1.励磁系统的构成与工作原理.ppt

1 发电机励磁系统控制 刘连光华北电力大学电气工程学院 2 一 励磁系统的构成与工作原理 1 1励磁控制系统的构成形式 1 2励磁控制系统的主要任务 1 3对励磁控制系统的基本要求 1 4励磁系统的保护措施 3 1 1励磁控制系统的构成形式 根据励磁电源的不同类型 励磁系统可以分为三种方式 1 直流励磁机方式 用具有整流子的直流发电机作为励磁电源 一般该励磁机与同步机同轴 一起由原动机带动旋转 因而励磁功率独立于交流电网 不受电力系统非正常运行状况的影响 2 交流励磁机方式 用交流励磁机取代直流励磁机 经半导体可控整流后供给给发电机励磁 其励磁功率同样独立于交流电网 因此又称他励半导体励磁系统 根据半导体整流器是静止的还是旋转的该励磁系统又可分为他励静止半导体励磁系统和他励旋转半导体励磁系统 3 静止励磁方式 用接于发电机出口或厂用母整个母线上的变压器作为交流励磁电源 经半导体整流后供给给发电机励磁 因该励磁方式在个励磁系统中无旋转元件 常称为 全静止励磁方式 由于励磁功率取自交流电网本身 故又称之为自励半导体励磁系统 它受电力系统非正常运行状况的影响要注意分析 4 1 1励磁控制系统的构成形式 一 直流励磁机系统直流励磁机系统的接线有自励式和他励式 由图1 1 a b 在自励式接线中 应用并激直流发电机作为励磁机 利用剩磁自励 在他励式接线中 除主励磁机外 还有副励磁机 副励磁机供给主励磁机的励磁 励磁机 副励磁机大多与主机同轴旋转 自励和他励接线中 图1 1 励磁回路部装有调节电阻R 改变R大小 即可改变直流励磁机的电压 从而改变发电机的励磁电流 有的接线图中 在励磁回路中加入旋转放大器或者引入附加控制电流 改变放大器电势或控制电流大小 也可调节励磁 直流励磁机励磁优点 1 励磁机一般和发电机同轴相连 励磁系统中发生短路或电压发生剧变时 主机的惯性很大 励磁机转速不受影响 能够照常励磁 2 励磁机可以改变极性 在切断负荷时能快速去磁 3 当系统发生故障时 在发电机励磁绕组上感应的交流电形成闭环回路 不会发生转子过电压 5 1 1励磁控制系统的构成形式 直流励磁机励磁缺点 1 整流子集电环电刷的维护工作量较大 且往往是故障的根源 2 同轴高速励磁机由于受到机械强度和换向困难等限制 极限容量在300一500kw之间 所以不能用于大型机组 150Mw 3 直流励磁机有较大的时间常数 因此电压响应速达度较慢 6 1 1励磁控制系统的构成形式 二 静止励磁系统1 自并励励磁系统图1 2表示自并励半导体励磁系统原理图 励磁变压器LB接在发电机机端 通过可控硅整流装置KZ供给发电机励磁 当发电机电压变化时 自动电压调节器ZLT可以改变可控硅KZ的控制角 的大小 保证机瑞电压恒定 自并励半导体励磁系统的优缺点如下 1 制造简单 经济 布置方便 2 由于没有转动部分 工作可靠 维护简单 3 由于没有励磁机的时滞 反应速度快 有高速响应特征 响应时间一般小于0 05s 7 1 1励磁控制系统的构成形式 1 1 1 2 4 在负荷变化而引起速率变化时 端电压只反应速率的一次方 而同轴励磁机时 励磁机的电压反应速率的一次方 因而发电机的端电压要反应速率的二次方 因此 这种系统对抑制水轮发电机甩负荷引起的过电压特别有利 5 系统发生短路时 端电压下降 从而使强励能力受影响 在最不利的情况下可能引起失磁 6 由于短路电流迅速衰减 带时限的继电保护可能会拒绝动作 2 自复励励磁系统根据励磁变压器和串连变压器的组合方式又可以分为交流侧和直流侧串连 并联几大类 1 直流侧叠加自复励励磁系统图1 3表示直流侧并联和串联自复励励磁系统的原理图 从图上可看到 发电机的励磁电流Ifd或励磁电压Ufd由两部分组成 