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发电机励磁系统培训发电机励磁系统培训 国电南瑞科技股份有限公司 许其品 2012年9月 一、 励磁系统的作用与原理 三、 励磁系统的接口 二、 励磁系统的设计 四、 新一代励磁调节器介绍 1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 （1）维持发电机或其他控制点电压在给定水平 u 维持发电机机端电压 u 保持一定精度的自动电压调节 （能力） u 满足必要的快速电压调节性能 （能力） u 参与全厂几电网的电压控制（ 性能） u 保证电力系统运行设备的安全 。 u 保证发电机运行的经济性。 u 提高电力系统稳定性。 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 1、并列运行的必要条件 u并列母线电压相等 u并列机组的总无功等于各机组无功之和 2、调差的定义 D(%)=(Ug0-Ug)/Ug100% （2）保证并列运行机组的无功功率有序分配 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 3、调差的作用 图1：有差和无差并联 图2：差小和差大的并联 结论：不同容量机组并列调差 相同(以机组额定容量为基 准值时，不同容量机组的调 差曲线应相同)。图3 （2）保证并列运行机组的无功功率有序分配 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 u 静态稳定性 u 暂态稳定性 u 动态稳定性 u 电压稳定 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 发电机输出电磁功率 发电 机功 角向 量图 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 单机双回无穷大系统 励磁控制系统对电网稳定性的影响 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 功角是表征电力系统稳定性重要的量，功角失稳指 系统中各发电机之间的相对功角失去稳定性的现象。 u系统扰动-发电机输 出功率变化-转矩平 衡被破坏-发电机 转子角摆动 u如果发电机转子角的摆 动能够平息，则称它是 功角稳定的，反之则是 功角不稳定的。 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 电力系统静态稳定性(Steady Stability)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。 静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到 微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时 性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行 状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是 静态不稳定的。 （A）提高电力系统的稳定性-静态稳定性 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 如左图所示，采用了自 动励磁调节的发电机静 态稳定运行的最大电磁 功率和最大功率角都有 提高。 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 电力系统静态稳定性的判据是发电机输出电磁功率对功角 的微分dPe/d是否大于0 。 （A）提高电力系统的稳定性-静态稳定性 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 （B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 电力系统暂态稳定性 (Transient Stability)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 。 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 电力系统暂态稳定性的判据是等面积定则。 左图的功率曲线中， 当功角从1变化到2 时，机械输入功率PT 与电气输出功率P3之 间的面积正比于转子 动能的变化量。 1 1 励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用 （3）励磁控制系统对电网稳定性的影响 等面积定则： 减速面积和加速面积如图所示。 如图（a）减速面积加速面积，临界稳定； 如图（b）减速面积加速面积，稳定； 如图（c）减速面积0.9 其他措施 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计均流设计 晶闸管元件额定电压选择 ： 式中：VRRM为晶闸管反向可恢复电压 VDRM为晶闸管正向可恢复电压 U2为励磁变压器副边二次侧额定电压 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计晶闸管额定电压选择 晶闸管通态平均电流计算： 1)正常工作情况下 2)退一柜 3)退两柜 4)短时强励 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 式中：n为系统整流 桥数目 Ki0、1、2、3为不同工 况下整流桥并列运 行的均流系数 m为整流桥数目 Kif为电流强励倍数 （2）功率柜设计晶闸管平均电流计算 晶闸管元件结温计算 ： 最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 通态损耗： 式中：ITAV通过晶闸管的平均电流 VT为晶闸管导通时的门槛电压 RT为晶闸管的斜率电阻 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计晶闸管结温计算 晶闸管元件结温计算 ： 最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 晶闸管开通损耗： 式中：为晶闸管控制角 LK为单相回路交流侧电感 np为并联支路数 Pon晶闸管每次的开通损耗 