单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,发电机,励磁系统原理（1）,三峡电厂陈小明,Chen_,发电机励磁系统原理（1）三峡电厂陈小明,1,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,水轮发电厂原理大坝、水电厂、水轮机、发电机定子、转子、励磁系,2,水轮发电厂转子,n=60f/P,励磁绕组,（d轴）,阻尼绕组（d轴、q轴）,水轮发电厂转子n=60f/P,3,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B,E=4.44fN,对于发电机来说，励磁就是产生磁通,4.44:,有效值系数,F:,励磁条件与影响,N:,机端电压影响,:,与励磁电流关系,励磁的基本概念什么是励磁？E=4.44fN对于发电机来说，,4,G,Frequency,（,f,）,Active Power,（,P,）,Reactive,Power,（,Q,）,Terminal Voltage,（,Ug,）,Governor,调速,Excitation,励磁,功角含义（电气量与空间量）、静稳极限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、功角范围（机组小于系统）,励磁的基本任务,功角,GFrequency（f）Reactive Power（Q,5,Excitation System,Excitation Control System,Synchronous,Machine,Regulator,Exciter,Synchronous,Machine,Power,System,Blockdiagramm according IEEE,励磁系统,励磁控制系统,励磁重要概念,Excitation SystemExcitation C,6,现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁；,发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁；,励磁系统新科技,现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁；励磁系统新科技,7,现在励磁控制系统规律,大多采用传统经典控制理论：,PID+PSS,励磁控制系统科研主要内容：,电力系统稳定器,PSS,；线性最优控制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律,（清华大学,）。,励磁控制系统新科技,电力系统励磁控制发展过程：,PID 控制；,PSS 控制,线性最优控制LOPSS（Linear Optimal Control）,非线性最优控制NOPSS（Nonlinear Optimal Control）,非线性鲁棒控制NRPSS（Nonlinear Robust Control）,现在励磁控制系统规律大多采用传统经典控制理论：PID+PS,8,PID励磁控制理念,K,V,G,控制,20,V,G,如K=100,PID励磁控制理念KVG控制20VG如K=100,9,Generator,U ,I,f,f,U ,I,E,E,Voltage,Regulator,AVR,110 V DC,400 V AC,Potential,Transformers,Current Transformers,Output of,Excitation System,Main Exciter,自并励励磁系统,For Example,励磁机他励与自并励,IGBT,他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等；,自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措施保证强励能力。,GeneratorU ,If fU ,I,10,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,无刷励磁系统,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,励磁系统的组成与分类自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励,11,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,调 辅助 整流柜（功率柜）直流灭,12,直流励磁机系统（开关励磁）,同轴,开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。,直流励磁机系统（开关励磁）同轴开关式励磁调节器的优点是：结,13,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，易引发轴系振荡,同轴,交流励磁机系统（三机它励）组成：交流主励磁机（ACL）和交,14,自幷励,静止,自幷励静止,15,有刷励磁,静止,有刷励磁静止,16,无刷励磁系统,旋转,无刷励磁系统 旋转,17,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,励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统,整流器输入开关的定义：灭磁开关&隔离开关：按是否投灭磁电阻而定,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,18,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,现代励磁基础同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小）开关励磁,19,可控硅励磁原理,三相全控桥电路,=0,0,:强励状态，AC变DC,=,0,:整流状态，AC变DC,=150,0,:逆变状态，DC变AC,可控硅励磁原理三相全控桥电路=00:强励状态，AC变DC,20,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,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,21,三相全控桥电路要点,SCR导通顺序：,1234561234561234,整流状态,交流变直流，能量供给,0,0,a0,逆变状态,直流变交流，能量反送,90,0,a150,0,(180,0,-,0,),Ud0,Ud=1.35U2cosa,I20.816Id,三相全控桥电路要点SCR导通顺序：1234561234561,22,三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,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,23,同步发电机励磁的作用,从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级）,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（关键）,从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级）,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）,励磁是发电机励磁，也是系统的励磁，但更重要的还是发电机励磁,同步发电机励磁的作用从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级）励磁,24,励磁控制系统的主要任务,1、同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是维持发电机电压在给定水平上,1.1、第一，保证电力系统运行设备的安全。,1.2、第二，保证发电机运行的经济性,1.3、第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。,2、同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的稳定性,尽管励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为简单、经济而有效的措施。但是，稳定问题还是各有重点，各有分工：静稳由自动电压调节器和系统结构及运行调度负责；暂稳主要由继电保护负责，动稳主要由励磁PSS负责。,励磁控制系统的主要任务 1、同步发电机励磁控制系统的最基本和,25,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（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q）,频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载）,功角稳定（P、Q变化）。,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（不发生非周期性的振荡）（稳定余度好极限功率问题、安稳切机问题）；,暂态稳定是大扰动后系统在随后的12个周波的稳定性；（周期性振荡）（安稳切机问题、继电保护问题）；,动态稳定是微小扰动或者是大扰动12周波后（暂稳后期），因自动调节作用产生的稳定性稳定（励磁PSS问题）。,电力系统稳定简介电力系统稳定分为三个电量的稳定：,26,静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。稳定导则还规定，在有防止事故扩大的相应措施的情况下，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下允许只按静态稳定储备送电。,暂态稳定是指电力系统受到大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。,动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的判据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围内。,我国电力系统稳定导则定义,静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动恢,27,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）,0.4、0.77和1.0,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90,0,励磁对静态稳定的影响(a)Eq恒定(励磁电流恒定)，内功率,28,静稳定破坏举例：华北电网大（同）房（山）线静稳定破坏事故,1985年10月，大同电厂2机（额定有功200MW）通过220kV大房线向比较送电。因励磁调节器自动通道有问题，发电机处于手动调节励磁的状态下运行。发电机于130MW状态下已稳定运行很长时间，发电机励磁电流（转子电流）约为1000A。当电厂运行人员根据调度要求把发电机有功出力增加到170MW后，发电机与系统失去同步，发电机失步保护动作后，由于种种原因，造成机组超速，汽轮机严重损坏而报废。事故调查得知，运行人员在增加发电机的有功时（直到失步）没有同时增加发电机的励磁电流，事故后的仿真研究证明，（1）发电机为1000A时的静稳定极限就是170MW，（2）如果发电机是在自动励磁调节的状态下运行，其静稳定极限大于200MW，（3）即使发电机处于手动调节励磁的状态下运行，如果在增加有功出力的同时，运行人员能适当增加发电机的励磁，也可以避免发电机与系统失步的事故发生。,静稳定破坏举例：华北电网大（同）房（山）线静稳定破坏事故1,29,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