并联时 图1 3 a 得式1 1 串连时 图1 3 b 得式1 2 8 1 1励磁控制系统的构成形式 9 1 1励磁控制系统的构成形式 当发电机空载运行时 定于电则If 0 仅由自励部分KZ供给空载励磁电流 改变可控桥KZ的控制角可以调节发电机的端电压 当发电机带负荷运行时 可控桥KZ和二极管GZ共同供给发电机的励磁 当负荷增加时 GZ供给的部分自动增加 当发电机端短路时 可控桥KZ失去交流电源 IXZ或UKZ等于零 但这时由于复励桥GZ供给励磁的部分增大 如果参数选择适当 就可对发电机进行强行励磁 使定子短路电流和励磁电流衰减很慢而越于较高的稳定值 从而改善了短路过程的动态性能 值得提出的是 直流侧叠加自复励励磁系统和交流侧叠加时不同 无论并联或串联 励磁电流或电压都是在直流侧算术相加 而不是在交流侧相量相加 所以 直流侧叠加自复励励磁系统不具有相补偿的特性 直流侧叠加自复励励磁系统广泛应用于中小型机组 它的主要优点是 可以降低对硅元件反向电压或电流的要求 缺点是 可控桥和复励桥在各种运行状态下不容易很好地配合 可能产生一方被封锁或一方被堵塞的现象 例如并联叠加时 励磁电流是IKZ和IGZ之和 两者都不能反向 当发电机发生近端短路时 自励电流IKZ很小 可能被封锁而送不出去 复励桥电 10 1 1励磁控制系统的构成形式 流IGZ虽然很大 如果串联比选择不适当 IGZ可能小于转于绕组中的暂态电流 强励电流送不出去 因而造成IGZ被堵塞 产生很高的尖峰过电压 串联叠加时与上述情形有所不同 交流侧是两个电压源经过各自的整流桥串联运行 复励桥的电流IGZ等于可控桥电流IKZ 在机端三相短路的情况下 复励桥的输出电压UGZ高 可控桥失去电源 UKZ接近零 但可控桥铝保持最后的导通状态 所以直流回路中仍能流过强励电流 不产生配合和堵塞的问题 由子上述原因 直流侧串联自复励励磁系统要比直流侧并联自复励励磁系统的应用广泛得多 11 1 1励磁控制系统的构成形式 2 交流侧叠加自复励励磁系统图1 4表示的交流侧串连自复励励磁系统的原理接线图 一部分由励磁变压器LB二次侧供给 另一部分由串连变压器GLH供给 发电机运行方式改变时 其电压电流都有变化 由于加在整流桥的阳极电势Ea两部分电压的相量和 所以Ea能够不随发电机运行方式的改变而保持恒定 这样 在自复励励磁系统中 自并励励磁系统的缺点在很大程度上被克服 也就是自复励励磁系统能够使自励励磁系统具有他励励磁的特性 12 1 1励磁控制系统的构成形式 图1 5表示交流侧并联自复励励磁系统原理图 和交流串连相同 发电机励磁电流由两个交流电源LB和GLH经过整流器GZ供给 所不问的是LB和GLH在交流侧并联 发电机空载时 GLH无输出 LB经过可控电抗器和整流器GZ供给发电机空载励磁电流 有负荷时 GZ交流侧的电流IL由两部分组成 由LB供给的I 和由GLH供给的ILH 用式子表示如式1 3 1 3 13 1 1励磁控制系统的构成形式 ILH和发电机定子电流成比例 当发电机负荷或功率因数变化时 ILH也跟着变化 所以这种系统能够自动补偿电枢反应而调节发电机的电压 起到相复励的作用 I 落后于发电机端电压Ut90 它的大小和可控电抗器的电抗值x有关 从图1 5可以看到 自动电压调节器ZLT可根据电压偏差 通过可控整流桥KZ控制电抗器的饱和程度 改变X值 以改变I 的大小 从而保证电压能得到很好的调整 总之 在交流侧叠加自复励励磁系统中 两个电源连接方式虽然有并联和串联的不同 但所起的作用是相同的 电压源来自发电机端电压 电流源来自发电机的电枢电流 两个电源组合可起到相补偿的作用 即能抑制由于负荷变化而引起的电压变化 如果负荷增加 则可强力的快速励磁 如果发生短路 