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发电机励磁系统讲座 武汉大学程远楚教授 第一节励磁系统的构成 供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统 它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分 励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流 而励磁调节器则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 第一章概述 励磁系统在电力系统中的作用为 根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流 以维持机端电压为给定值 控制并列运行各发电机间无功功率分配 提高发电机并列运行的静态稳定性 提高发电机并列运行的暂态稳定性 在发电机内部出现故障时 进行灭磁 以减小故障损失程度 提高继电保护的灵敏度 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制 改善电力系统的运行条件 第二节励磁系统的作用 发电机励磁控制系统的任务 1 电压控制在发电机正常运行工况下 励磁系统应维持发电机端电压 或升压变压器高压侧电压 在给定水平 相关指标 调压精度 是指在自动励磁调节器投入运行 调差单元退出 电压给定值不进行人工调整的情况下 发电机负载从零变化到视在功率额定值以及环境温度 频率 电源电压波动等在规定的范围内变化时 所引起的发电机端电压的最大变化 常用发电机额定电压的百分数表示 发电机调压静差率 调压静压率定义为自动励磁调节器的调差单元退出 电压给定值不变 负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压变化率 它可由下式计算 发电机励磁控制系统的任务 2 控制无功功率的分配当发电机并入电力系统运行时 它输出的有功决定于从原动机输入的功率 而发电机输出的无功则和励磁电流有关 在发电机并入无穷大电网运行的情况下 调节励磁电流将改变发电机输出的无功 实际运行中 发电机并联运行的母线不会是无穷大母线 这时改变励磁将会使发电机的端电压和输出无功都发生改变 但一般来说 发电机的端电压变化较小 而输出的无功却会有较大的变化 保证并联运行的发电机组间合理的无功分配 是励磁系统的重要功能 在研究并联运行发电机组间的无功分配问题时所涉及的主要概念之一是发电机端电压调差率 所谓发电机端电压调差率是指在自动励磁调节器调差单元投入 电压给定值固定 发电机功率因数为零的情况下 发电机的无功负载从零变化到额定值时 用发电机端电压百分数表示的发电机端电压变化率 通常由下式计算 发电机励磁控制系统的任务 3 提高同步发电机并列运行的稳定性暂态稳定是指电力系统在受到大扰动 例如高压输电网络中发生短路 或一台主要发电机被切除 此时系统将发生较强烈的振荡 一些同步发电机也可能失步 这种情况下的稳定问题 即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状况下稳定工作 称为暂态稳定问题 扰动的另一种形式是负荷随机地发生小的变化 即所谓小干扰 同步发电机在小干扰下的稳定问题 称为静态稳定问题 动态稳定则是指电力系统受干扰后 包括小干扰和大干扰 在考虑了各种自动控制装置的作用情况下 长时间的稳定性问题 阻尼问题 励磁调节可有效地提高电力系统的静态稳定性 并在一定程度上改善暂态稳定性 提高强励顶值倍数 但可能引入负阻尼 引发低频振荡 发电机励磁控制系统的任务 4 提高继电保护动作的灵敏度当系统处于低负荷运行状态时 发电机的励磁电流不大 若系统此时发生短路故障 其短路电流较小 且随时间衰减 以致带时限的继电保护不能正确工作 励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁对发电机进行强励 不仅有利于提高电力系统稳定性外 还因加大了电力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度得到提高 发电机励磁控制系统的任务 5 快速灭磁当发电机或升压变压器 采用单元式接线 内部故障时 为了降低故障所造成的损害 要求这时发电机能快速灭磁 此外 当机组甩负荷时 发电机机端电压会异常升高 对于水轮发电机尤其如此 当水轮发电机发生甩负荷时 由于机组惯性时间常数较大 发电机会产生较严重的过速 对采用同轴励磁机的发电机来说 它的端电压正比于转速的三次甚至四次方 因此 甩负荷可能造成发电机严重过压 为防止发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度 也要求励磁系统有快速灭磁能力 发电机励磁控制系统的任务 6 改善电力系统的运行条件前面已谈到 维持发电机端电压的恒定有利于维持电力系统的电压水平 当电力系统由于种种原因 出现短时低电压时 励磁自动控制系统可以发挥其调节功能 即大幅度地增加励磁以提高系统电压 从而可以改善电力系统的运行条件 1 改善异步电动机的自起动条件 2 为发电机异步运行创造条件 3 减少重负荷合闸时的电压下降 4 重负荷跳闸时 减少系统电压的上升 第三节对励磁系统的基本要求 1 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并具有一定的调节容量 在电力系统运行中 