f是晶闸管的开关频率 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计晶闸管结温计算 晶闸管元件结温计算 ： 最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 晶闸管关断损耗： 式中：为换流重叠角 Poff晶闸管每次的关断损耗 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计晶闸管结温计算 晶闸管元件结温计算 ： 最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 总损耗： 晶闸管的结温： 式中：R是总热阻 Rjc是结到壳的热阻 Rchs是壳到散热器的热阻 Rhs是散热器的热阻 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计晶闸管结温计算 晶闸管快熔选择计算 ： 快熔标称电压快熔标称电压 快熔额定电流 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （2）功率柜设计晶闸管快熔选择 1、灭磁方案的确定 确定灭磁电阻 确定灭磁最大残压 确定灭磁方案 确定灭磁主回路 2、灭磁仿真计算 确定灭磁电阻容量 根据最大分断能力要求选择磁场断路器 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 2.1 同步发电机派克(Park)方程组 为了进行分析，计及发电机转子上阻尼绕组效应时，在 d，q坐标轴下的Park电压方程如下 ： (1) 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 用实 际物理量 (有名值) 写出的在 d，q 坐标下 的磁链： (2) 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 将式（2）代入式（1），可得(3)： (3) 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 是Simulink习惯用的微分算子 ,同步速时 有 ,在方程(3)中所有定、转子的电量 都用物理量(有名值) ，只是在定、转子量间引入 了磁链转换因数K。注意为了区分直轴互感定子侧 和转子侧不同的有名值，用Lad代表定子侧直轴互感 ，用Lad代表转子侧的。用Laq, Laq分别定,转子 侧交轴互感. 应当指出，这里阻尼绕组的i1d ,i1q, 是已被换算到磁场绕组的电流，由于阻尼绕组中实 际电流无法测量，这样做足以反映出它们所起的作 用. 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 2.2 求解微分方程的仿真 用 MatlabSimulink 解微分方程组，下图表示 求解发电机起励、空载、突然三相短路、灭磁用 Simulink总结构图，它包括了式(3)。 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 S=p=d/dt 是Simulink习惯用的微分算子 , 同步速 时有p=2f, 在方程 (11)(15) 中所有定、转 子的电量都用物理量(有名值) ，只是在定、转子 量间引入了磁链转换因数K。注意为了区分直轴互 感定子侧和转子侧不同的有名值，用Lad代表定子 侧直轴互感，用Lad代表转子侧的。用Laq, Laq分 别定,转子侧交轴互感. 应当指出，这里阻尼绕组的 i1d ,i1q，是已被换算到磁场绕组的电流，由于阻尼 绕组中实际电流无法测量，这样做足以反映出它 们所起的作用 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 灭磁时, 图中的磁场开关FB断开,灭磁电阻R投入, 发 电机磁场方程变为： 其中 =Ux是非线性电阻 R上的电压降. 假定 =1, R 就成为线性电阻，对非线性电阻ZnO， =0.046， SiC =0.28-0.42, k值的选择取决于灭磁时允许的 反向电压 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机三相突然短路时，转子电流及通过线性电 阻和ZnO电流的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机三相突然短路时，灭磁电阻电压的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机三相突然短路时，线性灭磁电阻、阻尼绕组 、转子和ZnO吸收能量的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机空载误强励时，励磁电流、d轴阻尼绕组电 流及灭磁电阻电压的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机空载误强励时，灭磁电阻、转子电阻及d轴阻尼绕 组吸收能量的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机空载误强励时，励磁电流、d轴阻尼绕组电流及灭 磁电阻电压的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 发电机负载误强励时，灭磁电阻、转子电阻及d轴阻尼绕 组吸收能量的仿真波形 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 磁场断路器的选择 磁场断路器额定工作电压： 应大于转子上的最大 工作电压 ； 磁场断路器额定工作电流： 应大于转子最大长期 连续工作电流； 磁场断路器开断电流能力： 应大于转子强励电流 和短路电流； 磁场断路器开断电压能力： 应大于灭磁电阻上电 压和可控硅整流桥输出电压之和。 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 灭磁主回路图 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 跨接器由机械跨接器M10、电子跨接器组成； 采用线性电阻灭磁； 过压非线性电阻触发模块主要器件采用BOD； 过压非线性电阻采用ZnO电阻。 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 左图为三峡机组灭 磁系统示意图。正常停 机采用逆变灭磁方式， 逆变结束后仅跳开交流 开关S102。 