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励磁系统基本原理,尹志丰 2016.06.21,一、励磁系统的基本作用,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,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,建立发电机机端电压：电磁感应原理 最主要功能：维持发电机机端电压恒定、稳定 交流输电系统的输送功率极限公式： 在并列运行的发电机间合理分配无功功率 提高电力系统的运行稳定性,基本作用,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。频率稳定由调速器调节。 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（稳定余度问题、极限功率问题、发电机的能力问题）； 暂态稳定是大扰动后系统在随后的12个周波的稳定性；（安稳装置切机问题、继电保护问题） 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（励磁PSS问题）。,功角稳定比喻,碗中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的位置。如果这个碗的高度很矮，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。提高碗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碗的坡度，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。 如果这个碗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，相当于增加碗和球的摩擦系数，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。,电力系统稳定器（PSS）可以增加电力系统正阻尼，用于抑制电力系统低频振荡 。,发电机电气功率Pe/Pe、机械功率Pm、加速功率Pa、同步转矩Ts、阻尼转矩TD、电磁转矩TE、转子角、转子角速度的正方向相位关系如下图所示：,加速功率Pa机械功率Pm电气功率Pe 由励磁系统引起的附加电磁转矩，包含同步转矩Ts和阻尼转矩TD两个分量。当发电机采用高放大倍数、快速励磁系统时，阻尼转矩可能会出现负值（如图中的TD），引起发电机阻尼不足，当系统发生扰动时造成发电机低频振荡。,PSS的原理,在发电机的励磁控制系统中，采用Pe、f等一个或几个信号，经适当放大、相位补偿后作为励磁附加反馈控制，可以增加电力系统的正阻尼，从而阻尼电力系统功率振荡，这种用于增加电力系统正阻尼的附加励磁控制装置称为电力系统稳定器（Power System Stabilizer，简称PSS）。它不降低励磁系统电压调节环的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能，而对抑制电力系统低频振荡效果显著。PSS在国内外都得到了广泛应用。 因此，通过PSS实现的主要目标就是：获得一个附加的电磁力矩，在电力系统低频振荡区（0.12.0Hz）内使该力矩向量对应轴在超前10滞后45以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应轴在0滞后30以内，以尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频振荡。,快速励磁及较高的强励倍数，可以提高电力系统暂态稳定极限。,第一位的措施是继电保护正确、快速动作，如0.1s内切除近端故障。 在0.1s内各种励磁系统作用没有明显差别。 故障切除后，快速励磁及较高的强励倍数，可以提高系统暂态稳定极限，有利于暂态稳定的恢复。,采用可靠性高、控制性能强的励磁系统，是保证发电机安全稳定运行并提高电力系统稳定性的经济而有效的措施。,二、励磁系统的几种主要类型,励磁系统的组成： 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,三、自并励励磁系统的基本构成,自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中型发电机组中普遍采用。其主要技术特点： 接线简单、结构紧凑； 取消励磁机，发电机组长度缩短，减小轴系振动，节约成本； 典型的快速励磁系统； 调节性能优越，通过附加PSS控制可以有效提高电力系统稳定性。,3.1 自并励励磁系统的主要组成部分,3.2 励磁变压器,将高电压隔离并转换为适当的低电压，供整流器使用。一般接线组别：Y/d-11。 励磁变的额定容量要满足发电机1.1倍额定励磁电流的要求。 励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。 励磁变的绝缘等级：F级或H级。 励磁变的额定最大温升：80K或100K。