发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制 因此 励磁功率单元应具备足够的调节容量 并留有一定的裕量 以适应电力系统中各种运行工况的要求 2 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度 前面已经提到 从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说 希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力 因此 在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标 第三节对励磁系统的基本要求 2 对励磁调节器的要求 1 系统正常运行时 励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平 并有足够的电压调节范围 2 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率 为此 励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整 半导体型的为 10 电磁型的为 5 并能随系统的要求而改变 3 对远距离输电的发电机组 为了能在人工稳定区域运行 要求励磁调节器没有失灵区 4 励磁调节器应能迅速反应系统故障 具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件 5 具有较小的时间常数 能迅速响应输入信息的变化 6 励磁调节器应具有高度的可靠性 并且运行稳定 这在电路设计 元件选择和装配工艺等方面应采取相应的措施 7 励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性 8 励磁调节器的时间常数应尽可能小 响应速度快 9 励磁调节器应结构简单 检修方便 并应尽量做到系列化 标准化 通用化 第三节励磁系统的分类 励磁系统的典型型式 1 直流励磁机励磁系统1960年以前 同步发电机励磁系统的励磁功率单元 一般均采用同轴的直流发电机 称为直流励磁机 励磁控制单元则多采用机电型或电磁调节器 随着电力系统的发展与同步发电机单机容量的增大 这种励磁系统已不能适应现代电力系统和大容量机组的需要 直流励磁机的励磁功率和响应速度及励磁电压顶值不能满足要求 励磁系统的典型型式 2 交流励磁机励磁系统直流励磁的换向器是影响安全运行的薄弱环节 也是限制励磁机容量的主要因数 因此 自六 七十年代开始 较大容量的发电机都不再采用直流励磁机而改用交流励磁机 交流励磁机系统与直流励磁机系统一样 根据励磁机的励磁方式不同 可分为它励和自励交流励磁机系统 按整流是静止或是旋转 以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同 又可分为下列四种励磁方式 1 交流励磁机 磁场旋转式 加静止硅整流器 2 交流励磁机 磁场旋转式 加静止可控硅 3 交流励磁机 电枢旋转式 加旋转硅整流器 4 交流励磁机 电枢旋转式 加旋转可控硅 励磁系统的典型型式 2 交流励磁机励磁系统它励交流励磁机励磁系统 励磁系统的典型型式 2 交流励磁机励磁系统自励交流励磁机励磁系统 1 励磁系统的典型型式 2 交流励磁机励磁系统自励交流励磁机励磁系统 2 励磁系统的典型型式 2 交流励磁机励磁系统间接自励交流励磁机励磁系统 励磁系统的典型型式 2 交流励磁机励磁系统无刷励磁系统 励磁系统的典型型式 3 静止励磁系统静止励磁系统取消了励磁机 采用变压器作为交流励磁电源 励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上 因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统 故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统 简称自励系统 与电机式励磁方式相比 在自励系统中 励磁变压器 整流器等都是静止元件 故自励磁系统又称为静止励磁系统 静止励磁系统也有几种不同的励磁方式 如果只用一台励磁变压器并联在机端 则称为自并励方式 如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变压器 或串联变压器 二者结合起来 则构成所谓自复励方式 结合的方案有下列四种 1 直流侧并联自复励方式 2 直流侧串联自复励方式 3 交流侧并联自复励方式 4 交流侧串联自复励方式 励磁系统的典型型式 3 静止励磁系统 1 自并励方式 励磁系统的典型型式 3 静止励磁系统 2 直流侧叠加的自复激方式 励磁系统的典型型式 3 静止励磁系统 3 交流侧叠加的自复激方式 1 励磁系统的典型型式 3 静止励磁系统 3 交流侧叠加的自复激方式 2 第二章静止励磁系统 发电机静止励磁系统通过可控硅整流桥控制励磁电流 达到调节同步发电机电压和无功功率的目的 其主要分为四个部分 励磁变压器 励磁调节器 avr 可控硅整流器 起励和灭磁单元 如下图所示 发电机静态励磁系统原理图 三相油浸式励磁变 主要优点 没有旋转部件 运行可靠性高 调整 维护简单 检修方便 自并励方式取消了励磁机 缩短了的汽轮机 发电机轴系长度可提高机组轴系的稳定性 提高机组安全运行的水平 因励磁调节直接在转子回路中 没有主励磁机时滞环节 属快速响应励磁系统 技术指标高 响应快 性能参数好 