第五章同步发电机励磁自动控制系统讲义课件

同步发电机励磁自动控制系统2/432024/7/16主要内容主要内容1、同步发电机励磁控制系统的任务、同步发电机励磁控制系统的任务 （1）电压控制）电压控制 （2）控制无功功率）控制无功功率 （3）提高同步发电机并列运行的稳定性）提高同步发电机并列运行的稳定性 （4）改善电力系统的运行条件）改善电力系统的运行条件 （5）水轮发电机强行减磁）水轮发电机强行减磁2、对励磁系统的基本要求、对励磁系统的基本要求3、同步发电机的励磁系统的各种类型及其、同步发电机的励磁系统的各种类型及其 结构和特点结构和特点3/432024/7/16第一节第一节 概述概述4/432024/7/16第一节第一节 概述概述 同步发电机的运行特性与它的空载电动势同步发电机的运行特性与它的空载电动势Eq值的大小有关，值的大小有关，而而Eq值是发电机励磁电流的函数。改变励磁电流就可以影响同值是发电机励磁电流的函数。改变励磁电流就可以影响同步发电机在电力系统中的运行特性。步发电机在电力系统中的运行特性。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降，为此，当电力系统故障时，要系统稳定水平下降，为此，当电力系统故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。平及稳定性。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率分配。影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率分配。同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配、提高电力系统运行的可靠性方面均起到十分重要的合理分配、提高电力系统运行的可靠性方面均起到十分重要的作用。作用。5/432024/7/16励磁自动控制系统励磁自动控制系统由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成了由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成了反馈控制系统。反馈控制系统。向同步发电机转向同步发电机转子提供直流电流子提供直流电流 根据输入信号和给定的调节根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出准则控制励磁功率单元的输出6/432024/7/16一一 同步发电机励磁控制系统的任务同步发电机励磁控制系统的任务1、电压控制、电压控制(调压精度调压精度0.5%)2、控制无功功率分配、控制无功功率分配3、提高同步发电机并联运行的稳定性、提高同步发电机并联运行的稳定性4、改善电力系统的运行条件、改善电力系统的运行条件 改善异步电动机的自启动条件改善异步电动机的自启动条件 为发电机异步运行创造条件为发电机异步运行创造条件 提高继电保护装置工作的正确性提高继电保护装置工作的正确性5、水轮发电机组要求实行强行减磁、水轮发电机组要求实行强行减磁7/432024/7/16 负荷的无功电流是造成负荷的无功电流是造成Eq,UG 之间幅值差的主要原因之间幅值差的主要原因1 1 电压控制电压控制励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务等值等值8/432024/7/161 1 电压控制电压控制机端电压机端电压励磁电流励磁电流负荷无功电流负荷无功电流 励磁自动控制系统就是通过不断的励磁自动控制系统就是通过不断的调节励磁电流调节励磁电流来来维持发电机端电压为设定值的维持发电机端电压为设定值的 注：改变发电机的励注：改变发电机的励磁电流一般都不直接在磁电流一般都不直接在发电机的转子回路中进发电机的转子回路中进行，而是行，而是改变励磁机的改变励磁机的励磁电流的方法来达到励磁电流的方法来达到调节目的调节目的。原因是转子。原因是转子回路的电流很大，不易回路的电流很大，不易直接调整。直接调整。同步电机外特性同步电机外特性9/432024/7/162 2 控制无功功率分配控制无功功率分配与无穷大母线并联运行与无穷大母线并联运行单机无穷大系统单机无穷大系统发电机发出的有功功发电机发出的有功功率只受调速器控制率只受调速器控制10/432024/7/162 2 控制无功功率分配控制无功功率分配与无穷大母线并联运行与无穷大母线并联运行发电机励磁电流变化只是改变了机组的发电机励磁电流变化只是改变了机组的无功功率无功功率Q Q和功率和功率角角值值的大小。的大小。与无穷大母线并联运与无穷大母线并联运行的机组，调节励磁行的机组，调节励磁电流就可以改变发电电流就可以改变发电机的无功功率。机的无功功率。