励磁基本知识 一.ppt

励磁控制系统的基本知识 山东济南发电设备厂电控公司2007年10月 山东济南发电设备厂电控公司 2 1 励磁控制系统的任务 励磁控制系统最基本和最重要的任务是维持发电机端 或指定控制点 电压为给定值 我国国家标准规定 自动电压调节器应保证同步发电机端电压静差率小于1 这就要求励磁控制系统的开环增益 稳态增益 不小于100p u 对水轮发电机 或200p u 对汽轮发电机 山东济南发电设备厂电控公司 3 1 励磁控制系统的任务 主要原因有3个 第一 保证电力系统运行设备的安全 发电机运行规程规定大型同步发电机运行电压正常变化范围为 5 最高电压不得高于额定值的110 第二 保证发电机运行的经济性 规程规定 大型发电机运行电压不能低于额定值的90 当发电机电压低于95 时 发电机应限负荷运行 其他电力设备也有这个问题 第三 提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的 山东济南发电设备厂电控公司 4 1 励磁控制系统的任务 励磁控制系统的重要任务励磁控制系统的重要任务是提高电力系统的稳定性 电力系统稳定可分为功角 机电 稳定 电压稳定和频率稳定等 功角稳定包括静态稳定 动态稳定和暂态稳定 励磁控制系统对静态稳定 动态稳定和暂态稳定的改善 都有显著的作用 而且也是改善电力系统稳定的措施中 最为简单 经济而有效的措施 山东济南发电设备厂电控公司 5 1 励磁控制系统的任务 同步发电机励磁控制系统对提高静稳定的作用 山东济南发电设备厂电控公司 6 1 励磁控制系统的任务 设Ut 1 0 Us 1 0 发电机并网后运行人员不再手动去调整励磁 则无电压调节器时的静稳极限 有能维持E 恒定的调压器时的静稳极限 有能维持发电机端电压恒定的调压器时的静稳极限分别为 0 4 1 0和1 43 维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定极限的要求是一致的 是兼容的 当励磁控制系统能够维持发电机电压为恒定值时 不论是快速励磁系统 还是常规励磁系统 静态稳定极限都可以达到线路极限 山东济南发电设备厂电控公司 7 1 励磁控制系统的任务 以某省电网外送断面为例 计算励磁控制对静态稳定的影响 该省发电机原采用Eq 恒定模型计算 后进行了励磁模型的参数实测 对励磁性能不达标的机组进行整改 全面提高了励磁控制的技术性能 该省电网外送电力的主要通道共三回500kV线路 发电机采用Eq 恒定和Eq Ed 变化 使用实测励磁模型参数 两种模型 外送断面的静稳极限示于表1 1某省外送断面静稳定极限 采用Eq Ed 变化模型和实测励磁参数的静稳极限比采用Eq 恒定的静稳极限增加418MW 提高了12 1 山东济南发电设备厂电控公司 8 1 励磁控制系统的任务 同步发电机励磁控制系统对提高暂态稳定的作用1 提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定 2 励磁系统顶值电压响应比越大 励磁系统输出电压达到顶值的时间越短 对提高暂态稳定越有利 3 充分利用励磁系统强励倍数 也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重要因素 山东济南发电设备厂电控公司 9 1 励磁控制系统的任务 励磁对暂态稳定性的影响仍用某省外送断面的暂稳极限说明 计算故障为三回外送线路中的一回 送端三相短路 0 1秒切除故障线 1 全网发电机采用Eq 恒定模型2 全网发电机采用Eq Ed 变化模型和实测励磁参数 不同发电机 励磁系统模型对输电断面暂态稳定的影响 全网采用实测的励磁参数 某省外送断面的暂稳极限比全网发电机采用Eq 恒定的暂稳极限高447MW 暂稳极限提高20 山东济南发电设备厂电控公司 10 1 励磁控制系统的任务 