起励装置 自并励系统及其主要特点 自并励方式的缺点 整流装置电源电压取自发电机端 系统故障时 随着机端电压下降 影响励磁系统的强励能力 有碳刷增加了维护量 发电机近端短路时 因机端电压突然降低很多时可能不满足强励要求 强励减弱时 短路电流迅速衰减 而造成出口带时限继电器拒动 使故障扩大 须加有记忆功能继电器 起励时 发电机剩磁不足以提供可控硅的导通电压 发电机不能自励 需要另外设置起励电源 第一节励磁变压器 励磁变压器的二次电压按满足强励要求设计 励磁变压器二次电流按满足额定励磁电流设计 励磁变提供测温 轻瓦斯 重瓦斯及压力释放装置 高压侧每相提供3组套管ct 两组用于保护 过流 过负荷 差动 一组用于测量 电压 电流 低压侧每相也提供三组ct 两组用于保护 一组用于测量 第一节励磁变压器 采用三相全波桥式整流 由六个臂组成 共有五个功率柜组成 可控硅整流桥通过一个门极驱动板 gdi 去驱动可控硅 进行整流 整流装置的每个功率元件都装有快速熔断器保护 以便及时切除短路故障 并发出信号 当一个功率柜退出运行时能满足发电机强励和1 1倍额定电流运行的要求 当两个功率柜退出运行时 能提供发电机额定工况所需的励磁容量 不能进行强励 如果三台功率柜故障则自动切断励磁 第二节可控硅整流器 运行中严禁打开功率柜的门 否则 该功率柜将自动退出运行 标准整流器 n 5 具有五个并联的可控硅整流桥 其中至少有一个冗余的 n 1 配置 n 1 的含义是当一个可控硅故障时 系统仍能满足最大励磁功率 冷却方式 带双冗余风机的强迫冷却 当两台冷却风机都退出运行时 该整流柜退出运行 另外整流器还有温度保护 90 跳闸 cin 整流桥接口板 主要功能是向门极驱动板gdi发送用于触发三相全控桥的序列脉冲 用于监控整流桥的所有电子部件 其主要作用是监控风机 温度和熔丝 在每台整流桥的正 负输出连接处都配有电流传感器 根据这些输入值 cin可自动调节各可控硅的电流 从而实现并联桥的均流 整流桥的实际状态显示在柜门的整流桥显示面板cdp上 gdi 门极驱动器将脉冲放大到晶闸管触发所必须的水平 第三节起励单元 对于自并激励磁系统 由于励磁能源取自发电机机端 当机组起动后 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 这时励磁调节器中的触发电路 由于同步电压太低 可能不能正常工作 可控硅不开放 不能送出励磁电流使发电机建立电压 另一方面 由式 3 10 可知 当发电机残压时 将不会产生自励电流 即使可控硅全开放 发电机转子回路中不会产生励磁电流 发电机电压因此将不能建立 为此必须采取措施 先给发电机以初始励磁 使发电机建立一定的电压 这一过程称为起励 起励措施有两类 第一类称为他励起励 即另设起励电源及起励回路 供给初始励磁 另一类称为残压起励 利用以发电机剩磁所产生的残压 供给初始励磁 1 他励起励 显然所谓他励起励 即是另设起励回路 由另外的电源供给初始励磁电流 起励电源可以用厂用直流电源 图3 13 a 称为直流起励 也可以用厂交流电源经整流后提供 图3 13 b 称为交流起励 2 残压起励 对于励磁变压器二次侧电压较高的励磁系统 即使当发电机的残压较低时 折算到励磁变压器二次侧的电压仍高于整流桥的管压降时 或当发电机的残压较高时 可考虑不用另外的起励电源 而利用发电机残压直接起励 第三节起励单元 正常情况下 发电机的残压用于起励是足够的 发电机转子有剩磁存在 一般情况下un5000可以实现残压起励 当励磁投入后 可控硅桥立即被触发 只要可控硅输入端有10 20v的电源电压 门极控制单元就能有效地控制可控硅桥 备用起励回路 r03 v03 q03 用它励方式建立这一电压 备用起励电源取自220v直流系统 如果残压低于10v不足以建立发电机电压时 经过一定时间的延迟 起励装置就会投入 起励开关自动闭合 向磁场绕组通流 定子建压开始 当电压达到额定值的10 时 可控硅桥已经能正常工作 起励开关自动断开 软起励过程开始将发电机电压升到额定电压22kv 整个起励过程的控制和监测都是由avr软件实现的 在整流桥的输出电压高于直流系统电压时 起励回路中的二极管会阻止反向电流流入直流系统 起励电流大约为空载励磁电流的10 至20 其大小取决于串入的限流电阻 r03 软起励用于防止机端电压的起励超调 如果超调的话可能引起电压过高造成过激磁 灭磁单元 灭磁当保护继电器检出发电机内部故障时 为保护发电机 必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放 灭磁功能由灭磁开关 跨接器crowbar和灭磁电阻实现 灭磁开关设计用于在任何故障情况下安全切断励磁电流 灭磁开关开断后 还在励磁变压器和磁场绕组之间形成明确的电气隔离 自动灭磁装置装在励磁回路直流侧 灭磁开关的额定参数按励磁系统强励工况 机端电压为80 额定电压时 强励倍数2倍额定励磁电压 选择 灭磁开关型号为hpb60m 81s额定电压1000v 开断电压3000v 设计开断电压1900v 短路电流开断能力100ka以上 1 灭磁作用 当发电机内部 引出线 厂高变等发生故障时 虽然保护装置动作迅速切除故障 但励磁电流产生的感应电动势会继续维持故障电流 为了迅速排除故障 减小其损坏程度 必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放 实验表明 只要剩磁电压小于500v 电弧变不能维持一般剩磁电压不大于100 300v 即把励磁绕组的电流建立的磁场迅速降低到最小 2 灭磁要求 a 灭磁时间尽可能的短 