,3.3 可控硅整流桥,可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方 式，实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务，给发 电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。,晶闸管的伏安特性,电力电子技术的发展：IGBT,晶闸管的导通与关断条件,晶闸管的导通条件：以下两条件须同时具备 正向阳极状态（阳极电位高于阴极电位）； 控制极加上触发电压（或触发脉冲）； 晶闸管的关断条件：以下任一条件即可关断 主回路断开； 晶闸管两端处于反向电压时（阳极电压低于阴极电压） 流过晶闸管的电流下降到小于维持电流,三相全控桥电路结构,SCR循环导通顺序：至少有2个可控硅开通。 12323454561612 1个工频周期完成1个换相导通循环。 换相是严格按顺序的。,发电机转子相当于大电感。三相全控桥带电感负载下的二个主要工作状态：,整流状态：交流变直流，能量供给，输出电压Ud0。,逆变状态：直流变交流，能量反送，输出电压Ud0。,Ud=1.35U2cosa，a为整流桥触发控制角 I20.816Id Ud、Id直流输出侧电压、电流； U2、I2交流输入侧线电压、相电流；,三相全控桥电路要点,三相全控桥带电感负载下的二个重要关系公式：,触发控制角的理论范围0180，超出此范围外的触发信号就会造成混乱。触发控制角的角度控制是严格的，一般实用范围：10150 090：整流状态； 90180：逆变状态。 逆变状态时为什么是负的？电流方向与原来一致，而电压方向反，因此功率传送方向会反转，从整流态到逆变态，完成能量消耗。 自并励情况、发电机空载状态下，可实现逆变灭磁。转子电流通过发电机、励磁变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长，10s左右。,三相全控桥电路的典型波形,=00: 自然换相点， 二极管整流， AC变DC =0900: 整流状态， AC变DC =1500: 逆变状态， DC变AC,可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般12V），造成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大承受结温（PN结）是125。 可控硅散热方法：可控硅压装散热器，并启动冷却风机进行风冷散热。,三相全控桥的散热,可控硅过流保护：每可控硅串联快速熔断器。 可控硅换相尖峰过电压保护：可控硅两端并联R、C吸收电路，或采用集中式阻容保护。 由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变的漏感，集中式阻容保护可以直接吸收，保护效果更好。,三相全控桥的保护,三相全控桥的集中式阻容保护电路：C1主要吸收,3.4 灭磁系统,灭磁，即是快速把转子电感中储存的大电流 释放掉，以保证发电机安全运行，保护机组和其 它设备安全 。 转子电感是大的储能元件，电感中的电流是 不能突变的。储存能量为： 灭磁系统由灭磁开关、灭磁电阻及灭磁回路 开通控制单元组成。灭磁，就是把转子中储存的 能量转移到灭磁电阻中，来消耗掉。,灭磁系统的构成原理图,发电机正常运行中，励磁电压比较小，控制单元不能触发可控硅开通，灭磁电阻回路中没有电流通过 。 当灭磁开关分断后进行灭磁时，转子电感两端出现较大的反向电压，同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路，把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路开通，转子电流就可以快速转移到灭磁电阻回路，通过灭磁电阻把电流转换为热量释放。,灭磁系统的基本工作原理,灭磁开关,灭磁开关的基本作用：控制转子绕组中励磁电流的接通、分断；灭磁开关分断后，配合灭磁电阻完成灭磁的任务。 耗能型灭磁开关灭磁开关分断励磁回路后，利用开关断口将灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧室内燃烧，使电弧能量消耗完毕，实现灭磁。灭磁能量有限。很少采用。典型产品：国产DM2型。 移能型灭磁开关灭磁开关分断励磁回路后，将转子电流转移到灭磁电阻上消耗或吸收，开关本身基本不吸收灭磁能量。灭磁能量大，灭磁时间快，普遍采用。典型产品：国产DM4、DMX，进口ABB-E、UR、HPB型。,灭磁过程中，移能成功的条件： 灭磁开关要有足够高的弧压，才能顺利实现移能。 UR、HPB型灭磁开关的弧压，都在4000V以上。,灭磁中的移能,线性电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。 氧化锌ZnO非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理想。 SiC非线性电阻，国外生产，经常采用英国M&I公司的产品，超大型机组应用较多，比如：三峡、龙滩、拉西瓦等；灭磁时间适中。 水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。 单片ZnO阀片的工作能容量是15KJ，而单片SiC阀片的工作能容量为62.5KJ。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需要几百片非线性电阻阀片串、并联连接。