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励磁班技术培训资料 一 1 葛洲坝水力发电厂技术培训教材 葛洲坝水力发电厂技术培训教材 励磁装置原理讲解与学习题库励磁装置原理讲解与学习题库 陈小明 主编 陈小明 主编 葛洲坝水力发电厂葛洲坝水力发电厂 2 前言 前言 葛洲坝水力发电厂励磁系统 是我国较早投入运行的静止可控硅励磁系统 也是那个时 代的新技术 新产品 因而许多教材和论文都对此进行分析和讲解 使我们葛洲坝电厂的励 磁专业人员受益非浅 经过近二十年的技术改造 葛洲坝电厂的励磁装置发生了较大的变化 以前的励磁培训教材和资料 已无法满足电厂运行 检修和维护人员的需要 因此 编写一 本反映当前励磁设备和技术说明的培训教材 尤为重要 并已经成为我们励磁专业技术人员 的责任 葛洲坝电厂高级技师龚元生和工程师胡先洪 最先承担起这一责任 他们在工作中将许 多励磁资料一点一滴地输入计算机 日积月累 形成较丰富的学习资料 本培训教材主编 也就是在收集和整理这些资料后 才正式编著 励磁装置原理讲解与学习题库 励磁装置原理讲解与学习题库 共六章 第一章从励磁装置的任务讲起 接着讲解励 磁附加控制器 PSS 的原理 最后简要介绍葛洲坝电厂励磁设备概况 第二 第三和第四 章 按照励磁装置的三大组成部分 分别介绍了葛洲坝电厂现有励磁调节器 功率柜和灭磁 柜的工作原理以及技术指标 是本书的讲解重点 在这一章中 作者不仅深入的讲解现场实 际技术知识 还对一些现有技术问题进行分析 并提出一些改进建议 第五章介绍葛洲坝电 厂励磁操作系统的原理 建议读者结合实际工作图纸学习 第六章是励磁专业学习题库 大 约 200 多题 具有一定的实用价值 能帮助读者复习和考试训练 本培训教材在讲解励磁原理过程中 简要回顾了葛洲坝电厂投产发电时期的励磁装置及 其原理 能使读者了解葛洲坝电厂励磁装置技术改进的历程 增加对新技术 新设备的认识 全书 7 万 5 千多字 70 多幅图表 非常便于青年读者学习励磁系统的原理 本培训教材第二 第三和第四章中的部分图表 由龚元生提供 第五章主要由龚元生编 写 第六章主要由胡先洪提供 除此之外 都由陈小明编写 限于作者的水平以及时间的关 系 书中难免有疏漏 错误之处 敬请读者不吝赐教 本培训教材的编写 至始至终得到了二江电厂领导的鼓励和支持 程刚高级工程师更是 多次与本主编进行交流 葛洲坝电厂励磁专家黄大可 邵显钧和胡先洪工程师对本培训教材 进行审核 朱必良高级工程师 曾笑鸿和邹先明工程师以及张照林 徐伟华等励磁同仁审阅 了本培训教材的部分章节 在此一并表示由衷的感谢 陈小明 2001 年 2 月 10 日 陈小明 2001 年 2 月 10 日 3 目录 目录 第一章 励磁系统概述 第一章 励磁系统概述 1 1 励磁系统的任务 1 2 励磁附加控制器 1 3 葛洲坝电厂励磁系统概述 第二章第二章 MEC 31 多微机励磁控制器多微机励磁控制器 2 1 励磁调节器原理 2 2 MEC 31 多微机励磁控制器概述 2 3 MEC 31 励磁控制器的硬件配置 2 4 MEC 31 励磁控制器软件简介 第三章 励磁大功率整流装置 第三章 励磁大功率整流装置 3 1 励磁大功率柜概述 3 2 励磁大功率柜的技术特点 3 3 励磁大功率柜过电压保护 第四章 发电机灭磁及转子过电压保护 第四章 发电机灭磁及转子过电压保护 4 1 发电机灭磁及转子过电压保护概述 4 2 发电机灭磁的基本原理 4 3 二江电厂灭磁及转子过电压保护装置 4 4 大江电厂灭磁及转子过电压保护装置 4 5 DM4 开关配 ZnO 电阻灭磁系统的改进 第五章 葛洲坝电厂励磁操作系统第五章 葛洲坝电厂励磁操作系统 5 1 励磁操作系统概述 5 2 励磁直流操作系统 5 3 励磁交流电源操作系统 5 4 励磁系统的操作 第六章 励磁专业题库第六章 励磁专业题库 6 1 填空题 6 2 选择题 6 3 判断题 6 4 画图题 6 5 问答题 主要参考资料 主要参考资料 第一章 励磁系统概述 第一章 励磁系统概述 4 1 1 励磁系统的任务 1 1 励磁系统的任务 同步发电机运行时 必须在励磁绕组中通入直流电流 以便建立磁场 这个电流称为励 磁电流 而供给电流的整个系统称为励磁系统 由于励磁绕组又称发电机转子 故励磁电流 也叫转子电流 在电力系统的运行中 