发电机端电压由额定值un降至5 un所需的时间称灭磁时间 b 励磁绕组两端的过电压不超过允许值 通过跨接器来实现过压保护的要求 3 灭磁方式 按励磁系统的不同 主要有两种自然灭磁 一般是对采用旋转二极管整流方式的励磁系统用如无刷励磁系统 通过整流二极管的续流作用实现自然灭磁 时间较长10s左右 和逆变灭磁 对采用可控硅整流方式的励磁系统用如自并励励磁 对灭磁装置的基本要求 1 灭磁时间尽可能短 灭磁时间指发电机实行灭磁时 端电压从额定降至5 时的时间 2 灭磁过程中 转子绕组两端电压始终在容许范围之内 国内有关技术导则规定 灭磁装置使发电机灭磁时 应保证励磁绕组电压的瞬时值 不得超过该绕组对地交接验收试验电压幅值的50 一般转子两端电压都不超过4 5倍额定励磁电压 转子过电压保护 同步发电机运行时 转子绕组处在交流磁场中 在正常对称运行时 转子旋转磁场和定子旋转磁场没有相对运动 转子绕组中只流过直流电流 当发电机受到系统较大扰动时 由于电枢反应 会使转子绕组电流发生剧烈摆动 此时相当于励磁回路处于开路状态 因而转子绕组两端产生很高的反向过电压 它常常能达到额定励磁电压的好多倍 在灭磁过程中 由于灭磁开头动作失灵 或者由于灭弧过程延缓 也可能引起转子绕组的过电压 在其他情况下 例如励磁电源突然断开 或在没有续流二极管的情况下 可控硅关断时也可能出现很高的转子过电压 因此 同步发电机应设置转子过电压保护装置 一 发电机灭磁方式 1 放电 线性 电阻灭磁方式 灭磁过程中的转子电流电压 2 非线性电阻灭磁方式 3 灭弧栅灭磁方式 4 可控硅逆变灭磁 利用三相全控桥可以输出负电压的特性 可以实现发电机的逆变灭磁 逆变灭磁相当于将励磁电源反极性的一种灭磁方式 由于可控硅励磁逆变不需断开电路 只需在可控硅整流器阳极电压为负半周时给以脉冲 即能改变励磁绕组的极性 使整流侧电压为负 所以逆变灭磁也是一种静止灭磁 它不需要换接开关 可控硅桥从 整流 工作状态转入 逆变 工作状态 可将储藏在转子绕组的磁场能量反馈到交流电网中 这样逆变灭磁也不需要灭磁电阻或其他消能机 因此 逆变灭磁是一种简单 经济而有效的灭磁方式 二 磁场断路器 采用图3 30的线性电阻灭磁或采用图3 32的非线性电阻灭磁方式时 要求发电机的磁场断路器 俗称灭磁开关 的触头 和触头 的动作时序应协调配合 即 合闸时 应先合主触头 常开触头 后断辅触头 常闭触头 分闸 灭磁 时应先合辅触头 后断主触头 即应保证转子绕组在任何瞬间都不应有开路现象存在 磁场断路器 若采用非线性电阻灭磁方式 灭磁时 首先磁场断路器分断 强迫转子绕组中的电流从非线性电阻中通过 即完成一次换流 这时有 显然 由于压敏电阻与稳压二极管一样 存在一定的起始通流电压 要使转子电流从整流桥换流到非线性灭磁电阻中 断路器分断时的建压能力必须大于式 3 43 所决定的值 最严重的情况为空载误强励 这时整流桥的输出电压可达强励顶值电压的1 5倍以上 若断路器在断开的瞬间 不能迅速将端口电压建立到式 3 43 所确定的值以上 励磁电流不能立即转换到非线性电阻中 断路器跳开后 电流继续在断路器中流过 而使开关发生烧毁 三 转子绕组的过电压保护 转子绕组过电压发生在转子电流被阻断 企图向负方向摆动的瞬间 这时转子电流中的交流分量一定要比直流分量大 因此转子过电压大多发生在欠励工况时 影响转子过电压的因素很多 其中主要的有 故障前的工况 故障种类 电机类型结构和其参数等等 转子过电压的大小和出现时间都和故障种类有关 不对称故障要比三相对称故障严重 失磁时水轮发电机的过电压往往达到很高的数值 对转子过电压保护装置的要求 可靠性高 电路简单 元器件不容损坏 动作正确 在发生各种过电压时都能有效地保护发电机转子励磁绕组和整流装置 保护装置动作后应能自动恢复 并能重复动作 装置结构简单 价格经济 便于安装 常用的转子过电压保护 非线性电阻应用氧化锌 或碳化硅 非线性电阻和转子绕组并接 既作灭磁电阻 又作保护装置 这种装置接线简单 不需经过接点 由于非线性特性 在正常工况下 流过电阻的电流极小 但目前价格仍较贵 需采用多个非线性电阻元件串并联 可控硅过电压保护 转子放电器 过电压保护装置的动作电压应低于可控硅整流桥的反向阻断电压 低于转子励磁绕组出厂耐压试验电压值的75 我国国家标准规定 发电机励磁绕组绝缘的出厂试验电压值为 额定励磁电压在500v及以下时 为10倍额定励磁电压值 不小于1500v 额定励磁电压在500v以上时 为4000v加2倍额定励磁电压值 4 灭磁回路 由灭磁开关 跨接器crowbar和灭磁电阻组成 灭磁电阻用于实现发电机的快速灭磁 a 非线性电阻 02 共五个 并联固定接在发电机励磁绕组回路中 不受直流回路中的灭磁开关控制 励磁电流的衰减过程取决于灭磁电阻的特性 非线形电阻的灭磁特性比线性的好 励磁电流的衰减比较快 b 当灭磁开关断开时 通过触发跨接器的可控硅将励磁电流瞬时导入灭磁回路 灭磁过程开始 灭磁开关触头可以无负荷断开 c 发电机正常运行时 跨接器的可控硅不导通 非线性电阻上不通过电流 灭磁开关跳开后 跨接器的可控硅接受触发脉冲导通 将励磁电流瞬时导入灭磁回路 直至磁场能量释放完 d 跨接器作为励磁绕组和可控硅整流器过电压保护 逆变灭磁是将能量释放在励磁变低压绕组上 逆变灭磁在灭磁开关分闸时间内完成的 一般是在毫秒内完成 磁场开关跳开后通过非线性电阻实现灭磁 灭磁时间较短2 3s左右 跨接器触发板 触发单元uns0017是静态灭磁装置 跨接器 的一部分 具有多个独立的放电可控硅触发回路 发电机的受控灭磁回路是双冗余的 与灭磁开关的跳闸线圈同时接通 设有一个电压监测回路 