并联均能或并联均流问题突出。 SiC阀片容量大、其伏安特性更适合并联，所以，在超大型发电机的励磁系统中普遍使用。,灭磁电阻,逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流桥处于逆变状态，使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源侧及回路电阻中消耗，实现灭磁。在自并励励磁系统中，由于在逆变灭磁过程中，发电机端电压也在不断减小，吸收能量不断减小，所以，逆变灭磁的时间比较长。空载额定状态下，逆变灭磁时间一般达到10s。 灭磁系统灭磁：在发电机事故、过压或系统故障情况下停机时，励磁电流较大，希望能快速灭磁，消除故障、防止事故扩大化，采用分断灭磁开关的方法将能量转移到灭磁电阻中实现快速灭磁。灭磁系统灭磁的时间一般在5s以下。,两种灭磁方法,3.5 励磁调节器,励磁系统的控制核心，利用自动控制原理，自动控 制可控硅整流桥的触发角度、快速调节励磁电流大小，实 现励磁系统的各种控制功能，使发电机组满足各种发电工 况的运行要求。 典型的控制算法：闭环负反馈控制、超前滞后补 偿算法或经典PID算法，自动维持发电机电压恒定、稳定。 附加PSS控制功能，经济、有效地提高电力系统稳 定性。,励磁调节器硬件构成,四、励磁调节器的主要功能,现有的励磁控制理论,PID PID+PSS 线性最优控制 自适应最优控制 非线性控制 鲁棒PSS（NLPSS）,自动方式，是励磁调节控制的主要运行方式，由两部分组成：自动电压调节器，即AVR；及PSS附加控制。 AVR为机端电压负反馈闭环控制，用于自动维持机端电压恒定、稳定。为使励磁系统有良好的静、动态性能，AVR可采用两级超前滞后校正环节。 PSS（电力系统稳定器）做为AVR的附加控制，用于增加电力系统的正阻尼，从而抑制电力系统有功低频振荡。它不降低励磁系统AVR调节的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能 。PSS已成为励磁调节器的标配环节，在国内外电力系统中都得到了广泛应用。,AVR的数学控制模型,PID控制,Kavr关系到发电机端电压的调节精度。在保证AVR闭环调节稳定的前提下，Kavr越大，机端电压的调节精度越高，越能维持机端电压的恒定。 超前滞后环节的参数整定，保证AVR闭环控制稳定，并有良好的动态特性。通过励磁标准中机端电压阶跃试验的指标来验证。 励磁标准中要求机端电压的调节精度为0.5。即，在AVR给定值Uref不变的情况下，发电机输出从空载到满载的过程中，机端电压的变化不超过发电机额定电压的0.5。,AVR数学模型中的放大倍数Kavr,PSS的数学控制模型：PSS2B,PSS数学模型说明,PSS2B以转速信号与电功率信号合成的加速功率做为PSS的输入量，在解决“反调”问题的同时，不影响PSS的阻尼效果。 通过PSS实现的主要目标就是：获得一个附加的电磁力矩，在电力系统低频振荡区（0.12.0Hz）内使该力矩向量对应轴在超前10滞后45以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应轴在0滞后30以内，以尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频振荡。 PSS环节的参数，需要经过电网公司认可、具有资质的第三 方试验单位（一般是各电网的电科院）进行现场试验后给出。,励磁调节器的手动方式FCR，为励磁电流负反馈闭环控制，用于维持励磁电流恒定、稳定。 FCR，是励磁调节控制的辅助运行方式。在发电机端PT回路出现故障、自动方式采集的机端电压出现异常情况时，励磁调节器自动切换为手动方式运行，防止励磁系统出现误强励。,手动方式FCR控制,手动方式主要用于试验（如在设备的投运或维护过程中的发电机短路试验），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的辅助/过渡控制方式。 由于手动方式不利于发电机电压的稳定，所以不宜长期运行。 为了避免在手动方式下发电机突然甩负荷引起机端过电压，手动方式也应具有自动返回空载的功能。即在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，则立即把励磁电流给定值置为空载励磁电流值。,自动方式AVR控制的整体模型描述,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） 软起励功能 PSS功能 电制动功能 PT断线保护,无功调差是励磁调节器自动方式的附加控制之一，可以根据发电机无功的变化对机端电压进行必要的微调。 正调差：实现机端直接并列连接的发电机间无功的合理分配。当发电机无功输出增加时，正调差使得发电机端电压适当降低，防止并列运行的发电机间无功互抢。 负调差：当发电机无功输出增加时，负调差使得发电机端电压适当提高，用于补偿单机单变方式下主变的压降损失。 从系统母线侧看，单机单变方式下的整体调差，应表现为正调差。,无功调差控制,正常情况下，发电机输出的无功为正。当发电机端电压低于系统电压时，发电机从系统吸收无功或输出负无功，这种情况称为发电机进相运行。 