则可利用强大的短路电流本身来提高系统的稳定性 并联和串联不同之点在于 并联时 应当是两个电流源并联 而励磁变压器LB本身是个电压源 所以在并联时必须串联一个高阻抗的电抗器X才能转化成电流源 此时串联变GLH本身是个电流源 它的互感抗很大 空载电流小 不必具有空气隙 另一方面 它正常运行时和电流互感器相似 接近短路状态 所以不容许二次侧开路 否则容易产生 14 1 1励磁控制系统的构成形式 过电压 交流侧应当是两个电压源串联 而此时串联变GLH本身是个电流源 电流源要转化为电压源必须并联一个低值电抗 为此串联变GLH必须制成具有空气隙的低电抗X 正常运行时 它接近空载状态 二次侧开路也不会产生过电压 15 1 1励磁控制系统的构成形式 3 交流励磁机系统同步电机用同轴旋转的交流发电机作为励磁电源 经过静止的二极管成可控硅整流 向主发电机供给励磁电流 这种型式称为交流励磁机系统 也称为他励静止半导体励磁系统 根据整流器是二报管还是可控硅又可分为 他励静止不可控励磁系统和他励静止可控励磁系统 图1 6表示他励静止半导体励磁系统原理图 交流励磁机JZ主发电机同轴旋转 交流电经可控桥KZ或二极管桥GZ整流 然后送至主发电机转子绕组 交流励磁机JL的励磁采用自励 图1 6 a 或由副励磁机JFL供给 图1 6 b 副励磁机可采用永磁机或采用自动恒压装置 图1 6 b 他励静止可控励磁系统中 ZLT可直接通过可控桥KZ调节发电机的励磁 它不包括励磁机的时滞 调节器和可控硅反应极快 几乎是瞬间响应 称为快速励磁系统 在他励不可控励磁系统中 ZLT调节励磁机JL的可控桥KZj 调节励磁机的输出电压 从而调节发电机的励磁 所以调节过程要经过交流励磁机的时滞 约十分之几秒 为减小励磁机的时间常数 励磁机通常制成高频的 根据资料 同一额定值的交流励磁机 其励磁绕组 16 1 1励磁控制系统的构成形式 17 1 1励磁控制系统的构成形式 磁绕组开路时间常数T d0 与交流励磁机频率的关系如图1 7所示 从图上可看到 频率由50Hz至300Hz此时 T d0可缩小到四分之一 频率愈高 匝数愈小 电机的体积和重量愈小 但频率增至300Hz以上时 由于磁极数目增多 磁通被挤在一起 铁耗和杂散功率损耗增加很多 从图上也可看到 此时T d0的缩小已不明显 所以 在我国交流励磁机的频率一般用100 150Hz T d0值小于Is 约为0 6 0 8左右 副励磁机容量小 可制成400 500Hz的 18 1 1励磁控制系统的构成形式 在图1 6 a 励磁系统中 有的国家在交流励磁机上装设两段定子绕组 一段是主绕组 另一段是辅助绕组 可控桥也有两组 即工作组和强励组 正常运行时 励磁电流由工作组供给短路故障时 投入强励组 辅助绕组供给强励电流 ZLT控制工作组和强励组的触发脉冲 交流副励磁机本身的励磁通常采用可控硅自励桓压方式 即先借外部电源起励 当建立起一定电压后转为自励 并靠励磁调节器保持其端电压恒定 运行经验证明 自动恒压装置是个薄弱环节 不太可靠 因为副励磁机带三相可控整流桥负荷后 每个周波内电压波形相对于换流位置有六个缺口 换流缺口的宽度和深度与负荷的大小有关 也和换流电抗有关 因此 波形畸变严重 影响调节器的运行 出现现调节不稳定 无功摆动太大等现象 改善波形的措施有 现调节不稳定 无功摆动太大等现象 改善波形的措施有 1 加大副励磁机的容量 2 应用永磁机作副励磁机 3 增加带通滤波器 综上所述 交流励磁机静止半导体励磁系统系他励性质 可靠性高 具有高初始响应特性 所以在我国中大型机组上已得到广泛应用 19 1 1励磁控制系统的构成形式 4 他励旋转半导体励磁系统 无刷励磁 和其他他励系统相同 用同轴旋转的交流励磁机作为励滋电源 