同步发电机励磁控制系统对提高动态稳定的作用分析证明 励磁控制系统中的自动电压调节作用 是造成电力系统机电振荡阻尼变弱 甚至变负 的最重要的原因之一 在一定的运行方式及励磁系统参数下 电压调节作用 在维持发电机电压恒定的同时 将产生负的阻尼作用 许多研究表明 在正常实用的范围内 励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强 因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的 山东济南发电设备厂电控公司 11 1 励磁控制系统的任务 同步发电机励磁控制系统对提高动态稳定的作用解决这个不兼容性的办法有 1 放弃调压精度要求 减少励磁控制系统的开环增益 这对静态稳定性和暂态稳定性均有不利的影响 是不可取的 2 电压调节通道中 增加一个动态增益衰减环节 这种方法可以达到既保持电压调节精度 又可减少电压调压通道的负阻尼作用的两个目的 但是 这个环节使励磁电压响应比减少 不利于暂态稳定 也是不可取的 3 在励磁控制系统中 增加附加励磁控制通道 即电力系统稳定器PSS 电力系统稳定器即PSS是使用最广 最简单而有效的附加励磁控制 山东济南发电设备厂电控公司 12 1 励磁控制系统的任务 在并列运行的发电机间合理分配无功功率多台发电机组在母线上并列运行时 它们输出的有功决定于输入的机械功率 而发电机输出的无功则和励磁电流有关 控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁系统的一项重要功能 各并联发电机间承担的无功功率的大小取决于各发电机的调差特性 即发电机端电压Ut和无功电流Iq的关系 当母线电压发生波动时 发电机无功电流的增量与电压偏差成正比 与调差系数成反比 通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量的大小成比例地进行分配 即大容量机组担负的无功增量应大些 小容量机组担负的无功增量应小些 由于励磁调节器可对调差系数进行调节 所以就可以达到机组间无功功率合理分配的目的 山东济南发电设备厂电控公司 13 2 励磁系统的分类 按结构分类直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统交流励磁机不可控整流励磁系统交流励磁机可控整流励磁系统静止励磁系统 山东济南发电设备厂电控公司 14 2 励磁系统的分类 按励磁电压响应速度分类常规励磁快速励磁高起始励磁 山东济南发电设备厂电控公司 15 1 发电机定子2 发电机励磁绕组3 灭磁开关4 灭磁电阻5 直流励磁机6 直流励磁机励磁绕组7 手动调节电阻8 强励开关9 自动励磁调节器图2 1直流励磁机励磁系统原理图 2 1直流励磁机励磁系统 山东济南发电设备厂电控公司 16 2 2交流励磁机不可控整流器励磁系统 1 副励磁机2 调节器功率单元3 主励磁机励磁绕组4 主励磁机5 静止整流器6 发电机磁场绕组7 发电机8 电压互感器9 电流互感器K 灭磁开关R 灭磁电阻图3 1交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图 山东济南发电设备厂电控公司 17 2 3交流励磁机可控整流器励磁系统 ZLH 交流主励磁机自励恒压系统KZ 可控整流桥FLQ 发电机转子F 发电机定子YH 电压互感器LH 电流互感器图4 1交流励磁机可控正流器励磁系统原理图 在我国使用的交流励磁机可控整流器励磁系统 绝大部分是随发电机一起从俄罗斯和捷克等国家进口的 发电机容量从200MW 1000MW不等 国内基本没有正式生产这种励磁系统 山东济南发电设备厂电控公司 18 2 4自并励励磁系统 KZ 可控整流桥FLQ 发电机转子F 发电机定子YH 电压互感器LH 电流互感器LB 励磁变压器图5 