事故停机采用投灭磁 电阻跳磁场断路器的放 电灭磁方式，先跳直流 磁场断路器S101，后跳 交流开关S102，即直流 灭磁为主，交流灭磁为 辅。 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 （3）灭磁柜设计 厂家GE公司 型号GERapid-8007 22 操作电压范围 110V(70%-110%) 额定电压2000V 额定电流8000A 最大弧压4000V 最大分断电流 100KA 分断时间1000 条 故障日志模块 （5）励磁调节器设计监控软件 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 直观显示参考曲线 直观显示当前工况 四点拟合曲线设置 过欠励设置 （5）励磁调节器设计监控软件 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 24通道高速采集 实时波形显示 图形分析功能 采样示波器 （5）励磁调节器设计监控软件 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 多种变量循环录波 具备自动分析功能 自动存储录波数据 在线录波分析 （5）励磁调节器设计监控软件 2 2 励磁系统设计励磁系统设计 1、励磁系统的相关标准 3、励磁系统技术的发展 2、励磁系统设计 PSS的深化研究 研究能够在更宽频段提供正阻尼的PSS，如PSS4B 广域PSS的研究 3 3 励磁系统技术的发展励磁系统技术的发展 协调控制技术的研究 大型机组群励磁系统统一协调控制技术 励磁调速综合协调控制技术 3 3 励磁系统技术的发展励磁系统技术的发展 适用于智能电站的励磁控制技术 冗余容错及自诊断设计技术 励磁系统自身不同控制策略间的协调控制技术 同一电站不同机组之间协调控制技术 3 3 励磁系统技术的发展励磁系统技术的发展 基于高压侧电压控制的励磁控制技术研究 研究基于高压侧电压控制的励磁系统核心控制技 术，分析高压侧电压控制的主环控制策略以及附加控 制技术，结合AVC控制技术，确定高压侧电压控制的 励磁控制模式。 3 3 励磁系统技术的发展励磁系统技术的发展 电力系统次同步振荡对励磁系统的影响研究 研究串补接入和高压直流输电引起的次同步振荡 的原理，找出励磁系统、尤其是快速励磁系统对其的 影响机理，给出相应的数学模型和控制方法，来抑制 汽轮发电机可能会发生的次同步振荡现象。 3 3 励磁系统技术的发展励磁系统技术的发展 一、 励磁系统的作用与原理 三、 励磁系统的接口 二、 励磁系统的设计 四、 新一代励磁调节器介绍 励磁系统的接口 研究串补接入和高压直流输电引起的次同 步振荡的原理，找出励磁系统、尤其是快速励 磁系统对其的影响机理，给出相应的数学模型 和控制方法，来抑制汽轮发电机可能会发生的 次同步振荡现象。 一、 励磁系统的内部接口 二、 励磁系统的外部接口 以自并激励磁系统为例，解释励磁系统内部的接口 。 常规的自并激励磁系统主要由励磁变压器、可控 硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过电压 保护与灭磁装置等组成。其接线原理图如下： 励磁系统的内部接口 励磁系统的内部接口 励磁变压器 励磁调节器 整流柜 灭磁电阻柜 灭磁开关柜 转子电流 功率柜故障 同步信号 触发脉冲 启停风机 过压动作 停机令 励磁三相交流电源 起励信号 输出直流电压 励磁系统的内部接口 序号模拟量序号模拟量 1转子电流CT A相7同步电压TB2 A相 2转子电流CT B相8同步电压TB2 B相 3转子电流CT C相9同步电压TB2 C相 4同步电压TB1 A相10励磁电压 5同步电压TB1 B相11励磁电流 6同步电压TB1 C相 模拟量接口 励磁系统的内部接口 序号开关量 1功率柜故障(停风/熔丝断) 2风机启停控制 3磁场断路器节点停机令 4脉冲控制 5起励控制 励磁系统的内部接口 开关量接口 序号脉冲 1+A相脉冲 2+B相脉冲 3+C相脉冲 4-A相脉冲 5-B相脉冲 6-C相脉冲 7脉冲电源 励磁系统的内部接口 脉冲信号接口 调节器 NES 开关柜 FLK 机端电压PT 机端电流CT 开入量 故障、限制、告警 电源掉电监测 485通信输出模 拟量、开关量 分合开关 开关分合闸信号 变送器输出励磁 电压和励磁电流 励磁系统的外部接口 序号模拟量序号模拟量 1定子电压PT1 A相9定子电流CT A相 2定子电压PT1 B相10定子电流CT B相 3定子电压PT1C相11定子电流CT C相 4定子电压PT2 A相12调节器A套交流电源 5定子电压PT2 B相 13调节器B套交流电源 6定子电压PT2 C相14调节器直流电源 7系统电压15励磁电流(直流信号) 8予留交流输入量接口16予留直流输入量接口 励磁系统的外部接口 模拟量输入接口 序号模拟量 1励磁电压（4-20mA） 2励磁电流（4-20mA） 3励磁变压器温度 4功率柜温度 励磁系统的外部接口 模拟量输出接口 序号开入量序号开入量 1增磁令7主开关位置 2减磁令895%转速令（水电） 3建压令9 4逆变令10 5ECR运行（电流闭环）11 6PSS投退12 励磁系统的外部接口 开入量接口 序号开出量序号开出量 1调节器故障7欠励限制 2调节器告警8强励限制 3综合限制9V/F限制 4PT断线10PSS已投入 5功率柜故障11A/B电压/电流闭环运行 6过励限制12起励失败 最多有14路开出可以根据现场需要自定义 励磁系统的外部接口 开出量接口 序号开出量序号开出量 13A套交流掉电16B套直流掉电 14A套直流掉电17灭磁开关分闸 15B套交流掉电18灭磁开关合闸 此外,励磁系统还有与外部的CANBUS、485或232通讯 接口，通讯协议MODIBUS。 励磁系统的外部接口 开出量接口 一、 励磁系统的作用与原理 三、 励磁系统的接口 二、 励磁系统的设计 四、 新一代励磁调节器介绍 l硬件的可靠性得到进一步的提升,软件 的功能及冗余容错能力进一步加强,装 置整体功能更加丰富、性能更加优良。 l设计理念的转变。 新一代励磁调节器的特点 可选PSS2B/PSS4B电力系统稳定器模型； 完善的控制和限制、保护功能，带有定子电流限制 器； 反时限动作的限制器采用标准IEC反时限曲线，曲 线类型及参数可灵活整定；带有备选定时限限制器； 增加变位记录功能，可记录上万条故障、告警、限 制、状态量、开入等变位信息，便于运行状态监视与 追溯。 。 新一代励磁调节器的特点 事件报告、开关量定义、界面菜单、显示语言等使 用专用的