加控制输入,通过设计和计算,使该附加输入产生的附加转矩 与Δω同相。ΔMex=DAΔω+KAΔδ,产生了负阻尼DAΔW。

PSS 作 用 原 理

电力系统稳定器PSS
? 选择合适的相位补偿角φp,使电力系统稳定器产生的力矩中有尽可 能大的阻尼分量,即,使Kdp尽量大;

PSS ? 选择合理的增益,在正确的相位补偿下,尽可能增大 稳定器的阻尼作用。 参 数 ? 参数确定一般分二步进行: 选 ? 第一步,用电力系统稳定进行分析程序进行PSS参数选择,提供参考 择 值
? 第二步,现场试验验证其效果后,最后确定参数整定值。

电力系统稳定器PSS
? 南瑞公司励磁调节器的PSS是一数字式PSS ,无专门的硬件模块,仅 是原调节器上的一个功能软件模块。

PSS ? 输入采用-Δpe,利用励磁调节器所测的Pe形成。 PSS 实 ? 硬件无任何增加。保持了调节器的原高可靠性,比之专门的PSS装置 实 或PSS功能插件,具有较大的优越性。 现 现 方 ? 为了使PSS附加控制,在0.1至2.5Hz范围内都产生准确的相位校正, 方 法 法 一阶超前滞后环节是不能满足要求的,南瑞电气控制公司提供的PSS
均含有两阶超前滞后环节。 ? PSS的增益及二阶超前和滞后时间整定均为数字式整定,在调节器人 机界面上直接写入所需的参数,直观可靠。

电力系统稳定器PSS

VsTMAX

PSS 2A 模 型

sTw1 VsI1 1+sTw1

sTw2 1+sTw2

1 + 1+sT6 + Ks3

[

1+sT8 N + (1+sT9)M -

]

Ks1

1+sT1 1+sT2

1+sT3 1+sT4 VsT VsTMIN

sTw3 VsI2 1+sTw3

sTw4 1+sTw4

Ks2 1+sT7

电力系统稳定器PSS

W

PSS 2B 模 型

sT w1 1+sT w1 sT w3 1+sT w3 K1

sT w2 + 1+sT w2 + K2 1+sT 7 1+sT 5 1+sT 6

Δ Px

[

N 1+sT 8 (1+sT 9)M

]

K4 P
Δ Pe

K3 + -

1+sT 3 1+sT 4

1+sT 1 1+sT 2

Δ Pa

硬 硬 件 件 技 技 术 术

48


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