1自并励静止励磁系统 山东济南发电设备厂电控公司 19 2 4自并励励磁系统 自并励静止励磁系统的主要优点是 无旋转部件 结构简单 轴系短 稳定性好 励磁变压器的二次电压和容量可以根据电力系统稳定的要求而单独设计 响应速度快 调节性能好 有利于提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性 自并励静止励磁系统的主要缺点是 它的电压调节通道容易产生负阻尼作用 导致电力系统低频振荡的发生 降低了电力系统的动态稳定性 通过引入附加励磁控制 即采用电力系统稳定器 PSS 完全可以克服这一缺点 电力系统稳定器的正阻尼作用完全可以超过电压调节通道的负阻尼作用 从而提高电力系统的动态稳定性 这点 已经为国内外电力系统的实践所证明 山东济南发电设备厂电控公司 20 3 计算用励磁模型 1 山东济南发电设备厂电控公司 21 3 计算用励磁模型 2 山东济南发电设备厂电控公司 22 3 计算用励磁模型 3 山东济南发电设备厂电控公司 23 3 计算用励磁模型 4 山东济南发电设备厂电控公司 24 3 计算用励磁模型 5 山东济南发电设备厂电控公司 25 3 计算用励磁模型 6 山东济南发电设备厂电控公司 26 4 励磁调节及限制原理 1 数字给定给定是励磁调节器的控制目标 是加在励磁调节器比较环节中的基准电压或电流 对电压调节器来说 基准电压对应于发电机额定机端电压 对励磁电流调节器来说 基准电流一般对应于额定励磁电流 在原始的模拟式励磁调节器中 给定是由电动机 电位器单元组成的 可以自动或手动调整电位器的位置 从而改变给定目标值 但是由于伺服电机的惯性 容易造成发电机无功功率调节幅值变化过大 甚至出现大起大落的现象 另外由给定电位器炭刷的磨损而引起的炭刷接触不良 使得给定电压精度下降甚至于造成失磁的严重后果 山东济南发电设备厂电控公司 27 4 励磁调节及限制原理 在数字式励磁调节器中 利用微机的特点和优势可以实现方便灵活而可靠的数字给定 无论是恒机端电压 自动 运行方式下的发电机机端电压给定 恒励磁电流 手动 运行方式下的励磁电流给定 还是恒无功功率 恒功率因数运行方式下的无功功率或功率因数给定 均可以通过远方或当地给定按钮实现给定目标的增减 山东济南发电设备厂电控公司 28 4 励磁调节及限制原理 2 有功 无功补偿为了补偿有功 无功负荷电流在机端变压器和或变压器引线造成的压降 以及平衡各并联机组间的无功分配 减少机组无功推拉 改善机组无功稳定性 微机励磁装置设置了有功 无功补偿环节 此环节将与发电机有功 无功成一定比例的附加信号送入给定累加点 通常称之为调差 可设置为正负极性 正常情况下 如果发电机通过机端升压变压器和其它机组并联采用负调差 发电机机端直接并联者采用正调差 山东济南发电设备厂电控公司 29 4 励磁调节及限制原理 3 V Hz限制V Hz限制器亦称电压 频率限制器 其主要作用是限制发电机机端电压和频率的比值 防止发电机及与其连接的变压器由于电压过高或频率太低而引起过磁通 造成铁芯饱和发热 因为发电机或机端变压器铁芯磁通正比于发电机机端电压和频率的比值 所以V Hz值越大 发电机或机端变压器铁芯饱和越严重 通常V Hz限制器检测发电机机端电压和频率及V Hz的比值 通过调节励磁给定值以维持V Hz的比值在允许范围内 如果对应于一定的发电机频率下的AVR给定值过高 经过一定的时间延时后 V Hz限制器将根据预先设定的V Hz限制特性曲线将给定值削减下来 山东济南发电设备厂电控公司 30 4 励磁调节及限制原理 4 软起励缓起励功能可以有效地防止发电机机端电压建压 起励 过程中的超调 一旦励磁投入 缓起励功能将以一定的可灵活整定的速率增加发电机机端电压 直至发电机机端电压超过预先设定的给定目标电压 山东济南发电设备厂电控公司 31 4 励磁调节及限制原理 5 