当电力系统夜间运行时，系统可能出现过剩的无功，引起系统电压升高。需要一些发电机机组进相运行，来吸收系统多余的无功，维持系统电压水平。 过度的进相运行，将引起发电机失去静态稳定。 欠励限制环节限制发电机进相运行的无功在一定范围，保持发电机静态稳定。 欠励限制有效条件为：发电机出口断路器合且当前无功值小于0。当欠励限制条件不满足时，欠励限制不起作用。 欠励限制动作时，调节器发“欠励限制”报警信号，闭锁减磁操作。,欠励限制,发电机V/f限制,正常情况下，发电机端电压处于额定水平，发电机频率也在额定频率，发电机及主变压器的激磁回路不在饱和状态。 当发电机频率降低时，如果仍要维持发电机端电压在额定水平，励磁电流和主变激磁电流就需要正比增加。当频率降低到一定程度后，激磁回路将处于饱和状态，将引起磁路损耗增大、发热而损坏。 V/f限制的作用，使得发电机端电压随频率的降低而成比例的减小，维持发电机及主变压器的激磁回路不进入饱和状态而损坏。,强励顶值限制与过励反时限限制,在自动方式下，为了提高电力系统暂态稳定极限，在系统出现故障时，发电机端电压降低，励磁系统自动进行强励，励磁电流输出增大，超过额定励磁电流。 励磁系统强励输出情况下，发电机转子绕组处于过流状态。 为了防止强励情况下发电机转子由于过流而烧坏，需要进行强励限制。 分为强励顶值限制和过励反时限限制。发电机转子的过流能力表现为反时限特性。 强励顶值限制，限制强励情况下励磁电流的最大输出，是瞬时限制。 过励反时限限制，根据反时限特性，限制励磁电流输出，防止发电机转子过流损坏。,强励及过励反时限限制器说明,强励顶值限制值IFEL按励磁标准要求，一般为额定励磁电流的1.82.0倍 。 当过励反时限限制器动作后，把励磁电流按0.95倍过励限制值0.95IOEL限制（IOEL为过励限制值，指最大的长期允许励磁电流，一般为额定励磁电流的1.051.1倍）。直到励磁电流降低到0.95IOEL以下且转子内部的过热积累释放完毕后再恢复正常强励限制。,调节器其他的附加功能,系统电压跟踪 恒无功调节 恒功率因数调节 PSVR 软起励功能 PT断线保护功能 电制动功能,调节器功能软起励,t,UG,起励 根据整定值爬升 稳定运行,If,电制动模式,电制动方式停机是水轮发电机较为理想的制动方式。 电气制动比机械制动具有制动力矩大、停机时间短、无环境污染、以及制动投入速度不受限制和设备维护检修方便等优点。 电制动一般在机组正常停机时投入。 在励磁调节器内，增加电制动模式，可与外部电制动操作、逻辑回路配合，实现电制动停机。在电制动过程中，调节器通过控制调节，使得励磁系统向发电机励磁绕组提供一恒定的励磁电流，大小可根据需要用软件设定。,恒控制角模式,这是调节器的一种开环调节方式，只能做为试验手段使用。在励磁电源它励方式下，恒控制角模式可方便地用于发电机短路试验、发电机空载特性试验。 只能通过调试软件操作进入恒控制角模式。 对调节器来说，进入恒控制角模式的条件及常规顺序为： （1） 励磁电流为0； （2） 通过调试软件选择进入“恒控制角模式”的命令； （3） 通过调试软件选择“强制开机”的命令。 进入恒控制角模式后，调节器先进行初始化，使控制信号输出为最大。之后，可通过调试软件设置控制角，也可通过外部增、减磁操作来调整控制角。 调节器退出恒控制角模式的常规顺序为： （1） 先把励磁电流降为0； （2） 通过调试软件选择“退出强制开机”的命令； 通过调试软件选择进入“正常模式”的命令，即退出恒控制角模式，进入发电模式。,通道跟踪,通道间的跟踪是由调节器软件实现的，备用通道跟踪运行通道，跟踪的依据是两通道的调节输出（控制信号）相等。不同于通道内的跟踪，这种跟踪关系是可通过人机界面人工投退。 自动跟踪功能保证了从运行通道到备用通道的平稳切换。切换可能是由于故障引起的自动切换（如PT断相）或人工切换。 无论系统是采用双通道配置还是三通道配置，备用通道总是跟踪运行通道。,系统电压跟踪,为了方便发电机组并网运行，励磁调节器还应改增设系统电压跟踪功能。 系统电压跟踪条件为： 系统电压跟踪功能投入、本通道运行、系统电压大于80%、发电机出口断路器分且定子电流小于10%。,定子电流限制（正无功限制）,定子电流限制有效条件为：发电机出口断路器合且当前无功值大于0。当定子电流限制条件不满足时，限制不起作用。 定子电流限制动作时，调节器发“A（B）套定子电流限制动作”报警信号，闭锁增磁操作。,过励保护功能,在转子短路等故障情况下，励磁电流会突然增大，此时励磁系统需要设置过励保护。 一般情况下过励保护整定值在2.5-3.5倍的额定励磁电流。 一旦过励保护动作，要驱动保护完成跳闸。,容错控制,检测容错 包括模拟量检测容错和开关量检测容错等，如对PT断线的检测、对PT相序和CT相序的检测，增、减磁接点防粘连，油开关信号容错，开停机信号容错等。 控制容错 包括过励限制动作限制增磁，欠励限制动作限制减磁，防止空载误强励，过励/欠励优先权判断，PSS输出故障等。,人工增减磁操作条件,增磁允许条件：V/F限制、过励限制、强励限制、定子电流限制都没有动作； 减磁允许条件：欠励限制、低励磁电流都没有动作； 防粘功能： 增磁、减磁分别具备4秒的防粘功能，如果某一个命令持续时间超过4秒，则动作无效，直到动作复归后，下次动作才会有效。 如果增磁、减磁都处于正常状态，则二者同时动作时，操作无效。,THE END THANK YOU！,