同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一 通过调节励磁 电流可以改变发电机的无功功率 维持发电机端电压 不论在系统正常运行还是故障情况下 同步发电机的直流励磁电流都需要控制 因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分 励磁 系统的安全运行 不仅与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关 而且与发电 机及电力系统的运行稳定性密切相关 同步发电机励磁系统的任务有以下几点 1 电压控制 1 电压控制 在同步发电机空载运行中 转子以同步转速 n 旋转时 励磁电流产生的主磁通 0切割 N 匝定子绕组感应出频率为 f pn 60f pn 60 的三相基波电势 其有效值 E0同 f N 0以及绕组系 数 k 的关系 E0 4 44 fNk fNk 0 0 这样 改变励磁电流 If 以改变主磁通 0 空载电势 E0值也将改变 二者的关系就是发 电机的空载特性 E0 f If 或发电机的磁化特性 0 f Ff 在发电机空载状态下 空载电势 E0就等于发电机端电压 Ut 改变励磁电流也就改变发电机端电压 完成电压控制的设备是由励磁调节器 励磁电源 发电机等组成 同步发电机励磁控制 系统框图的一般形式如图 1 1 所示 Ug Uf Uf Ut Uc 励磁调节器 图图 1 1 同步发电机励磁控制系统框图同步发电机励磁控制系统框图 在图 1 1 中 虚线框内是励磁调节器的基本原理框图 按照调节原理 一个控制调节装 置 至少要有三个环节或单元 第一是测量单元 它是一个负反馈环节 第二是给定单元 它是调节中的参考点 第三是比较放大单元 它将测量值同参考值进行比较 并对比较结果 的差值进行放大 从而输出控制电压 Uk 这里的其他信号 是指调节器中的其他功能的作 用信号 比如调差 励磁电流限制 无功限制 PSS 等 这里的励磁电源是指可控硅整流装 置 对于一个励磁控制系统来说 电压控制就是维持发电机端电压在设定位置 为实现这一 目的 首先就要设定电压 要有一个给定信号 Ug 以便明确电压控制值 其次要测量电压 看发电机端电压是多少 这里由发电机电压互感器 PT 和调节器中的测量板组成 将 Ut 变 为 Uc 最后 由调节器比较给定值和测量值 当测量值小于给定值时 励磁装置增加励磁 电流 If 使发电机端电压上升 当测量值大于给定值时 励磁装置减少 If 使发电机端电压下 降 2 无功分配无功分配 给定信号 其他信号 测量信号 信号比较放大 励磁电源发电机 5 在发电机负载运行时 根据所带负载的性质 空载电势 E0同发电机端电压 Ut 的关系发 生了变化 当发电机带感性负载时 电枢反应具有去磁性质 随着负载的增加 Ut 越来越 小于 E0 这时为了维持 Ut 不变 必须增大励磁电流 当发电机带容性负载时 电枢反应具 有助磁性质 随着负载的增加 Ut 越来越大于 E0 同样为了维持 Ut 不变 必须减少励磁电 流 在发电机并网运行时 系统母线电压控制着发电机端电压 Ut 当调节励磁电流 If 使 E0发生变化时 发电机的定子电流和功率因数也随之变化 即发电机的无功功率随 If 变化 同步发电机的 V 形曲线 就是反映了励磁电流同定子电流的关系 在这一关系中 功率因 数等于 1 的励磁电流称为正常励磁 当励磁电流大于正常励磁时 定子电流滞后于端电压 功率因数滞后 发电机输出滞后无功功率 这种状态我们俗称为发电机带无功运行 当励磁 电流小于正常励磁时 定子电流超前于端电压 功率因数超前 发电机输出超前无功功率 这种状态我们俗称为发电机进相运行 在发电厂中数台发电机并网运行时 调节一台发电机的励磁电流 不仅会改变这台机的 无功 还要影响其他发电机的无功稳定性 为此 励磁系统分配并联运行的发电机无功时 还要考虑其稳定性和合理性 这就要求励磁调节器具有调差功能 母线电压水平及无功功率在机组之间的分配 取决于发电机的电压调节特性即调差特性 Ut f Q 一般来说 发电机的调差特性是一条发电机端电压 Ut 随无功 Q 增加而下降的直 线 见图 1 2 的正调差系数 K3 K0 和 K2 分别表示零调差和负调差系数 Ut Ug Uk Ut K2 Uto K0 K3 Us K1 K1 K2 0 Q 0 Q1 Q2 Q 图 1 2 励磁调差特性 图 1 3 