但励磁机的电枢绕组是旋转的 而它的励磁绕组是静止的 因此 旋转电枢输出的多相交流电与装在同轴轮架上的整流器直接连接 这样整流后的直流电流不经过滑环和电刷 可直接与发电机的励磁绕组相连 简单地说 这种励磁系统的整流器是旋转的 直接和发电机励磁绕组连接 没有滑环和电刷 所以又称无刷励磁系统 图1 8为他励旋转半导体励磁系统原理图 20 1 1励磁控制系统的构成形式 励磁机采用150Hz旋转电枢交流发电机 副励磁机采用永磁机 为了降低励磁机的时间常数 主励磁机的铁心不用整体结构 而用全叠片结构 这种励磁系统的优点如下 1 没有滑动接触 结构紧凑 占地而积小 成本低 2 可靠性高 运行维护简单 不会由于励磁电流过大使滑环发生冒火花等现象 与此同时 无刷励磁也带来一些新问题 其中主要的有 1 由于二极管装在旋转圆盘上 因此 必须考虑能承受强大离心力的机械强度 2 由于励磁电源到发电机转子绕组都是旋转的 所以不可能直接测量发电机励磁绕组的任何量 也不可能直接对主整流桥进行检测 必须采用间接的特殊测量手段 比如 可以在交流励磁机磁场绕组 静止的 的横轴方向装上一组线圈 用来感应电枢反应磁场中的高次谐波 感应的高次谐波电压在饱和前正比于电枢电流 这样就可反映发电机励磁电流的大小 21 1 1励磁控制系统的构成形式 3 快速灭滋 由于无刷励磁在结构上装不上灭磁开关 所以快速灭磁迄今未得到很好解决 在旋转二极管型式中 灭磁时只能将交流励磁机快速灭滋 使发电机磁场电流自然衰减 这样灭磁速度很慢 曾有人建议在发电机端装设三相短路开关 当发电机内部故障时 投入三相短路开关和限流电抗器 造成人为的较小短路电流 依靠主发电机的电枢反应而迅速灭磁 这种灭磁方式虽然速度很快 但一些技术经济问题尚未解决 还未得到实际应用 如果用旋转可控硅代替旋转二极管 可以应用逆变灭磁 但问题在于如何将静止的自动电压调节器的触发脉冲以无触点方式加在旋转可控硅的控制极上 所以实际上还是旋转二极管型式用得比较多 除此之外 在无刷励磁系统中 任一元件故障或需更换都必须使机组停电 因为此时开法利用备用励磁 为可靠起见 在设计和选择整流元件额定电流时往往考虑有20 的裕度 这样即使部分整流元件故障和损坏也不致影响发电机的正常运行 总之 无刷励磁系统是一种有发展前途的励磁型式 大容量的巨型机组都倾向于应用这种励磁型式 22 1 2励磁控制系统的主要任务 一 控制电压和无功分配 在电力系统正常运行时 励磁控制系统能够维持发电机的端电压在整定水平 当发电机因负荷变化而机端电压发生变化时 励磁系统能够使之维持在给定水平并保证一定的精度要求 当水轮发电机向长距离线路空载合闸 即向长线路充电时 由于电容性电流产生的助磁电枢反应 在一定条件下可能引起发电机的自励磁 从而产生很高的端电压 这事励磁控制系统能够使发电机的励磁电流减少乃至反向 从而抑制了发电机的自励磁 同样当机组甩负荷时 通过励磁系统的调节作用 能限制机端电压 使之不致过分升高 另外 当几台发电机直接并列运行时 由于调节器引入调差单元 能够使发电机具有下降的外特性 因而稳定地分配各机组的无功功率 由于上述基本任务的重要性 必须保证励磁系统可靠地工作 23 1 2励磁控制系统的主要任务 二 提高电力系统稳定性 1 提高静态稳定性在单机 无穷大系统中 如果发电机没有励磁控制 则正常运行时 发电机的空载电势Eq保持不变 那么该系统的静稳极限为 式中 Uc为无穷大系统电压 Xc为发电机至无穷大系统间的电抗 该系统的功率曲线见图2中的曲线1 如果发电机具有常规的励磁系统 通常是指带直流励磁机的励磁系统 或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统 则可保持Eq 不变 因此有 24 