发电厂励磁系统原理.ppt

励磁系统定义 励磁系统是为同步发电机提供直流磁场电 流设备的总称，它是发电机的重要组成部 分，直接影响发电机的运行特性。 励磁系统及其调节对象 (同步发电机 )共同 组成的反馈控制系统，称为励磁控制系统。 励磁系统的任务 维持发电机端或指定控制点的电压在给定水平上 能稳定分配并列运行机组的无功功率 提高电力系统运行的静态稳定性 提高功率极限 扩大稳定区 改善暂态稳定性 强励能力 顶值电压响应比 改善电力系统动态稳定性 励磁系统设备 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 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（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 自并励励磁系统 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 优点：结构简单，调节速度快，轴系 较短，不易引发轴系扭振。但励磁电 源受系统电源的影响。 缺点： 强励时系统电压变化复杂 静止 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 自并励励磁系统 介绍 励磁电源由一台接于机端的励磁变压器取 得，经变压器 ET降压后，接入晶闸管整流 器 SCR，通过晶闸管整流成直流后，供给 发电机磁场绕组。自动励磁调节器从发电 机机端取得信号，控制晶闸管的导通角， 从而按需要控制发电机励磁电流。 自并励励磁系统 介绍 自并励的主要特点是：设备和接线比较简 单；由于无转动部分，具有较高的可靠性； 造价低；励磁变压器放置自由，缩短了机 组轴系长度；励磁调节速度快。因为励磁 电源相对不独立，故而需要起励电源；整 流输出的直流顶值电压受发电机端或电力 系统短路故障形式（三相、二相或单相短 路）和故障点远近等因素的影响。 自并励发电机组的起励 当机组启动后，在转速接近额定值时，机端电压 为残压，其值一般较低（约为额定电压的 1%2%）。这时由于同步电压太低，调节器可 能还不能正常工作，晶闸管不能开放，故而没有 励磁电流送出使发电机建立电压。因此，必须采 取措施，先供给发电机初始励磁，以便发电机能 够建立起一定的电压，完成起励过程。 起励措施有两类。第一类是他励起励，第二类是 残压起励。 他励起励 起励电源可以是厂用蓄电池（直流），也可以是 厂用交流电。厂用交流电一般通过起励变压器降 压后，由二极管整流变成直流。然后通过限流电 阻和直流接触器，将起励回路接入发电机磁场回 路。对采用厂用蓄电池电源的，起励回路中须接 入一正向二极管，防止发电机建压过程中的反充 电。起励时，起励接触器闭合，励磁电流送入发 电机磁场绕组，发电机电压逐渐升高。当电压升 至额定电压的 10%30%时，起励回路断开，进 行自励。 残压起励 当发电机残压较高（约 2-5%以上）时，可 利用残压起励。在起励初始阶段，整流桥 中的晶闸管完全导通。然后在励磁调节器 的控制下，将发电机的电压升至所整定的 电压 励磁系统控制过程 励磁调节器主要由测量比较、综合放 大和移相触发三个基本单元构成。 Vd0=1.35U2cos PID控制 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 ， 而且不能消除 稳态误差； 积分调节可以消除稳态误差； 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 。 励磁系统调差 发电机的调差特性是机端电压与发电机无 功电流的关系曲线，有三种形式：无差特 性（曲线 1）、正调差（曲线 2）和负调差 （曲线 3）。 并网运行机组的调差要求 发电机最终连接到电网的调差系数应为正调差。 无差调节的发电机，由于调差特性曲线有无数个 公共点，机组间无功的分配不明确，机组间会发 生乱抢无功的现象，导致运行不稳定。负调差的 机组，如果电网电压波动增加，导致调节器电流 增加，又使无功增加，发电机电压又上行，为正 反馈，形成恶性循环。 发电机调差系数一般由调度部门下达定值。整定 原则是： AVR的调差系数为 -5%到 0之间，加上 主变短路阻抗后，最终为 8%左右。 励磁调节器附加功能 PSS功能 软起励功能 励磁调节器限制与保护 强励电流限制（快速限制、倍数限制） 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 伏赫限制 PT断线保护 ？ 10： 怎样进 行 PT断 线保护 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、过励限制是励磁电流限制，大于 1.1倍，反时限； I f d 1 0 3 0 5 0 7 0 9 0 1 . 1 1 . 3 1 . 5 1 . 7 1 . 9 2 . 1 0 t 强 励 限 制 曲 线 过励限制 的作用 保证发电机的过载能力得到发挥。 保护发电机励磁绕组 ,以免过热 . 励磁反时限限制、顶值电流瞬时限制、励磁 绕组过负荷保护。 保护整流设备 ,以免短路电流损坏元件 . 励磁设备过电流保护、快速熔断器保护 过励限制 的整定 过励限制：与发电机转子绕组发热特性配套 。 