11/432024/7/162 2 控制无功功率分配控制无功功率分配多台发电机并多台发电机并联运行联运行并联发电机组无功功率分配取决并联发电机组无功功率分配取决于各发电机的外特性，曲线越平于各发电机的外特性，曲线越平坦的机组其无功电流的增量越大坦的机组其无功电流的增量越大通常希望发电机组间的无功功率通常希望发电机组间的无功功率分配按照机组容量大小比例分配分配按照机组容量大小比例分配单纯把并联所有机组的外特性单纯把并联所有机组的外特性做成相同是不可能的做成相同是不可能的调节励磁可以任意改变调节励磁可以任意改变外特性曲线的斜率以达外特性曲线的斜率以达到合理分配无功的目的。到合理分配无功的目的。GU1MU2MUQI1QI2QI1QI2QI1G2G2QID1QID12/432024/7/162 2 控制无功功率分配控制无功功率分配名称说明名称说明我国在我国在1953年以前把调整同步发电机励磁电流的自年以前把调整同步发电机励磁电流的自动装置成为动装置成为“自动调压器自动调压器”，1953年后又改称为年后又改称为“自动励磁调节器自动励磁调节器”，现在又有，现在又有重称为自动调压器的趋势。重称为自动调压器的趋势。13/432024/7/163 3 提高同步发电机并联运行的稳定性提高同步发电机并联运行的稳定性电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类在在20世纪世纪60年代及以前年代及以前1 静态稳定性静态稳定性2 动态稳定性动态稳定性系统受到系统受到小扰动小扰动后后保持保持所有运行所有运行参数接近正常值的能力参数接近正常值的能力系统受到系统受到大扰动大扰动后，系统参数后，系统参数恢恢复到正常值复到正常值的能力的能力出现了出现了自动再同期现象自动再同期现象发电机在失去同步后经过较短时间的发电机在失去同步后经过较短时间的异步运行又自动牵入同步，主系统仍然能够保持同步异步运行又自动牵入同步，主系统仍然能够保持同步1 静态稳定性静态稳定性2 动态稳定性动态稳定性3 综合稳定性综合稳定性小扰动小变速运行状态小扰动小变速运行状态大扰动小变速运行状态大扰动小变速运行状态大扰动大变速运行状态大扰动大变速运行状态1954年苏联学年苏联学者维者维.柯柯.维尼柯维尼柯夫夫电力系统电力系统机电过渡过程机电过渡过程14/432024/7/16电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类1 静态不稳定性静态不稳定性1974年美国学者年美国学者拜金利及金巴克主拜金利及金巴克主编论文集编论文集大规模大规模电力系统稳定性电力系统稳定性2 动态不稳定性动态不稳定性3 暂态不稳定性暂态不稳定性功角过大而失步（滑行失步）功角过大而失步（滑行失步）大小扰动引起的振荡失步大小扰动引起的振荡失步大扰动后发电机在第一摇摆失步大扰动后发电机在第一摇摆失步静态静态/动态稳定性定义及理解出现了混乱动态稳定性定义及理解出现了混乱1981年在年在IEEE PES Winter Meeting重新对电力系统稳定性进重新对电力系统稳定性进行定义行定义1 静态稳定性静态稳定性/小扰动稳定性小扰动稳定性2 暂态稳定性暂态稳定性/大扰动稳定性大扰动稳定性当系统受到小的干扰后，系统会达到与受干扰前相同或接近的运行状态当系统受到小的干扰后，系统会达到与受干扰前相同或接近的运行状态当系统遭受到干扰后，系统可以达到一个可以接受的稳定运行状态当系统遭受到干扰后，系统可以达到一个可以接受的稳定运行状态所加干扰足够小，可以用系统的所加干扰足够小，可以用系统的线性化方程来描述系统过渡过程线性化方程来描述系统过渡过程所加的干扰使得不能用系统的线所加的干扰使得不能用系统的线性化方程来描述系统过渡过程性化方程来描述系统过渡过程15/432024/7/16电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类2004年年8月，月，IEEE发表了发表了CIGRE第第38委员会与委员会与IEEE系统动态行为系统动态行为委员会联合小组制定的电力系统稳定性分类及定义委员会联合小组制定的电力系统稳定性分类及定义电力系统稳定性电力系统稳定性功角稳定性功角稳定性频率稳定性频率稳定性电压稳定性电压稳定性小干扰功角小干扰功角稳定性稳定性大干扰功角大干扰功角稳定性稳定性小干扰电压小干扰电压稳定性稳定性大干扰电压大干扰电压稳定性稳定性短期稳定性短期稳定性短期稳定性短期稳定性长期稳定性长期稳定性短期稳定性短期稳定性长期稳定性长期稳定性16/432024/7/16电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类功角稳定性功角稳定性注：把原来的注：把原来的静态稳定（小静态稳定（小扰动稳定性）扰动稳定性）和暂态稳定性和暂态稳定性（大干扰稳定（大干扰稳定性）合起来统性）合起来统称为功角稳定称为功角稳定性性表征着系统维持同步的能力，主要原因是发电机输入、表征着系统维持同步的能力，主要原因是发电机输入、输出转矩平衡受到破坏，失步的形式可能是功角单调输出转矩平衡受到破坏，失步的形式可能是功角单调增长，也可能是增幅振荡。