并联运行机组调差特性 图 1 2 励磁调差特性 图 1 3 并联运行机组调差特性 如果励磁调节器具有调差功能 则发电机总的调差系数是发电机 发变组 的自然调差 系数与励磁调差系数的代数和 由于自然调差系数不可变 故发电机的总调差系数由励磁调 差系数控制 若励磁调差系数为零 比如退出调节器中的调差电路 则发电机的调差特性就 是自然调差特性 其大小由发电机和变压器的电磁参数决定 且变压器参数起主导作用 若 励磁调差系数为负 如图 1 2 中的直线 K2 所示 则发电机调差特性就是发电机的自然调差 系数减励磁调差系数的差 若励磁调差系数为正 如图 1 2 中的直线 K1 所示 则发电机调 差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和 在这里之所以有加减之别 其目的 是在控制励磁调差系数大小情况下 保证发电机调差特性向下倾斜 因为只有具有正调差特 性的发电机才能并联运行 对于单元接线的发电机系统来说 若发变组的自然调差率很大 励磁调差系数应选择负 以补偿无功电流在主变上的压降 若发变组的自然调差率很小 励 磁调差系数应选择正 对于扩大单元接线的发电机系统来说 由于发电机的自然调差率很小 为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配 发电机必须具有基本一致的正调差 特性 这就要求励磁调差必须为正极性 图 1 3 是两台发电机并入电网后 二者调差特性与 无功分配关系 图中 Uto 是两台发电机空载额定电压 Us 母线电压 K1 和 K2 是两台发电机 各自的调差系数 这两台发电机并网后 调节励磁电流 其 K1 和 K2 直线平行上下移动 所 对应的无功 Q1 和 Q2 也随之改变 并且相互不影响 6 我们知道 无论励磁调节器是何种类型 其工作原理都是将反映发电机端电压 Ut 的测 量电压 Uc 与给定电压 Ug 进行比较 从而得到发电机电压偏差信号即控制电压 Uk 对于可 控硅整流器来说 Uk 经移相器产生 角变化的脉冲 以此改变整流桥输出电压 使发电机 端电压同给定电压保持一致 如果在测量电压 Uc 或者给定电压 Ug 上 再叠加一个反映发电 机无功变化的附加量 Uq 就能使控制电压 Uk 和 角产生变化 从而改变发电机的电压调节 特性 这个附加量就是励磁调差起作用的量 也称无功补偿量 其极性直接影响励磁调差极 性 一般说来 给定为正信号 测量为负信号 图 1 4 描述了这一过程的基本原理 虚线表 示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节 Ug Q Uq Uk Uf Ut Ut Uc 图 1 4 励磁装置调差原理图 图 1 4 励磁装置调差原理图 如果将调节器中调差单元接入到给定单元上 当调差单元随发电机 Q 增加而输出 Uq 时 就会引起给定电压 Ug 增加 控制电压 Uk 增加 角减少 最终使得发电机端电压 Ut 增加 此时的励磁调差就是负调差 当调差单元随 Q 增加而输出 Uq 时 就会引起相反的结 果 此时的励磁调差就是正调差 在图 1 2 中 将给定电压 Ug 和控制电压 Uk 引入纵坐标 就能根据 Ug f Q 和 Uk f Q 来判断励磁调差极性 如果将调节器中调差单元接入到测量单元上 当调差单元随发电机 Q 增加而输出 Uq 时 就会引起测量电压 Uc 减少 控制电压 Uk 增加 角减少 最终使得发电机端电压 Ut 增加 此时的励磁调差就是负调差 当调差单元随 Q 增加而输出 Uq 时 就会引起相反的结 果 此时的励磁调差就是正调差 3 提高电力系统稳定性 3 提高电力系统稳定性 a 提高静态稳定性 a 提高静态稳定性 静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后 不发生自发振荡和非周期失步 自动恢复到起 始运行状态的能力 电力系统静态稳定性高低 可以用输电线路的输送功率极限的大小来判 断 这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法 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 E0保持不变 那么该系统的静态极限为 Pmax 其功率特性曲线见图 1 5 中的曲线 1 如果 发电机具有常规励磁 