在励磁电压超过设定值3800v时它会自动触发可控硅 因此跨接器作为独立的过电压保护装置 可保护可控硅和磁场绕组免受危险过电压尖峰的冲击 第三章三相全控整流桥整流特性 在励磁系统中 整流电路的主要任务是将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压 供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要 对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路 除了将交流变换成直流的正常任务外 事故时还可以将储存在转子磁场中的能量 经全控桥迅速反馈给交流电源 进行将直流变换为交流的逆变灭磁 这是三相整流电路有源逆变的一种运行方式 也称可逆整流 根据电路中所用整流元件的不同 分为可控与不可控整流电路 根据接线方式的不同 分为半波整流 全波整流等 五 三相全控整流桥整流特性 1 基本电路与整流波形 五 三相全控整流桥整流特性 五 三相全控整流桥整流特性 五 三相全控整流桥整流特性 五 三相全控整流桥整流特性 五 三相全控整流桥整流特性 五 三相全控整流桥整流特性 2 输出平均电压计算电阻负载电感负载 五 三相全控整流桥整流特性 特性当 0度时 输出电压的最大值为交流侧线电压的1 35倍 当 90度时 输出电压为0 即正常励磁时 整流状态 触发控制角 的移相范围为0 90度 当 90度时 整流桥输出电压为负 逆变状态 此时 励磁功率的传递方向发生改变 当 180度时 输出电压为 1 35u2 利用三相桥式全控整流电路的逆变特性 可以将储存在转子回路的磁场能量消灭掉 这就是所谓的逆变灭磁 在实际中为保证可靠导通和防止逆变颠复 允许范围为10 150度 第四章励磁调节器工作原理 一 励磁调节器的构成与基本原理 励磁控制系统是由同步发电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统 其中 励磁调节器是励磁控制系统的主要部分和核心部分 由它感受发电机的电压 电流或其他参数的变化 然后对励磁功率单元施加控制作用 在励磁调节器没有改变给出的控制命令以前 励磁功率单元是不会改变其输出的励磁电压的 测量比较 综合放大和移相触发构成了励磁调节器的三个基本环节 励磁调节器构成框图 1 测量比较单元 测量比较单元由电压测量 比较整定和调差环节组成 电压测量环节包括测量整流电路 滤波电路 对于采用交流采样的微机励磁调节器来说 测量回路只有滤波电路 而没有整流电路 有的还设计有正序电压滤过器 测量比较单元用来测量经过变换的与发电机端电压成正比例的直流电压 并与相应于发电机额定电压的基准电压相比较 得到发电机端电压与其给定值的偏差 电压的偏差信号输入到综合放大单元 正序电压滤过器在发电机不对称运行时可提高调节器调节的准确度 在发生不对称短路时可提高强励能力 调差环节的作用在于人为地改变调节器的调差系数 以保证并列运行机组间无功功率稳定合理地分配 2 综合放大单元 综合放大单元对测量等信号起综合和放大作用 为了得到调节系统良好的静态和动态特性 综合放大环节除了起放大作用外 还形成一定的控制规律 如pid控制 超前滞后校正等 此外 有时还须根据要求综合由辅助装置来的稳定信号 限制信号 补偿信号等其他信号 综合放大后的控制信号输入到移相触发单元 3 移相触发单元 移相触发单元包括同步 移相脉冲形成和脉冲放大等环节 移相触发单元根据输入的控制信号的变化 改变输出到可控硅的触发脉冲相位 即改变控制角 或称移相角 从而控制可控硅整流电路的输出 以调节发电机的励磁电流 为了触发脉冲能可靠地触发可控硅 往往需要采用脉冲放大环节进行功率放大 同步信号取自可控硅整流装置的主回路 保证触发脉冲在可控硅阳极电压为正半周时发出 使主回路与控制脉冲同步 3 限制保护单元 一个完善的励磁调节器 除了具有保持机端电压恒定和机组间的无功分配外 为了保证机组及电网的安全和稳定运行 还必须设置完善的保护 限制功能 如 pt断线保护 过励磁限制 强励顶值限制 低 欠 励磁限制 限制 误强励保护 空载过压保护 系统电压跟踪 pss或eoc等 二 主要环节的工作原理与特性 1 电压测量比较单元测量比较单元是励磁控制器的信息输入单元 它的主要作用是 将从同步发电机机端电压互感器来的三相交流电压 经过电压测量变压器降压信号 再经过整流器整流为过需要的直流信号电压 与相应于发电机额定电压的基准电压相比较 得到发电机端电压与其给定值的偏差 电压的偏差信号输入到综合放大单元 改变给定的参考电压时 就改变了被调电压 1 调差环节 调差单元的基本原理为 在励磁控制器的发电机电压测量回路中 附加一个与发电机电流成比例的电压 使测量比较单元感受到的电压随发电机无功电流的大小而变化 当无功电流增大时 感受电压也增大 或减小 通过励磁控制器去减小 或增大 发电机的励磁电流 这样就增大了发电机的调差系数 图3 18调差回路相量图 a cos 0 b cos 1 三相调差 2 电压检测环节 电压检测环节主要由正序电压滤过器 多相整流回路 快速滤波器组成 3 比较放大环节 比较放大环节是把电压检测环节输出的电压与基准电压相比较 得到一个反映发电机电压偏差的直流电压 u 输出到综合放大单元 对发电机电压给定值进行整定 使电压或无功功率能满足运行工况的需要 2 综合放大单元 本环节是调节电路中的中心环节 它用来放大测量环节的差值信号 并能将多种信号进行综合 以实现多种功能的调节作用 综合放大单元对测量等信号起综合和放大作用 为了得到调节系统良好的静态和动态特性 综合放大环节除了起放大作用外 