包括过励反时限限制和瞬时电流限制两部分 。 强励电压倍数大于 2倍的励磁系统应有顶值电流瞬时限制 功能。 强励限制：电压或电流限制，瞬时或延时限制， 影响暂态 稳定性，保护转子绝缘和发电机安全运行。 过励限制应在发电机转子绕组过热前动作 ; 应在励磁绕组 过负荷保护和励磁变过流保护动作前动作 ; 应在整流桥 (n,n-1)过负荷之前 . 强励持续时间符合设备和标准要求，大于发变组后备保护 动作时间。 强励倍数符合设备和标准要求。 反时限特性与要求一致。 过励限制试验 1）励磁电流测量值核对。 2）静态下输入模拟信号记录过流电流倍数和延迟动 作时间，观察过励限制信号及调节器输出减少的 现象。应与要求的反时限特性一致。 3）静态下输入励磁电流模拟信号大于强励电流，应 立即观察到调节器输出减少，为强励电流瞬时限 制。 4）开机时可以在实际整定值下进行试验验证，一般 在约 80%额定有功下突然增加电压给定值使得励 磁电流过流，记录过励限制延迟动作时间。也可 以临时减少整定值后试验。 欠励限制 静稳要求：发电机安全 运行要求：防止端部过热 ; 维持电网、厂用电电压要求：避免机端电压、厂用 电和高压母线电压过低 . 励磁系统故障 ,低励起作用，可以避免失磁 ;当未能 限制 ,无功到达低励保护值时可以切换到备用自动通 道从而避免失磁失稳 ; 低励失效，失磁保护动作跳闸 . 参数整定：按发电机不同有功功率静稳定极限及发电机端部发 热 条件确定的。应注意与失磁保护的配合。由调度部门下发 整定单。 作用方式：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。 低励限制试验 1.静态试验 1） P,Q测量检查 ; 2) 模拟 PT,CT信号检查低励限制动作值 ,检 查发信情况。 2.动态试验 安措：失磁保护投信号。 缓慢减少电压给定值直到低励限制动作 ;在 此过程中注意机端电压、厂用电电压和高 压母线电压，注意轴系振荡情况。 定子电流限制 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。 定子电流限制的整定 定子过电流限制应先于定子过流保护动作，以避 免停机。 定子过流持续时间略大于转子过流持续时 间。 区分进相和滞相下过流，进相过流增加励磁，滞 相过流减少励磁。 定子过电流限制特性应与过励限制特性匹配。 1）定子过流倍数略大于励磁绕组过流倍数。 2）按照机组具体参数计算两者关系，或按照 1.15倍考虑。 伏赫限制 设计 U/F限制器是为了防止发电机和主变因过激磁引起绕组、铁 芯和靠近的绕组、油箱壁、结构件过热，严重时造成局部变形 和损伤绝缘。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。 伏赫限制的整定 V Hz限制特性应与发电机及主变压器铁芯的过励 磁特性匹配。 V Hz限制及保护，应有一定时延，使发电机动态 过程的励磁调节不受 V Hz限制单元动作的影响。 要求：先于发电机和主变的过激磁保护动作进行 限制； 宜具有定时限限制和反时限限制功能； 发电机空载和负载下均投入运行； 一般动作后减少电压给定值来限制伏赫比； 限制后不影响 PSS作用。 V Hz 限制 试验 校核电压和频率测量值，检查 V/Hz值； 设置 V/Hz限制的启动值、动作值等； 静态用保持电压不变改变频率，和保持频率不变 改变电压，观察 V/Hz限制发信、动作和返回值， V/Hz动作后不能增加电压给定值；如有 V/Hz保护， 检查保护动作延时和动作值；如有低频保护，调 整电压的频率低至 45Hz时应灭磁。 开机下改变 V/Hz限制值到 102%Un，增加电压给定， 至 V/Hz限制动作。 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 快速吸收转子能量 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 t 灭磁方式种类 磁场断路器灭磁分类 耗能型和移能型灭磁 耗能型灭磁 :能量消耗在磁场断路器内 ,如 DM2. 移能型灭磁 :灭磁开关产生高压 ,大于耗能电阻 接受电流所需电压时 ,流经灭磁开关的电流转 移到灭磁电阻上去 . 非线性电阻特性 非线性电阻两端电压衰减速率远远小于其 电流衰减速率。当通过其电流较小时，它 呈现的动态电阻较大，通过其电流较大时， 它呈现的动态电阻较小。适当选择非线性 电阻的特性和阻值，可以在灭磁初瞬使转 子电压不超过容许值，在其后的灭磁过程 中，电压变化率基本上接近于恒定，即电 压值基本不变，灭磁曲线接近理想灭磁曲 线，灭磁时间就短得多了。 非线性电阻的分类 非线性电阻根据阀片的材质不同可分为碳 化硅（ SiC）和氧化锌 (ZnO)非线性电阻， 就其非线性特性而言，氧化锌非线性电阻 优于碳化硅非线性电阻，且氧化锌非线性 电阻具有较小的泄漏电流和较陡的非线性 特性。 逆变灭磁 在灭磁过程中，如果向转子励磁绕组施加 一个比较大的负值恒定电压，则可认为转 子电流基本上按直线率下降，灭磁时间就 会加快，而转子过电压又在容许范围内。 这正是晶闸管全控桥的一个特性，即在灭 磁时把晶闸管控制角 后退到最小逆变角 min的位置，使整流桥由 “ 整流 ” 工作状 态过渡到 “ 逆变 ” 工作状态，这样加到转 子励磁绕组上的就是一个恒定的负值电压。 