比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统 则可保持 发电机的暂态电势Eq 不变 因此有 Pmax 其功率特性曲线见图 1 5 中的曲线 2 如果发 电机配置高放大倍数的快速励磁系统 比如采用运算放大器和可控硅整流器 并且励磁调节 器带电力系统稳定器 PSS 或者采用最优励磁控制 则可接近保持发电机端电压 Ut 不变 因 此有 Pmax 其功率特性曲线见图 1 5 中的曲线 3 粗约比较一下单机 无穷大系统静稳极限 Pmax Pmax Pmax 1 2 3 可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常 明显 特别是带 PSS 或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明 显 P Pmax UtUc Xe 移相整流器 测量单元 调差单元 给定单元 比较放大发电机 7 Pmax 3 Pmax Eq Eq Uc Xe Xd Pmax Pmax E E0 0Uc Xe Xd 2 中 Uc 为无穷大系统电压 Pmax Xd 为 d 轴同步电抗 1 Xd 为 d 轴暂态电抗 Xe 为发电机至无穷大系统间的电抗 图图 1 5 调节励磁对功率特性的影响调节励磁对功率特性的影响 b 提高动态稳定性提高动态稳定性 动态稳定是指电力系统遭受小扰动之后 在自动调节装置和附加控制的作用下 保持较 长过程稳定运行的能力 通常指不发生周期性振荡失步 由于影响动态稳定性的主要因数 是电力系统的阻尼特性 因而常规励磁系统对于电力系统的动态稳定性不起多大作用 但是 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 C 提高暂态稳定性提高暂态稳定性 暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后 各同步电机保持同步运行并过渡到新的或者恢复 到原来状态运行的能力 通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步 由于影响暂态稳定性 的主要因数是系统中短路故障性质 主保护的动作情况 重合闸动作成功与否 因而调节励 磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著 励磁系统对于提高暂态稳定而言 主要表现 在快速励磁和强励的作用上 电力系统中发生短路故障时 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 而故障切除后 快速 励磁和强励可以增大发电机电势 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 所以快速励磁和强励所能够增加的制 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 4 有利于电力设备的运行有利于电力设备的运行 在短路故障期间以及故障切除后 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 有利于电力设备的运行 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 励磁系统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 1 2 励磁附加控制器1 2 励磁附加控制器 大型同步发电机励磁系统一般由三部分组成 其一是励磁电源 如可控硅整流器 其二 是灭磁和转子过电压保护装置 其三是励磁控制部分 我们称为励磁调节器 由于励磁调节器按照发电机端电压偏差进行调节 我们也称之为自动电压调节器 它是 励磁主控制器 随着自动化技术的发展 调节器的调压精度越来越高 励磁电源的响应越来 越快 于是电力系统低频振荡就时有发生 影响了电力系统稳定运行 人们在研究了电力系 统发生低频振荡的机理之后 提出了在快速励磁系统上增设励磁附加控制器 构成了电力系 统稳定器 Power System Stabilizer 简称 PSS 由于 PSS 对抑制低频振荡 提高电力系统 稳定性有一定的效果 因而得到了广泛的应用 随着现代控制理论和计算机技术的发展 微 