增长，也可能是增幅振荡。分析时间为分析时间为1020s静态稳定性静态稳定性系统在小干扰下维持同步的能力系统在小干扰下维持同步的能力滑行失步型滑行失步型振荡失步型振荡失步型暂态稳定性暂态稳定性系统在大干扰下维持同步的能力系统在大干扰下维持同步的能力功角非周期增长而失步功角非周期增长而失步增幅的低频振荡而失步增幅的低频振荡而失步17/432024/7/16电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类电压稳定性电压稳定性表征着系统在给定的初始条件下，受到扰动后维持所表征着系统在给定的初始条件下，受到扰动后维持所有母线的电压的能力。主要原因是负荷需求与系统可有母线的电压的能力。主要原因是负荷需求与系统可能提供的总量出现了不平衡。表现在电压持续下降能提供的总量出现了不平衡。表现在电压持续下降（或上升），又称（或上升），又称“电压崩溃电压崩溃”。发电机的励磁控制产生重要的影响：在过渡过程中，发电机的励磁控制产生重要的影响：在过渡过程中，当励磁电流的增长达到设定的限幅值（相当于励磁控当励磁电流的增长达到设定的限幅值（相当于励磁控制退出），常常是出现电压不稳定的直接原因。制退出），常常是出现电压不稳定的直接原因。大干扰电压稳定性大干扰电压稳定性小干扰电压稳定性小干扰电压稳定性短期电压稳定性短期电压稳定性长期电压稳定性长期电压稳定性系统在系统在大干扰后大干扰后维持可接受稳态电压的能力维持可接受稳态电压的能力系统在系统在小干扰后小干扰后维持可接受稳态电压的能力维持可接受稳态电压的能力包含快速响应负荷和励磁控制等动态特性及相互作用包含快速响应负荷和励磁控制等动态特性及相互作用包含慢速响应负荷和励磁限幅器等动态特性及相互作用包含慢速响应负荷和励磁限幅器等动态特性及相互作用18/432024/7/16电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类频率稳定性频率稳定性1 表征着系统遭受到严重的故障造成出力与负荷出现表征着系统遭受到严重的故障造成出力与负荷出现较大的不平衡时维持频率在可接受的范围的能力。取较大的不平衡时维持频率在可接受的范围的能力。取决于系统在切除最大可能切除的负荷后是否能够恢复决于系统在切除最大可能切除的负荷后是否能够恢复出力与负荷之间的平衡。出力与负荷之间的平衡。2 频率发生不稳定时，潮流、电压及其他变量会出现频率发生不稳定时，潮流、电压及其他变量会出现大的波动，并引起系统中控制和保护的动作，造成更大的波动，并引起系统中控制和保护的动作，造成更多机组或负荷的切除。这种情况出现在大系统因失步多机组或负荷的切除。这种情况出现在大系统因失步而解列为数个孤立系统，在这些系统中，发电机之间而解列为数个孤立系统，在这些系统中，发电机之间的稳定不是问题，主要是出力和负荷是否会保持平衡。的稳定不是问题，主要是出力和负荷是否会保持平衡。频频率率过过渡渡过过程程时时间间秒级（几秒秒级（几秒）低压及低频减载、发电机控制器起主要作用低压及低频减载、发电机控制器起主要作用分级（几分）分级（几分）锅炉、机组保护和负荷调压系统起主要作用锅炉、机组保护和负荷调压系统起主要作用19/432024/7/16电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类 我国在我国在2001年制定的年制定的DL755-2001电力系统安全电力系统安全稳定导则稳定导则中将稳定性分为：中将稳定性分为：静态稳定性静态稳定性小扰动稳定性小扰动稳定性 暂态稳定性暂态稳定性大扰动稳定性大扰动稳定性 动态稳定性动态稳定性动态稳定性动态稳定性 电力系统受到小扰动时，考虑调节电力系统受到小扰动时，考虑调节器及元件动态，并分析它在暂态过程后能否趋于或者器及元件动态，并分析它在暂态过程后能否趋于或者接近原来稳定工况的能力。接近原来稳定工况的能力。20/432024/7/16励磁对静态稳定性的影响励磁对静态稳定性的影响调节励磁系统使得调节励磁系统使得 为常为常数数 励磁调节系统可以励磁调节系统可以有效提高系统的静态有效提高系统的静态稳定极限稳定极限2024/7/16励磁对暂态稳定性的影响励磁对暂态稳定性的影响 励磁系统的作用体现在使励磁系统的作用体现在使得发电机内电势上升而增加电得发电机内电势上升而增加电功率输出，提高了功率极限，功率输出，提高了功率极限，从而减小加速面积，增加了减从而减小加速面积，增加了减速面积，提高了暂态稳定性速面积，提高了暂态稳定性实现手段：实现手段：1、缩小励磁系统时间常数、缩小励磁系统时间常数2、尽可能提高强行励磁倍数、尽可能提高强行励磁倍数P Pd故障前故障前故障后（未调励磁）故障后（未调励磁）故障时（未调励磁）故障时（未调励磁）故障后（调励磁）故障后（调励磁）故障时（调励磁）故障时（调励磁）22/432024/7/164 4 