通道间的跟踪微机励磁装置采用的随动式跟踪备用通道营造一种模拟闭环环境 备用通道的给定值和控制量输出在此环境下均可保证与运行通道的一致和统一 人为切换平稳 无冲击 切换保护功能还可闭锁跟踪不平衡时的误切换 另外跟踪控制具有的时间常数和限制值还可以保证备用通道不会跟踪到运行通道的故障状态 为事故切换创造良好的初始条件 当本通道在非运行状态下 由于另一自动通道或手动通道正在运行 一个附加的称之为Ufollow up信号被加到给定Uref输入端 其正比与运行通道和备用通道之间的偏差 叠加这一信号的主要目的是使处于开环状态下的备用通道具有一个稳态的特性 山东济南发电设备厂电控公司 32 4 励磁调节及限制原理 这一信号将通过自动跟踪控制 进一步驱动备用通道软件数字给定单元增减 削减备用通道和运行通道之间Uc的偏差 确保通道切换过程的稳定 山东济南发电设备厂电控公司 33 4 励磁调节及限制原理 6 过励和欠励限制原理 图4 3隐极同步发电机功率圆图 山东济南发电设备厂电控公司 34 4 励磁调节及限制原理 过励区 最大励磁电流限制器感性定子电流限制器欠励区P Q限制器容性定子电流限制器最小励磁电流限制器 山东济南发电设备厂电控公司 35 4 励磁调节及限制原理 7 限制机理所有的限制器都有一个限制器动作设定值以及限制实施动作后实际目标值 限制器以两者之间的偏差作为限制器的控制偏差 当过励限制器动作时 其作用结果使励磁调节器减磁至最大发电机允许工作点 当欠励限制器动作时 其作用结果使励磁调节器增磁至发电机允许工作点 正常工况下 发电机工作在功率圆图允许的范围内 AVR通道PID输入的偏差信号称为主偏差信号 act ref Uact Uref 如果由于某些操作的原因使得过励限制器偏差信号 小于主偏差信号 act ref 山东济南发电设备厂电控公司 36 4 励磁调节及限制原理 在这种特殊工况下 这个较低的偏差信号将作为AVR通道PID的输入偏差信号优先起作用 欠励限制器动作机理类同 只不过动作方向相反 所有限制器的输出偏差信号和主偏差信号 发电机给定电压和发电机实测电压之差 都输入至逻辑门控制 并由其确定优先级 为了保证限制器动作时的稳定性 限制器的输出偏差各自独立匹配了一个比例系数K 山东济南发电设备厂电控公司 37 4 励磁调节及限制原理 8 最大励磁电流限制器在AVR运行方式下 为了防止强励时间过长使机组转子过热 微机励磁调节器采用闭环励磁电流调节方法并与AVR有机协调 有效防止了限制进出的振荡和冲击 限制过程快速 平稳 微机励磁调节器按照反时限法计算转子热能积累 当热能积累达到限制值时进入限制 防止转子过热 同时计算转子积存能量的释放 在限制过程中 一般在第一次故障发生后的50秒内 如果电力系统又发生故障 造成机端电压再次跌落 将允许再次强励 保证电力系统和电站机组的安全 该强励仍然在限制器的监控之下 山东济南发电设备厂电控公司 38 4 励磁调节及限制原理 任何有害于转子的强励或强励持续将被禁止 比起以往采用的 开关强励 和 简单强励 模式 发电机的安全和在电力系统中的作用由此得到最好保证 瞬时励磁电流限制 可防止励磁电流超过顶值电流 在顶值电压倍数大于顶值电流倍数的系统中 以及自并激系统误强励时可提供有效的过流保护 最大励磁电流限制器在程序中 设置了两个基本功能 强励顶值限制和转子电流过负荷热限制 根据不同的限制机理又分为定时限限制和反时限限制两种模式 具有定时限限制特性的最大励磁电流限制器在这种限制模式下 磁场电流的发热坎值Ith 强励 山东济南发电设备厂电控公司 39 4 励磁调节及限制原理 顶值电流Imax 理想的磁场电流强励时间Tceiling都可人为设定 一旦运行中的励磁装置检测到磁场电流大于发热坎值Ith 此时的磁场电流仅允许维持预先设定的强励时间Tceiling 然后被强行减磁并维持在热值 在励磁装置工作在限制工况下 为了保证在发电机机端或网络短路故障条件下 