还形成一定的控制规律 1 控制规律形成 由于发电机三相电势的不对称 电网上众多重型设备随机的投切 冲击以及各种高 低频和不规则干扰源的存在 机端电压不可能每时每刻都保持在正常输出值上 如果直接从机端引入这样动荡不定的偏差信号 经放大后去控制发电机的励磁电流 若放大倍数太低 则不能维持机端电压为恒定 若放大倍数太高 则可能破坏机组的稳定运行 为了保证在动态和静态时均具有良好的调节品质 就要求调节器有较高的静态放大倍数和较低的动态放大倍数 且应具有快速的响应能力 在工业控制领域 往往采用pid校正控制 所谓pid校正 就是比例 proportional 积分 integral 微分 derivative 校正调节 2 综合放大环节 综合放大环节的输入信号 除了pid校正环节的输出信号外 为适应发电机各种工况运行的需要 还需引入多种辅助控制信号 如最大 最小励磁限制 为改善励磁系统动态性能的微分反馈信号 励磁系统稳定器 及提高电力系统稳定的控制信号 电力系统稳定器 三 移相触发单元 对于半导体励磁系统 其功率整流元件为可控硅 整流器的输出与可控硅的触发角相关 增大触发角 整流桥输出减少 减小触发角 整流桥的输出增大 因此 经一定控制规律计算出的控制量必须换算成与触发角相对应的值 然后根据可控硅阳极电压的同步点延时与触发角相对应的时间后发出触发脉冲 1 同步环节 可控整流电路要求在晶闸管每次承受正向电压的一定时刻 向它的控制极送出触发脉冲 才能保证晶闸管导通 而且当控制电压一定时 每个周期送出的第一个脉冲对应于阳极电压的时刻都应相同 即控制角 相同 晶闸管触发脉冲与主电路之间的这种相位配合关系 称为同步 2 移相环节 经一定控制规律计算出的控制量必须换算成与触发角相对应的值 由相应的触发角 从同步点开始延迟相应的值发出触发控制信号 3 触发环节 触发环节的作用主要是形成双脉冲 并进行脉冲放大 五 基本调节过程 第五章微机励磁调节器 励磁调节方式从手动发展到了自动 调节功能从单一电压调节发展到多功能的励磁控制 以往 调节器只反应发电机电压偏差 进行电压校正 故称为电压调压器 简称调压器 现在的调节器可综合反应包括电压偏差信号在内的多种控制信号 进行励磁调节 故称为励磁调节器 显然 励磁调节器包括了电压调节器的功能 调节反馈参量从单一的电压偏差发展到以电压偏差为主 附加了电功率 角速度 发电机电流 励磁电流或励磁电压的偏差或它们的恰当组合 调节规律从简单的比例反馈调节发展到比例 积分 微分 pid 调节 电力系统稳定器 pss 附加控制 用线性最优控制原理设计的多参量反馈调节 从线性励磁调节发展到自校正励磁调节 自适应励磁控制 模糊励磁控制等非线性励磁调节 在实现手段上 从机电式或电磁式发展到晶体管式或集成电路式 直至今天的微机数字式励磁调节器 七 微机励磁调节器 1 基本硬件构成 七 微机励磁调节器 2 微机励磁调节器主要采集参量及作用发电机机端电压ug 用于机端电压恒定调节 自动电压调节方式 通常为了避免测量pt 电压互感器 断线时引起误强励 励磁调节器需同时测取励磁专用pt 俗称励磁pt或调变 和测量仪表用pt 俗称仪表pt或仪变 两路电压信号 作为pt断线判别之用 电网电压 系统电压 的作用是 在发电机起励建压时为发电机电压跟踪系统电压提供跟踪目标值 以简化操作和快速并网 发电机励磁电流il用于励磁电流恒定调节 恒励磁电流调节方式 和过励磁限制等限制保护功能 励磁电压主要用于励磁系统稳定器 ess 发电机有功功率p是电力系统稳定器 pss 及最优励磁控制器 eoc 的主要状态量之一 无功功率q是无功功率稳定调节 恒无功运行方式 和实现无功电流补偿 调差 所必需的参量 此外 有功p和无功q还一道在最小励磁限制中决定低励磁限制线 在功率因数恒定运行方式中 恒功率因数运行方式 决定功率因数 发电机频率同发电机有功功率p一样 也是pss及eoc的重要状态量之一 此外 频率f和机端电压uf一起构成v hz 伏 赫 限制 并在机组起励控制 灭磁控制及频率敏感量的频率补偿或频率校正中起着重要作用 七 微机励磁调节器 3 控制算法一般采用pid算法 其连续表达式 其离散表达式 七 微机励磁调节器 4 调节方式为满足发电机不同运行的需要 微机励磁调节器中一般设有多种运行方式 在励磁调节器中 一般有电压调节 电流调节 无功调节和功率因素调节 系统电压跟踪等模式 每种调节方式的调整目标是不同的 调节方式的选择可以远方通过控制信号输入选择 也可以在调节器的控制面板上选择 七 微机励磁调节器 1 自动电压调节方式自动电压调节 avr 是微机励磁调节器的基本功能和主运行方式 故又称自动方式 在电压调节方式下 以发电机机端电压为闭环 励磁调节器自动维持机端电压为给定值 当调节器处于电压调节方式时 其输入为电压调节的综合偏差 当调节器处于正常运行状态 各种保护限制器均不动作 并带有无功调差补偿 由于积分的作用 稳态时 七 微机励磁调节器 当发电机空载运行时 无功功率q 0 此时 有 机端反馈电压毫无偏差地跟踪给定值uref 从而保证了有很高的调压精度 七 微机励磁调节器 发电机单机带负荷运行如果发电机负荷减小 由于电枢反应作用减小 机端电压ug会升高 经过自动励磁调节器检测运算后 控制电压uc减小 经移相触发单元令输出的触发脉冲后移 即控制角 增大 的增大使整流输出电压uf减小 励磁电流if减小 发电机电压相应降低 回到原来的水平 七 微机励磁调节器 当发电机与无穷大系统直接并列时 发电机端电压不变 调节uref即是调整发电机无功 七 微机励磁调节器 当发电机与实际系统并列时 发电机的无功功率参与调节 此时 因发电机与系统相连 