改善电力系统运行条件改善电力系统运行条件1、改善异步电动机的自启动条件、改善异步电动机的自启动条件2、为发电机异步运行创造条件、为发电机异步运行创造条件3、提高继电保护装置工作的正确性、提高继电保护装置工作的正确性短路切除后的电压恢复曲线短路切除后的电压恢复曲线无励磁控制无励磁控制有励磁控制有励磁控制 可以调节励磁可以调节励磁(其他机组其他机组)为失为失磁异步运行的同步发电机提供大磁异步运行的同步发电机提供大量的无功功率，以维持其运行量的无功功率，以维持其运行调节励磁电流来增大短路电流以保证继电保护正确工作调节励磁电流来增大短路电流以保证继电保护正确工作低负荷，小短路电流低负荷，小短路电流继电保护拒动继电保护拒动23/432024/7/165 5 水轮发电机实行强行减磁水轮发电机实行强行减磁水轮发电机组因故障而跳闸水轮发电机组因故障而跳闸调速系统具有较大的惯性调速系统具有较大的惯性导水叶不能迅速关闭导水叶不能迅速关闭转子转速急剧上升转子转速急剧上升励磁电流励磁电流不调整不调整发电机端电压上升而危及发电机端电压上升而危及定子绝缘定子绝缘励磁电流迅励磁电流迅速调整速调整机组安全机组安全24/432024/7/16二二 对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求向同步发电机转向同步发电机转子提供直流电流子提供直流电流 根据输入信号和给定的调节根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出准则控制励磁功率单元的输出25/432024/7/161 1 对励磁调节器的要求对励磁调节器的要求1、具有较小的时间常数，能够迅速响应输入信息的变化、具有较小的时间常数，能够迅速响应输入信息的变化2、系统正常运行时，励磁调节器能反映发电机电压的高低来维、系统正常运行时，励磁调节器能反映发电机电压的高低来维持发电机电压在给定的水平持发电机电压在给定的水平3、励磁调节器能够合理分配机组的无功功率、励磁调节器能够合理分配机组的无功功率4、对远距离输电的发电机组，要求没有失灵区，以使其在稳定、对远距离输电的发电机组，要求没有失灵区，以使其在稳定区运行区运行5、励磁调节器迅速反映系统故障，具备强行励磁的功能，提高、励磁调节器迅速反映系统故障，具备强行励磁的功能，提高暂态稳定性和改善系统的运行条件暂态稳定性和改善系统的运行条件6、励磁调节器能够长期可靠工作，具有高可靠性、励磁调节器能够长期可靠工作，具有高可靠性工作可靠，功能齐全，各种工况下性能优越。工作可靠，功能齐全，各种工况下性能优越。26/432024/7/162 2 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求1、要求励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调、要求励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调节容量。节容量。2、具有足够的、具有足够的励磁顶值电压励磁顶值电压和和电压上升速度电压上升速度。就改善就改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性而言，励磁功率电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性而言，励磁功率单元应该具有较大的单元应该具有较大的强励能力强励能力和和快速响应能力快速响应能力。注：注：1、励磁顶值电压励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高输出电压值。输出电压值。2、励磁顶值电压与额定励磁电压之比为、励磁顶值电压与额定励磁电压之比为强励倍数强励倍数，一般为，一般为1.6227/432024/7/16结后语励磁机容量仅仅占发电机的0.250.5%但作用巨大电压控制电压控制控制无功功率分配控制无功功率分配提高同步发电机并联运行的稳定性提高同步发电机并联运行的稳定性改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件改善异步电动机的自启动条件改善异步电动机的自启动条件为发电机异步运行创造条件为发电机异步运行创造条件提高继电保护装置工作的正确性提高继电保护装置工作的正确性水轮发电机组要求实行强行减磁水轮发电机组要求实行强行减磁第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统=基本知识点基本知识点=直流励磁机励磁系统（旋转励磁）直流励磁机励磁系统（旋转励磁）交流励磁机励磁系统（旋转励磁）交流励磁机励磁系统（旋转励磁）发电机自并励系统（静止励磁系统）发电机自并励系统（静止励磁系统）1 原理原理一、直流励磁机励磁系统一、直流励磁机励磁系统GIEEREEUEFIEFEGIEEUEFIEF自励：自励：REE