过电压保护措施 抑制交流侧过电压的措施 ：阻容保护 抑制直流侧过电压的措施 ：可控硅跨接器 EX2100e励磁系统组成 GE EX2100e是 GE公司第四代数字式励磁系统 （ SILCO5、 EX2000及 EX2100），具有较高的可靠性； 而且设计灵活；操作方便。 EX2100e励磁系统由调节屏（ AVR）、可控硅整流 屏（ SCR），交流进线屏和直流出线屏组成。 300MW机组： 5面柜； 600MW机组： 6面柜； 1000MW机组： 7面柜 主要包含： 1. 调节器（ Automatic Voltage Regulator） 2. 可控硅整流装置（ Silicon Rectifier） 3. 灭磁及过电压保护装置（ De-Excitation ） 4. 起励装置（ Field Flashing ） 5. 软件（ Software） GE EX2100e的特点 1：三冗余控制系统 传统励磁系统 主从控制 完全相同的两个控制通道 各带手自动控制模式 EX2100e励磁系统 三冗余控制系统 完全冗余的 M1、 M2、 C三个控制器 三个控制器同时对输入信号进行计算并且比较。 C控制器对 M1和 M2进行监控，来决定 M1和 M2哪一个控制器做为主 控制器工作。三重冗余系统的应用增加了系统的可靠性。 GE EX2100e的特点 2：基于以太网的通讯机制 传统励磁系统 串口通讯 点对点 通讯速率低 信息量小，相对固定 EX2100e励磁系统 网络通讯 多点通讯 通讯速率高 信息量大，可自定义 GE EX2100e的特点 3：可视化的维护软件 传统励磁系统 通讯点表 可读性差 无关联 对操作人员要求高 EX2100e励磁系统 逻辑框图 直观、可读性强 关联性强 初学人员易上手 控制功能 AVR (Generator Terminal Voltage Regulator) 发电机自动电压调节器 FVR (Generator Field Voltage) 发电机励磁电压调节器 Software implemented Auto and Manual Reference Adjusters 由软件实现的自动和手动给定调整 Automatic and Manual Reference Followers 自动和手动给定跟踪器 VAR/PF Controller 无功 /功率因数控制器 RCC (Reactive Current Compensation) 无功电流补偿 Generator Field Temperature Calculation 发电机磁场温度计算 PSS (Power System Stabilizer) 电力系统稳定器 Generator Simulator for Check-Out, Testing, and Training 使用软件仿真器进行检验调试与培训 限制功能 V/Hz Limiter V/Hz限制器 Generator Field Current Online Over Excitation Limiter 发电机磁场电流负载过励限制器 Generator Field Current Offline Over Excitation Limiter 发电机磁场电流空载过励限制器 Under Excitation Limiter 欠励限制器 Manual Restrictive Limiter 手动限制器 一个缺陷： EX2100e无顶值电流限制 （如何确保发电机额定电压下顶 值电压倍数高于 2倍的励磁装置应有顶值电流瞬时限制功能？） 保护功能 V/Hz Protection V/Hz保护 Generator Over Voltage Protection 发电机过压保护 Loss of Excitation Protection 失磁保护 Instantaneous Bridge Over Current Protection 整流桥瞬时过流保护 PSS GE EX2100e励磁控制系统采用基于加速 功率积分的原理全集成的数字式 PSS，可 以有效地抑制电力系统的低频震荡，避免 了传统的 PSS存在的有功反调现象。 PSS采用 IEEE PSS2B模型，具有三阶 超前一滞后 校正。 硬件介绍 EX2100的每一个控制器都采用 5块板卡 （ ACLE/DSPX/EMIO/EISB/ESEL）来实 现， EX2100e的控制器采用 UCSB一块板 卡，就能实现数字信号的采样、比较、计 算，发控制脉冲等功能， EX2100原 EISB （ IS通讯板，各个控制器间通讯）的功能， EX2100e是通过以太网线通讯来实现的， 进行各个控制器之间的数据交换链接。 EX2100e大大地减少了控制器板卡的数量， 因此增加了系统的稳定性及可靠性 硬件介绍 EX2100控制器的 CPU主频为 256MHz， EX2100e控制器的 CPU主频为 1.2GHz，运算速 度大大增加。 EX2100控制器是通过硬接线将脉冲信号送至脉 冲放大板（ EHPA）， EX2100e则是通过以太网 线通讯将脉冲信号送至脉冲放大板，增强了系统 脉冲的抗干扰能力。 EX2100的三个控制器的 PT/CT回路是分开的， 配置 3块 ESYS板； EX2100e原设计只配置 1块 ESYS板，不符合国内励磁相关规定，在设计联络 会上更改为：励磁系统 PT、 CT检测采用双冗余输 入（两块 ESYS板卡），分别送至 3个控制器中。 。