机端电压ug的变化很小 uref的改变将主要引起无功功率的变化 七 微机励磁调节器 在自动电压调节方式下 当接收到 增加 或 减少 信号时 将调整avr给定值 从而调整发电机电压 avr给定值的增 减应具有斜坡限制功能和上下限幅功能 即给定的调整速度可设 如果avr输出基准值到达上限幅或下限幅时 将对uref进行钳位 保证发电机端电压不会过份升高或降低 avr给定一般还有预置功能 当接收到开机起励信号后 自动地按一定的速度升到avr预置给定值 预置给定值一般为1 0pu 对应于发电机额定电压 这样 励磁系统启动后 自动将发电机电压升到额定 在电压调节方式下 若发电机未与系统并列 空载 调整给定电压值将改变发电机的机端电压 当给定电压增加时 机端电压增加 若发电机与系统并列时 调整给定电压将主要导致发电机的无功变化 机端电压的幅值变化是很小的 当增加给定电压时 发电机输出的无功将增大 七 微机励磁调节器 2 励磁电流调节方式励磁电流调节功能 fcr 俗称手动 为广泛采用的发电机自动电压调节 avr 功能的后备方式 在磁场电流调节方式下 当调节器接收到 增加 或 减少 信号时 将调整fcr给定值ifref 从而可以调整发电机励磁电流 间接达到调整发电机电压和无功的目的 fcr给定值的增 减具有斜坡限制功能和上下限幅功能 即调整速度可设 如果fcr输出基准值到达上限幅或下限幅时 将对ifref进行钳位 保证发电机励磁电流不会过份升高或降低 fcr给定有预置功能 当接收到开机起励信号后 自动地按斜坡时间升到fcr预置给定值 预置给定值一般为对应于发电机空载额定电压的励磁电流 这样 励磁系统启动后 自动将发电机电压升到额定附近 七 微机励磁调节器 在励磁电流调节方式下 通过对发电机励磁电流与给定的励磁电流值进行比较 当发电机励磁电流高于给定的励磁电流时 装置将增大可控硅的触发控制角以降低励磁电压 励磁电流 反之 当发电机的励磁电流低于给定励磁电流时 装置将减小可控硅的触发控制角以增加励磁电压 励磁电流 从而达到控制发电机励磁电流为给定水平的目的 若发电机未与系统并列 空载 调整励磁电流给定值将改变发电机的机端电压 当励磁电流增加时 机端电压增加 若发电机与系统并列时 调整给定励磁电流将主要导致发电机的无功变化 机端电压的幅值变化是很小的 当增加励磁电流给定时 发电机输出的无功将增大 在励磁电流调节方式下 为了防止当发电机出口断路器突然断开时出现过电压 在有些励磁调节器中还设有电流给定设置值自动返回空载的功能 当发电机出口断路器突然断开时 自动将励磁电流的设定值调整为与空载励磁电流相对应的设定值 七 微机励磁调节器 3 系统电压跟踪方式在一部分微机励磁调节器中 还设有系统 母线 电压跟踪功能 在电压调节方式下 若跟踪选择接点接通 进入系统电压跟踪调节方式在系统电压跟踪方式下 励磁调节器自动将系统电压作为励磁调节器的电压给定值 从而达到快速跟踪系统电压的功能 若选择该功能 当开机建压后 发电机机端电压自动上升到与系统电压一致 从而可加快发电机快速与系统并列的速度 若选择系统电压跟踪功能 当发电机与系统解列时 会自动使电压给定值回到空载位置 避免励磁绕组过负荷及空甩负荷后的机端电压偏高问题 同时 为再次与系统并列创造了电压条件 七 微机励磁调节器 4 无功调节方式在无功调节方式下 以发电机无功负荷为闭环 励磁调节器自动维持发电机无功功率为给定值 在此方式下 通过对发电机无功功率与给定的无功功率进行比较 当发电机输出的无功功率高于给定的无功功率时 装置将减小电压给定值 从而增大可控硅的触发控制角以降低励磁电压 励磁电流 反之 当发电机输出的无功功率低于给定的无功功率时 装置将增大电压给定值 从而减小可控硅的触发控制角以增加励磁电压 励磁电流 达到控制发电机输出的无功功率为给定水平的目的 七 微机励磁调节器 5 功率因数调节方式在功率因数方式下 以发电机功率因数为闭环 励磁调节器自动维持发电机的功率因数为给定值 在此方式下 通过对发电机的实际功率因数与给定的功率因数进行比较 当发电机的功率因数高于给定的功率因数时 装置将增大电压给定值 从而减小可控硅的触发控制角以增大励磁电压 励磁电流 反之 当发电机的功率因数低于给定的功率因数时 装置将减小电压给定值 从而增大可控硅的触发控制角以减小励磁电压 励磁电流 达到控制发电机的实际功率因数为给定水平的目的 七 微机励磁调节器 5 限制保护功能由于微型计算机的高速运算的逻辑判断能力 在微机励磁系统中 可实现完善的限制保护功能 一般来说 微机励磁调节器中 可通过软件实现如下功能 发电机端电压为偏差的电压调节方式 自动运行方式 磁场电流为偏差的电流调节方式 手动运行方式 手动 自动方式的跟踪平衡与无扰动切换程序无延时的最大磁场电流限制器 控制最大允许的短时顶值电流具有反时限的最大磁场电流限制器 限制最大允许的连续磁场电流无延时的最小磁场电流限制器 控制最小允许的磁场电流有功和无功负荷补偿具有反时限的发电机定子电流 滞相或进相 限制器无时限的负荷角限制器 低励磁限制器 电压 频率限制器功率因数调节器以有功功率为输入信号的电力系统稳定器 pss 第六章并列运行机组间的无功分配 自动调节励磁的目的主要是维持系统的电压水平和对无功功率的合理分配 根据发电机的运行特性 励磁电流对发电机的有功功率或系统频率的影响不大 主要是影响机组的无功功率及系统电压 几台机组在同一条母线上并列运行时 改变任何一台机组的励磁电流不仅影响该机组的无功电流 而且还会影响同一母线上并联运行机组的无功电流 与此同时也引起母线电压的变化 这些变化与机组的无功调节特性紧密相关 并列运行机组间的无功分配 