IEE UEF励磁机励磁机发电机发电机他励：他励：REE IEE UEF 副励副励主励主励发电机发电机2特点特点优点：控制方便优点：控制方便缺点：有滑环、电刷缺点：有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护结构复杂，不易维护3应用应用中小容量机组（中小容量机组（100MW）旧型机组旧型机组1 他励交流励磁机励磁系统他励交流励磁机励磁系统 （1）原理）原理二、交流励磁机励磁系统二、交流励磁机励磁系统500Hz副励磁机副励磁机 100Hz主励磁机主励磁机 50Hz发电机发电机起励电源起励电源副励副励自励恒压自励恒压调节器调节器励磁调节器励磁调节器主励主励交流发电机交流发电机他励交流励磁机静止整流励磁系统（2）特点）特点优点：响应速度快（相对优点：响应速度快（相对DC）；）；容量较大（相对容量较大（相对DC）缺点：有滑环、电刷缺点：有滑环、电刷 易产生火花，可靠性不高易产生火花，可靠性不高 结构复杂，不易维护结构复杂，不易维护（3）应用）应用中等容量机组（中等容量机组（100MW 300MW）我国旧型机组我国旧型机组（1）原理）原理2 无刷励磁系统无刷励磁系统副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止发电机：电枢静止，磁极（励磁）旋转副励副励励磁调节器励磁调节器主励主励交流发电机交流发电机2)他励交流励磁机旋转整流励磁系统(无刷励磁)（2）特点）特点优点：维护工作量少；优点：维护工作量少；可靠性高可靠性高 无接触磨损，电机绝缘寿命长无接触磨损，电机绝缘寿命长缺点：响应速度慢缺点：响应速度慢 不能直接灭磁不能直接灭磁 对机械性能要求高对机械性能要求高（3）应用）应用大容量机组（大容量机组（600MW）因为没有滑因为没有滑动器件动器件三、静止励磁系统三、静止励磁系统1 原理原理起励电源起励电源励磁调节器励磁调节器交流发电机交流发电机3.静止励磁系统(发电机自并励系统)2 特点特点优点：维护工作量少；优点：维护工作量少；可靠性高可靠性高 主轴长度短，基建投资少主轴长度短，基建投资少 电压响应速度快电压响应速度快 过电压低过电压低缺点：发电机近端端路时，缺乏足够的强励能力缺点：发电机近端端路时，缺乏足够的强励能力 继电保护的动作会受一定影响继电保护的动作会受一定影响3 应用应用大容量机组（大容量机组（600MW）水轮机组水轮机组因为没有转因为没有转动励磁动励磁41/222024/7/16励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁 在电力系统发生故障时，系统母线电压极度降低，系统无功在电力系统发生故障时，系统母线电压极度降低，系统无功缺额很大，需要在很短的时间内补足无功缺额以使系统迅速恢缺额很大，需要在很短的时间内补足无功缺额以使系统迅速恢复正常，这就要求有关的复正常，这就要求有关的发电机转子磁场能够迅速增强，发电机转子磁场能够迅速增强，达到尽可能高的数值达到尽可能高的数值。在事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度（响在事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度（响应速度）是两个十分重要的指标应速度）是两个十分重要的指标 强励顶值强励顶值与与响应比响应比。此外，为了使得发电机的励磁效果及时发挥，需要考虑：此外，为了使得发电机的励磁效果及时发挥，需要考虑：1、励磁机的响应速度要快，励磁机的时间常数小、励磁机的响应速度要快，励磁机的时间常数小2、发电机转子磁场的建立速度要快。、发电机转子磁场的建立速度要快。转子强励问题转子强励问题42/222024/7/162 2 励磁绕组灭磁励磁绕组灭磁 所谓灭磁，所谓灭磁，就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱为就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱为最小程度。最小程度。如果突然断开转子回路，励磁绕组是个大电感，励磁电流不如果突然断开转子回路，励磁绕组是个大电感，励磁电流不能突变，必然会产生很高的过电压，会危及到转子绕组的绝缘，能突变，必然会产生很高的过电压，会危及到转子绕组的绝缘，因此，因此，不能采用断开转子回路的办法来灭磁不能采用断开转子回路的办法来灭磁。对于灭磁的要求：对于灭磁的要求：1、灭磁时间短、灭磁时间短2、灭磁过程中转子电压不应超过允许值，即不超过额定值的、灭磁过程中转子电压不应超过允许值，即不超过额定值的45倍。倍。