1 2励磁控制系统的主要任务 如果发电机配置快速励磁系统 例如线性最优励磁调节器 带PSS的快速励磁系统等 则可接近于保持发电机端电压Ut不变 因此有公公式 图1 9调节励磁对功率特性的响 25 1 2励磁控制系统的主要任务 它们的功率特性曲线分别对应于图2中的曲线2和3 粗略的比较一下 这只是单机 无穷大系统静稳极限的数量级上的粗略比较 励磁系统对于提高电力系统的静态稳定性的作用却是很明显的 在多机系统中调节励磁也具有类似的作用 2 提高动态稳定性常规励磁系统对于电力系统的动态稳定性不起多大作用 后面将会看到 带PSS的快速励磁系统能够阻尼系统的低频振荡 从而提高了电力系统动态稳定性 3 提高暂态稳定性总的来说 调节励磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那样显著 26 1 2励磁控制系统的主要任务 总的来说 调节励磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那样显著 励磁系统对于提高暂态稳定而言 主要表现在快速励磁和强行励磁作用上 电力系统中发生断路故障时 由于控制输入机械功率的常规调速系统的动作太慢 主要靠快速继电保护切除故障 以减少加速面积 而故障切除之后 快速励磁和强行励磁可以增大发电机的电势 因而增大输出的电磁功率 增大了制动面积 防止发电机摇摆角过度增大 以利于暂态稳定性的提高 但是发电机励磁回路具有较大的时间常数 即使是快速励磁系统 也只能在故障后0 4 0 6s 使转子达到最大磁通 由大量的计算结果可知 故障后发电机摆到最大角度的时间往往只有0 5 0 6s 所以快速励磁和强行励磁所能增加的制动面积是很有限的 其结果是只能稍许降低第一个振荡周期的摇摆角度 此外 配置有PSS的快速励磁系统 可以阻尼第一摇摆之后的后 27 1 2励磁控制系统的主要任务 续振荡和低频振荡 有利于提高暂态稳定性 三 给电力系统运行带来的其他好处在短路故障期间以及故障切除之后 性能良好的励磁控制系统可以尽量维持电力系统的电压 加速电压的恢复 从而改善了系统中电动机的运行条件 类似地 它改善了并列运行的同步发电机在失磁后转入异步运行时电力系统的工作条件 此外 它还可以提高带时限的继电保护装置的工作灵敏性和动作准确性 28 1 3对励磁控制系统的基本要求 对发电机励磁控制系统 按照我国的标准有以下几点要求 1 运行要高度可靠 结构要简单 检修维护要方便 这需要在电路设计 元器件选择 装配工艺等方面采取相应的措施 2 保证励磁控制系统的运行稳定性 可以采取转子电压软负反馈等稳定措施 3 发电机稳态电压精度不低于0 5 1 0 无功调差范围 汽轮发电机组为 10 水轮发电机组 15 4 发电机端电压随频率的变化要小 当频率变化为1 时 电压变化小于 0 25 5 具有良好的动态品质 在10 阶跃信号输入时 发电机端电超调量不超过50 快速励磁系统不超过30 振荡次数不超过 29 1 3对励磁控制系统的基本要求 3 5次 调节时间 汽轮发电机组不大于10s 水轮机组不大于5s 甩额定负荷时 超调量不大于15 20 6 发电机在各种运行方式下 灭磁开关应能可靠灭磁 并且不产生过高的电压 由于发电机是被控制对象 给定后不能再换 必须依靠励磁电源和调节器来满足整体要求 所以对它们也分别提出要求 对励磁电源的要求有两条 1 励磁电源要有足够调节容量 以适应各种运行方式的要求 2 励磁电源要提供足够的强励倍数和电压上升速度 我国规定强励倍数取2倍 直流励磁机方式可降低为1 8倍 强励允许时间 空冷方式的机组为50s 水内冷等其他方式只能为10s 水轮机组可为20s 电压上升速度 电压响应比 不小于2倍 