当机组并入系统运行之前 或单机运行时 通过调节励磁装置来调整励磁电流 实际上就是调整调差特性曲线使之上下移动 这时 发电机的负荷基本不变 而仅仅改变其机端电压 而在另一种极端情况下 即当发电机与无穷大系统并联运行时 母线电压不会改变 这时调整励磁电流 同样也会使调差特性曲线上下移动 但因电压改变不了 于是只能使被调机组的无功功率发生变化 在一般情况下 并联机组的运行情况是介于上述两者之间 即通常电压与无功功率均同时发生变动 并列运行机组间的无功分配 1 在母线上并联运行的发电机 各机组承担的无功负荷增量与该机组的调差系数d成反比 如要求负荷增量按各机组容量分配 则调差系数应相等 通常为了使无功负荷分配稳定 调差系数不能取得太小 例如可取d 5 左右 并列运行机组间的无功分配 2 发电机经升压变压器在高压母线上并列 当发电机空载时 ub ug1 ug2 当发电机带上负荷电流ir时 因假定两台发电机的调差系数为零 机端电压ug不随负荷电流而变化 所以母线电压ub随负荷电流ir的增大而下降 ub f ir 为正调差特性 也就是说 虽然此时发电机电压特性是无差的 但电流在变压器阻抗上会有压降 从母线侧看 每一发电机 变压器组单元接线等值机具有正的调差特性 即在并列点仍然是有差的 这便允许并联运行 并列运行机组间的无功分配 发电机经升压变压器在高压母线上并联运行当发时 即使当发电机的调差系数为零 也能保证各并列运行发电机间无功负荷分配的稳定性 但当系统总的无功负荷变化时 高压侧母线电压随负荷变化较大 通常为了减小这种情况下母线电压过大的波动 即将高压侧母线电压维持在所希望的水平上 必须补偿负荷电流ir在变压器电抗xt上的电压降落 这就要求发电机具有适当的负的调差系数 以减小负荷变化引起的电压波动 发电机负调差系数的取值大小与变压器的漏抗压降有关 要使发电机 变压器组具有正的电压调差特性 以保证并列运行机组间无功功率分配的稳定性 有些电厂为了减小系统电压波动所引起的发电机无功的波动 在单元式接线的情况下 常常不投入调差单元 这对电力系统的调压 即保持系统的电压水平是不利的 我公司avr选用的是2avr 2fcr 2bfcr 也就是带有手动紧急备用通道的双通道系统 这是目前un5000系统励磁系统的最高配置 avr 自动电压调节器 fcr 励磁电流调节器 bfcr 后备励磁电流调节器 ug 发电机机端电压测量信号 ig 发电机定子电流测量信号 if 励磁电流 第七章励磁调节器实例 带有紧急备用通道的双通道系统 avr内部模块 励磁模块 a10 a20 用于对可控硅桥的控制 安装在一个金属小箱内具体包括 控制板 cob 负责所有的调节和控制功能 还包括可控硅的脉冲产生 每一块cob包括以下功能 自动电压调节器 自动控制 励磁电流调节器 手动控制 具有时间可调的软启动功能自动运行通道和自动备用通道之间的自动跟踪自动和手动通道的双向自动跟踪恒无功或恒功率因素的控制pss电力系统稳定器 测量单元板 mub 用于测量发电机定子侧信号 它直接测量发电机的三相电压和电流 并通过这些量计算出其它信号 如p q f等 同时提供了强电参数和测量信号之间的电气隔离 扩展门极控制板 egc 作为双通道配置的后备通道使用 egc连同cob mub一起安装在同一个金属箱中 但在结构上是独立的 egc具有下列功能 励磁电流调节通道跟踪 以便在cob故障时实现平稳切换备用瞬时过电流保护继电器备用反时限过电流继电器直流侧短路保护 快速输入输出界面卡 fio 用于模拟和控制信号的连接包括 16位输入 带光耦合器 额定24vdc 控制输入电源来自内部电源模块 18个输出继电器 带转换触点 用于状态显示和报警 4个多目的模拟输出 10v4个多目的模拟输出 10v或 20ma 2个模拟输入用于励磁变压器温度测量1个模拟输入用于crowbar的电流 电力信号界面卡 psi 控制模块 cob 和励磁系统实际测量值之间的带电气隔离的一个接口 包括励磁电流和电压的测量 可控硅整流桥输入电流和电压的3相测量 励磁调节器 avr 采用数字微机型 avr中装设无功功率 功率因数等自动调节功能 励磁调节器设有过励磁限制 过励磁保护 低励磁限制 电力系统稳定器 v h限制及转子过电压保护和pt断线闭锁保护等单元 其附加功能包括转子一点接地保护 转子温度测量 串口通讯模块 跨接器 dsp智能均流 轴电压毛刺吸收装置等 采用两路完全相同且独立的自动励磁调节器并联运行 两路通道间能相互自动跟踪 当一路调节器通道出现故障时 能自动无扰切换到另一通道运行 手动 自动电路应能相互自动跟踪 当自动回路故障时能自动无扰切换到手动 ct pt均为两路独立的输入回路 主通道1和主通道2之间的切换 这种励磁系统具有两个完全独立的调节器和控制通道 通道1及通道2 两个通道完全相同 因此可以自由地选择通道1或通道2作为工作通道 备用的通道 不工作的通道 总是自动地跟踪工作通道 基本上 除了下述情况以外 通道的切换可以在任何时间进行 如果工作通道检测到故障 将自动地紧急切换到第二个通道 而后 直到故障修复才可能再切回到故障通道 如果不工作的通道故障 从工作通道到不工作通道的手动切换是不可能的 若一个通道发生故障 发电机电压同时也发生动态扰动 然而 立即自动切换到不工作的通道 此不工作的通道不应当跟随发电机电压的动态扰动 为了防止这种情况的发生 不工作的通道相对缓慢地跟随发电机电压 并具有一段延时 应当考虑到从工作通道向不工作通道的手动切换时相应的迟缓特性 直接跟随发电机的电压变化 则切换具有一个短的延时 这种方法在每一种场合都能达到无扰动切换 主通道自动 手动方式之间的切换 这种励磁系统的特点是每