43/222024/7/163 3 励磁绕组灭磁励磁绕组灭磁方式方式灭磁原理灭磁原理耗能型灭磁(短弧灭弧栅，前苏联曾使用)移能型灭磁（线性电阻灭磁/非线性电阻灭磁)逆变型灭磁不同机组情况（仅为部分举例）水轮机直流励磁机：线性电阻交流励磁机：非线性电阻逆变灭磁）汽轮机无刷励磁：GEW无法接入灭磁开关，按发电机时间常数自然灭磁，AE励磁灭磁，三机励磁：国外：主励磁机励磁绕组回路设置灭磁开关国内：发电机主励磁回路二或三断口灭磁开关线性电阻灭磁静止自励系统断开晶闸管整流器交流侧电源中性点进行灭磁（如GE）发电机励磁绕组回路设置灭磁开关线性电阻灭磁（如日立）非线性灭磁电阻（ABB，瑞典ASEA）44/222024/7/164 4 励磁绕组对恒定电阻放电灭磁励磁绕组对恒定电阻放电灭磁在灭磁过程中，转子绕组的端电压可以被控制在灭磁过程中，转子绕组的端电压可以被控制 R越大，转子绕组端电压衰减越快，越大，转子绕组端电压衰减越快，灭磁过程也就快，但是，转子绕组端灭磁过程也就快，但是，转子绕组端电压也就越大电压也就越大 R越小，转子绕组端电压也就越小，越小，转子绕组端电压也就越小，但是，转子绕组端电压衰减越慢，灭但是，转子绕组端电压衰减越慢，灭磁过程也就慢磁过程也就慢 端电压端电压45倍倍45/222024/7/165 5 理想灭磁过程理想灭磁过程 理想的灭磁过程理想的灭磁过程就是整个灭磁过程中始终保持转子绕组就是整个灭磁过程中始终保持转子绕组GEW的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止 在灭磁过程中，转子回路的在灭磁过程中，转子回路的电流始终以电流始终以等速减少等速减少，而不再而不再以指数曲线减少，直至为零。以指数曲线减少，直至为零。曲线曲线1灭磁，灭磁速度灭磁，灭磁速度越来越慢越来越慢。曲线曲线2灭磁，励磁电流灭磁，励磁电流等速减少等速减少，在在t时刻降为零，过程中端电压时刻降为零，过程中端电压始终为额定值。始终为额定值。46/222024/7/166 6 交流励磁机系统的逆变灭磁交流励磁机系统的逆变灭磁1、逆变过程中的逆变角取、逆变过程中的逆变角取40度，以保证逆变成功度，以保证逆变成功2、逆变过程中交流电源不能消失，否则就无法实现、逆变过程中交流电源不能消失，否则就无法实现有源逆变灭磁。有源逆变灭磁。3、两个过程：、两个过程：对于逆变灭磁，当逆变进行到发电机励磁绕组中剩余磁场对于逆变灭磁，当逆变进行到发电机励磁绕组中剩余磁场能量不能再维持逆变时，则逆变结束，能量不能再维持逆变时，则逆变结束，剩余能量向并联电阻放电，直至转子励磁电流衰减为零。剩余能量向并联电阻放电，直至转子励磁电流衰减为零。在这种情况下，灭磁电阻可以采用容量小、阻值大的电阻。在这种情况下，灭磁电阻可以采用容量小、阻值大的电阻。在采用晶闸管整流桥向转子供应励磁电流时，在采用晶闸管整流桥向转子供应励磁电流时，可以用晶闸管的可以用晶闸管的有源逆变特性来快速灭磁有源逆变特性来快速灭磁，可以实现，可以实现在转子主回路中不添加设备就可以进行灭磁。在转子主回路中不添加设备就可以进行灭磁。5.3 励磁调解装置的基本原理5.3 励磁调解装置的基本原理励磁调解装置的基本原理基本原理框图 5.3.2 ZTL型励磁调节器的构成与工作原理1.电压测量比较单元电压测量比较单元的作用是测量发电机端电压G 并转为与其成正比的直流电压，与给定的基准电压相比较，得到电压的偏差信号。测单元由电压测量和比较整定环节组成。(1)电压测量电路电压测量电路的作用是将发电机端电压降压、整流、滤波后转换成一直流电压。测量变压器的作用是将电压互感器二次侧电压降低为适用于整流电路所需的值。其次级接三相全桥整流元件，再经过RC 滤波器滤波后，得到正比于机端电压的直流电压信号。（2）比较整定电路比较整定电路的作用：一是将测量输出的电压U C 与给定电压U gd 相比较，输出一个表征发电机与其给定值偏差的直流电压U b；二是通过调节发电机给定电压值U gd 去调节U b 的大小，进而调节发电机端电压或无功功率。给定值的调节可以本地手动调节，也可以远方手动调节或通过自动调节装置调节。（3)发电机端电压整定过程发电机端电压整定是指确定发电机端电压稳定工作电压。它是通过调整图5.18 中电位器W的阻值WR来实现的。W 的阻值可以在本地手动调整，也可以在控制室通过控制电动机D 的正、反转进行远方调整。2.综合放大单元1)综合放大单元的作用(1)综合放大各种励磁控制信号。(2)改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标。(3)输出移相单元所需的输入电压。2)对综合放大单元的基本要求(1)能线性无关地综合、放大各输入信号。所谓线性无关地放大各输入信号，是指输出与输入之间呈线性关系，而且改变输入信号的任何一个信号的放大倍数，不影响其他输入信号的放大倍数。(2)要有足够的运算精度和放大系数，且放大系数可调。(3)要有足够的响应速度，即时间常数要小。(4)工作稳定可靠，输出阻抗低。即要求零点漂移小，负载能力强，保证综合放大单元的输出电压不受移相触发单元工作的影响。(5)输出电压范围应满足移相触发单元的要求。