励磁装置仍具有足够的强励能力维持发电机机端电压以保证相应的保护继电器动作 在励磁装置中 设置了dU dt检测功能 当励磁装置工作在限制工况时 一旦检测到dU dt的变化率大于设定值 限制器设定值将被复位至顶值电流Imax 山东济南发电设备厂电控公司 40 4 励磁调节及限制原理 具有反时限限制特性的最大励磁电流限制器在这种限制模式下 以下参数可被设置 强励顶值电流Imax 磁场电流的发热坎值Ith 转子过热等效热容时间Tequiv或热容E 冷却时间Tcooling转子过热等效热容时间Tequiv可由下式表达 Tequiv Imax Ith 2 Tceiling利用以上设置 励磁装置将能够模拟发电机转子允许最大热容 Emax 山东济南发电设备厂电控公司 41 4 励磁调节及限制原理 正常工况下 无限制器动作 最大转子电流限制器的设定设置为Imax 这意味着在任何必要时 AVR都能达到系统设计的强励顶值电压 假定系统发生故障要求励磁装置强励 此时一旦转子电流超过热值设定值Ith 转子过流检测功能将启动正比与转子热容 E的对 I2 Ifact Ifth 的积分器 如果转子电流长时间超过热值设定值 积分器的输出 I2dt E将不断增加 一旦积分器输出超过转子最大热容允许值 Emax 最大转子电流的设定值将从Imax减小至Ith 如果转子电流下降至正常值 小于热值 积分器的输出将以冷却时间常数Tceiling减少 山东济南发电设备厂电控公司 42 4 励磁调节及限制原理 如果在一次强励及强励限制过程后 冷却过程结束前 另一要求强励的系统事故发生 很明显允许的强励时间要比第一次短 这是由于最大热容允许值 Emax将会较早地达到 只有在强励及限制退出且有足够的冷却时间后 才可能达到预先设定的强励时间 山东济南发电设备厂电控公司 43 4 励磁调节及限制原理 9 最小励磁电流限制器当发电机进相过深时 励磁电流太小时 其吸收的无功电流增大 由于容性定子电流是助磁的 使发电机端部合成磁通加大 有可能引起发电机端部过热 最小励磁电流限制器既是一个对应于最小允许转子电流的设定值 其作用是瞬时限的 山东济南发电设备厂电控公司 44 4 励磁调节及限制原理 10 容性定子电流和感性定子电流限制器类似于最大转子电流限制器 发电机定子电流限制器通过控制发电机磁场电流使得定子电流不超过设定允许值 避免发电机定子由于过载而发热 发电机冷却条件允许时 可以在高于额定有功的工况下运行 这时 定子电流有可能超过额定值引起定子发热 微机励磁装置特别加装的这一功能可以保证发电机在进相和滞相区内运行时定子绕组不至于过热 设有反时限和瞬时限两种限制模式 在进相区 容性区 由于关乎到发电机的稳定 限制器是瞬时动作的 在滞相区 感性区 则是按反时限方式工作的 山东济南发电设备厂电控公司 45 4 励磁调节及限制原理 这两个限制器的基本机理类同于最大和最小励磁电流限制器 两者主要不同就在于定子电流限制器定子电流无最大值设定限定 Imax 两个限制器的实时测量值都为发电机定子电流测量值 当发电机过励 感性定子电流限制 时 欠励 容性定子电流限制 被阻塞 反之亦然 软逻辑控制将确保两个定子电流限制器的正确动作 励磁装置的定子电流限制器并不能改变发电机有功电流 为了避免限制器的不正确作用 在发电机有功电流大于预先设定值之后 限制器将把发电机无功减至零 山东济南发电设备厂电控公司 46 4 励磁调节及限制原理 11 P Q限制器通过励磁调节装置 同步发电机可以在整个P Q平面上运行 当系统处于轻负荷时 为避免电网无功过剩而使系统电压升高 利用励磁调节器将同步发电机转入进相运行 吸收系统中过剩的无功功率 改善系统的电压品质 是一项经济又方便的调压措施 在发电机有功不变的情况下 随着发电机励磁电流的减少 进相深度的加大 发电机的气隙电势下降 功角加大 当发电机气隙电势与系统等值电压之间的功角超过静稳态极限时 发电机将