s 30 1 3对励磁控制系统的基本要求 对励磁调节器的要求是 1 具有较小的时间常数 励磁调节器总的等值时间常数不大于0 05s 2 为保证闭环控制系统的稳定性和良好的动 静态性能指标 应采取适当的控制规律和必要的校正措施 如PID控制 转子电压软负反馈等 快速励磁系统应配置PSS或多变量控制装置 以利于电力系统稳定性的要求 实现励磁控制多功能的其他控制规律 3 采取必要的限制措施以保证整体系统的可靠性 例如防止转子过电压的励磁过电压限制 防止转子过载的转子过电流限制 防止失磁的最低励磁电流限制等 31 1 4励磁系统的保护措施 一 过电压来源过电压可以按照它们的来源 能量 幅值和频率来区分 通常可根据它们的来源分为四大类 1 电源侧的过电压 来自交流电网入侵的大气过电压与操作过电压 其能量通常较大 通过电容耦合和电磁感应传输到变压器的整流桥侧 输电线路遭受雷击或静电感应过电压时 若主网中过电压保护不完善 则可能通过励磁电源变压器传到副方 励磁电源变压器高压侧合闸 由于电容间的耦合 低压侧也可能产生过电压 此外 变压器高压绕组的漏抗与低压绕组的分布电容 以及抑制电容 组成的振荡电路 在变压器合间瞬间 即突然加一个阶跃电压的瞬变过程中 也将产生过电压 32 1 4励磁系统的保护措施 2 当从高压侧断开空载励磁变压器时 如果没有足够大的吸能容器件来吸收变压器的磁场能量 激磁电流及与其成比例的磁通量突然消失 将使变压器绕组感应很高的瞬变过电压 此过电压的实际倍数与断路器及变压器的结构有关 如果断路器熄灭小电流电弧能力较强 变压器铁芯非冷轧砍钢片 激磁电流的百分值较大 或变压器绕组为老式的非纠结式 其绕组电容较小 则产生过电压的倍数更高 最高可达正常反向峰值电压的8 10倍 一般为4 5倍 因此必须采取措施来吸收储存在变压器磁场中的能量 以避免当断开变压器激磁电流时产生大能量的过电压冲击 另外 当整流装置的负载被切除 或整流装置直流侧开关断开时 在交流电源回路的电感上 特别是整流变压器的漏抗上 将因电流突然中断而产生过电压 33 1 4励磁系统的保护措施 3 换相过电压 或称关断过电压 处于导通状态下的硅元件 有积蓄载流子存在 当施加反向电压时 原积蓄载流子的电荷量Qf 通常称Qf为反向恢复电荷 快速元件的Qf很少 而大功率 高电压的硅元件的Qf可达数百微库 并随结温的升高而增加 从硅元件流出形或反向恢复电流iR 此恢复电流迅速截断时 在电路中流过此电流的电感上会感应出高电压 即所谓积蓄效应引起的过电压 又称关断过电压或换相过电压 4 直流侧的过电压 来自整流桥阻塞负向磁场电流通路引起的正向过电压 以及磁场励磁电流突然中断引起的反向过电压 对正常励磁电压的正向而言 34 1 4励磁系统的保护措施 二 过电压保护通常可能采用的各种过电压保护 如图1 10所示 对于每一套可控硅励磁系统视具体情况选择其中几项 以构成合理的保护 使其既简单可靠 吸收暂态能量大 限制过电压的能力强 又不影响正常运行 且寿命长 功耗低 为抑制大气过电压 保护变压器 通常在变压器原边绕组上装设避雷器 图1 10中A 为抑制投入变压器时由于绕组间存在分布电容而引起副边绕组过电压 可在变压器中设置屏蔽层或在变压器Y形中点和地之间装设接地电容C1 或在副边出线与地之间合理接入抑制电容C2 图4中B C 可将副边过电压u2抑制到较低的数值 为抑制切除空载变压器的励磁系统电流i0而引起的过电压 可采用电容器 硒堆或压敏电阻等这类贮能或耗能元件 以吸收变压器中贮存的能量 如图表中的D E F和G 35 1 4励磁系统的保护措施 同样可以采用上述的阻容 硒堆和压敏电阻等保护器件抑制直流侧过电压 此外 工程上还采用可控硅开关自动投入电阻的方法 以抑制转子过