3)综合放大单元的工作原理及特性3.晶闸管整流电路1)晶闸管整流电路的作用2)晶闸管整流电路的工作原理及特性工作原理(1)整流元件的通断。(2)整流元件的导通次序。(3)晶闸管的控制角。(4)晶闸管的导通角。(5)整流电路的输入电压。(6)整流电路的输出电压。(7)续流管的作用。4.同步和移相触发单元1)对移相触发单元的要求(1)晶闸管的触发脉冲应与晶闸管阳极电压同步。(2)触发脉冲的移相范围要符合相应可控整流电路的要求。(3)触发脉冲应有足够的功率以保证晶闸硅可靠地导通。(4)触发脉冲上升沿要陡。(5)触发脉冲应有足够的宽度。(6)保证各相晶闸管的控制角 一致。(7)触发脉冲应与主电路相互隔离。移相触发电路的工作原理及特性图5.24 是移相触发单元的构成框图。其包括同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等几个部分。61/222024/7/16励磁调节器的静态工作特性励磁调节器的静态工作特性励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度是调节器的主要指标之一是调节器的主要指标之一62/222024/7/16励磁调节器的静态工作特性及调整励磁调节器的静态工作特性及调整63/222024/7/162 2 发电机励磁自动控制系统的静态工发电机励磁自动控制系统的静态工作特性作特性发电机的调节特性：发电机的调节特性：IEF=f（IQ）发电机转子电流发电机转子电流IEFvs.无功负荷电流无功负荷电流IQ励磁机定子电流励磁机定子电流IEF 与励与励磁机的励磁电流磁机的励磁电流IEE 之间之间是线性关系是线性关系64/222024/7/16发电机无功调节特性发电机无功调节特性发电机发电机转子电转子电流直接流直接用励磁用励磁机的励机的励磁电流磁电流来表示来表示a a a b b b 无功调节特性曲线无功调节特性曲线特征：稍有下倾特征：稍有下倾65/222024/7/16发电机调差系数发电机调差系数a b 调节特性下倾的程度表征了发电机调节特性下倾的程度表征了发电机励磁控制系统运行特性的一个重要励磁控制系统运行特性的一个重要参数参数调差系数调差系数无功电流从无功电流从零零增加到增加到额定值额定值时发电机电压的相对变化时发电机电压的相对变化空载空载额定无功额定无功 多台发电机综合调差系数？多台发电机综合调差系数？66/222024/7/163 3 并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配 多台发电机并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影多台发电机并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影响本机组的无功电流，而且影响同一母线上并联机组的无功电流，响本机组的无功电流，而且影响同一母线上并联机组的无功电流，母线电压也发生变化，这些变化与机组的调差特性有关。母线电压也发生变化，这些变化与机组的调差特性有关。1、一台无差调节特性机组与有差调节特性机组并联运行、一台无差调节特性机组与有差调节特性机组并联运行稳定运行点稳定运行点正调差正调差特性特性无差调无差调节特性节特性 一台无差调节特性的发一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特电机可以和多台正调差特性的发电机并联运行性的发电机并联运行 平移调差特性曲线，可平移调差特性曲线，可以改变无功分配以改变无功分配 平移调差特性曲线，可平移调差特性曲线，可以改变电压以改变电压67/222024/7/163 3 并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配无差负差无差负差负调差特性的发电机不能在公共母线上并联运行的负调差特性的发电机不能在公共母线上并联运行的不稳定运不稳定运行点行点无差调无差调节特性节特性负调差负调差特性特性 小扰动使得无功增加小扰动使得无功增加 IEF增加以增加增加以增加Q 无功进一步增加无功进一步增加负调差特性机组负调差特性机组68/222024/7/16并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配2、两台无差调节特性机组并联运行、两台无差调节特性机组并联运行无差调节特性无差调节特性1无差调节特性无差调节特性2两条曲线分离则无交点，实际运行又很难做到曲线重合，两条曲线分离则无交点，实际运行又很难做到曲线重合，因此，因此，两台无差调节特性机组是不能并联运行两台无差调节特性机组是不能并联运行69/222024/7/16并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配3、多台正调差特性机组并联运行、多台正调差特性机组并联运行1、母线电压波动时，发、母线电压波动时，发电机的无功电流增量与电机的无功电流增量与电压偏差成正比，与调电压偏差成正比，与调差系数成反比，与电压差系数成反比，与电压整定值无关。整定值无关。2、在同一母线上并联发、在同一母线上并联发电机，无功负荷波动时，电机，无功负荷波动时，电压偏差相同，调差系电压偏差相同，调差系数小的发电机承担多的数小的发电机承担多的无功电流增量无功电流增量GU1MU2MUQI1QI2QI1QI2QI1G2G2QID1QID70/222024/7/16并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配3、为了满足各台发电、为了满足各台发电机无功负荷的波动量与机无功负荷的波动量与他们的额定容量成正比，他们的额定容量成正比，则要求并联发电机组具则要求并联发电机组具有相同的调差系数。有相同的调差系数。4、需要改变发电机组、需要改变发电机组的无功负荷时，调整的无功负荷时，调整调节器的整定元件，调节器的整定元件，使得特性曲线上下移使得特性曲线上下移动即可。动即可。5.4 同步发电机励磁调节器静态特性的调整5.4.1 同步发电机电压调节特性的调整同步发电机电压调节特性是指在没有人工参与调节的情况下，发电机端电压 U G与发电机电流的无功分量 I q之间的静态特性，亦称电压调差特性。对同步发电机电压调节特性进行调整，主要是为了满足运行方面的要求。这些要求是：(1)保证并列运行发电机组间无功功率的合理分配(通过调整各发电机的调差系数，使其相等即可实现)；(2)保证发电机能平稳地投入和退出运行，而不发生冲击现象(通过上下平移发电机调节特性曲线即可实现)。5.4.2 发电机调节特性的平移发电机投入或退出电网运行时，要求能平稳地转移负荷，不要引起对电网的冲击。当一台带有自动励磁调节器的发电机接入无限大容量电网运行时的运行图如图所示。5.5 同步发电机励磁系统的动态特性5.5.1 概述同步发电机励磁自动控制系统是一个反馈自动控制系统，其动态特性是指在外部干扰信号作用下，该系统从一个稳定运行状态变化到另一个稳定运行状态的时间响应特性。图5.35是同步发电机在额定转速下突然加入励磁时发电机电压从零升至额定值时的时间响应曲线。5.5.2 同步发电机励磁系统的传递函数4.同步发电机励磁自动控制系统的传递函数5.6 微机型励磁调节器1.模拟量输入和电量变送器微机型励磁调节装置的输入为发电机的端电压U G、输出电流I G。有的产品还输入发电机有功功率P G 和无功功率Q G、频率f 和励磁电流I EF。输入微机型励磁调节装置的这些模拟电量需转换成数字量才能输入到微机型励磁调节装置的核心部分微型计算机中。模拟量的转换方式有两种，即采用电量变送器和交流采样。(1)采用电量变送器 （2）采用交流采样 2.工业控制微型计算机 3.接口电路 4.同步和数字触发控制电路 5.并行I/O和显示接口 5.6.3 微机型励磁调节器软件结构1.软件的组成发电机的励磁调节是一个快速实时的闭环调节，对发电机端电压的变化要有很高的响应速度，以维持端电压在给定水平；同时，为了保证发电机的安全运行，励磁调节装置还必须具有对发电机及励磁系统起保护作用的一些限制功能，如强励和低励限制等。微机型励磁调节装置的调节、限制及控制等功能，都是通过软件实现的微机型励磁调节装置的软件由监控程序和应用程序组成。2.主程序流程及功能3.调节控制程序的流程和功能4.电压调节计算电压调节计算流程包括采样程序、调差计算程序和对电压偏差的比例调节等。5.限制判别程序为了减少电网事故造成的损失，一般希望发生事故时发电机尽量保持并网运行而不要轻易解列，而电网事故又往往造成发电机运行参数超过其允许范围。为了保证电网事故时发电机尽量不解列，而又不危及发电机的运行安全，容量在100MW 以上的发电机一般应设置励磁电流限制。为此目的设置的限制包括强励定时或反时限限制、过励延时限制和欠励限制。为了防止发电机空载运行时由于励磁电流过大导致发电机过饱和而引起过热，还应设置发电机空载最大磁通限制。限制判别程序包括强励定时限和反时限限制判别程序、过励限制判别程序、及欠励限制程序三部分。1)强励定时限和反时限限制判别程序强励时发电机励磁电流会快速地增加到强励顶值。长时间强励会使发电机励磁功率设备、发电机以及与发电机连接的主设备过热，危及运行安全。为了保证电厂设备运行安全，对强励规定一个时间，不管电网事故是否消除，到达规定时间后，自动地将发电机励磁电流限制在长期运行最大允许值内。这就是强励定时限制。2)过励限制判别程序大型发电机额定运行时，定子和转子绕组的温度是相当高的，没有足够的过负荷温度余量。通常，发电机运行在高功率因数区时定子发热是关键；运行在低功率因数区时转子发热是关键。为了保证发电机不过热，应按照发电机制造厂家给出的图5.54 中曲线a对励磁电流进行限制。3)欠励限制判别程序发电机进相运行时，为了保持机组运行稳定性和防止发电机电枢端部铁心过热，必须防止励磁电流运行在低于稳定运行所要求的数值以下。