机励磁调节器开始采用最优励磁控制 Optimal Excitation Controller 简称 OEC 该技术融 自动电压调整同各种励磁附加功能为一体 全面改善发电机端电压调节精度和电力系统稳定 性 已取得一定成果 8 1 电力系统低频振荡电力系统低频振荡 在电力系统中 发电机经输电线路并列运行时 在负荷突变等小扰动的作用下 发电机 转子之间会发生相对摇摆 这时电力系统如果缺乏必要的阻尼就会失去动态稳定 由于电力 系统的非线性特性 动态失稳表现为发电机转子之间的持续的振荡 同时输电线路上功率也 发生相应的振荡 影响了功率的正常输送 由于这种持续振荡的频率很低 一般在 0 2 2 5HZ 之间 故称为低频振荡 电力系统低频振荡在国内外均有发生 通常出现在远距离 重负荷输电线路上 或者互 联系统的弱联络线上 在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易出现 葛洲坝二 江电厂建厂发电初期 曾多次发生低频振荡 近年来 在二江电厂同湖北恩施的联络线路上 又出现低频振荡 又引起了人们的注意 一般认为 发生低频振荡的主要原因是 现代电力系统中大容量发电机的标幺值电抗增 大 造成了电气距离的增大 再加之远距离重负荷输电 造成系统对于机械模式 其频率由 等值发电机的机械惯性决定 的阻尼减少了 同时由于励磁系统的滞后特性 使得发电机产 生一个负的阻尼转矩 导致低频振荡的发生 采用励磁控制系统的附加控制构成的 PSS 或 其他方式 可以补偿负的阻尼转矩 抑制低频振荡 2 PSS 原理简介原理简介 a 励磁装置的负阻尼作用 a 励磁装置的负阻尼作用 所谓阻尼就是阻止扰动 平息振荡 而负阻尼恰恰相反 励磁装置的负阻尼 是指励磁 装置对于系统功角摆动所作出的调节作用 会加大这种摆动 不利于系统的稳定 并联在电力系统中运行的同步发电机 其稳定运行的必要充分条件是有正的阻尼转矩和 正的同步转矩 阻尼转矩 MD 为负时将会因为出现自发增幅振荡而最终失去稳定 而当同 步转矩 MS 为负时 发电机将出现爬步失步 在同步发电机受到扰动 引起系统振荡期间 电磁转矩 M 功角 和角频率 都作周期性变化 故可以在 坐标中表示 M MD 和 MS MD 同 基本同相 MS 同 同相 二者之和就是和 M 这就是说电磁转矩 既包含了同步转矩分量又包含了阻尼转矩分量 在不考虑励磁装置的负阻尼情况下 阻尼转矩就是阻止发电机转速偏离同步转速的一种 转矩 其作用力的方向总是指向阻止转子偏离同步速度的方向 当转速高于同步速度时 阻 尼转矩是制动的 当转速低于同步转速时 阻尼转矩却是驱动的 正是这两种作用 才使得 振荡衰减 阻尼转矩包括两种 一种是一般忽略不计的机械性阻尼 它反映了机械运动的惯 性原理 另一种是发电机转子中阻尼绕组产生的阻尼 这种阻尼是在发电机转速不同于同步 转速时 二者就在转子上产生相对运动 阻尼绕组中就感应出一个转差频率的感应电流 并 产生感应电动机那样的转矩 即阻尼转矩 在单机 无穷大系统简化线性模型的电磁转矩矢 量图图 1 6 中 MD1 是不考虑调节器负阻尼情况下的阻尼转矩 M1 能抑制系统振荡 在考虑励磁装置的负阻尼情况下 阻尼转矩就有了正负之分 当励磁装置产生的负阻尼 大于阻尼绕组产生的正阻尼时 阻尼转矩就变成图 1 6 中的 MD2 M2 则不能抑制系统振 荡 我们知道 自动电压调节器按照发电机端电压偏差 Ut 调节 当系统发生振荡时 的变化就会引起 Ut 变化 调节器就会依据 Ut 进行调节 由于发电机转子绕组具有较大的 时间常数 其励磁输出所产生的转矩相对于输入信号 必然有一定的延时 正是这种延时 才使励磁装置产生的负阻尼转矩 当然 并不是所有励磁装置都产生负阻尼 理论和实践都证明 在单机 无穷大系统的 完整的线性模型 又称 Phillips Heffron 模型中 只有当参数 K5 为负时 阻尼转矩才为负 在远距离重负荷输电的单机 无穷大系统中 由于 K5 可能变负值 并且由于高放大倍数快速 响应励磁系统的存在 可能导致系统中的阻尼为负 这时如果实际存在的发电机电气的和机 械的正阻尼较小 则该系统可能发生低频振荡 9 M3 MD1 M1 M4 MS MD2 M2 M2 图图 1 6 电磁转矩矢量图电磁转矩矢量图 图图 1 7 PSS 的附加电磁转矩图的附加电磁转矩图 b PSS 的基本原理b PSS 的基本原理 在考虑励磁装置产生负阻尼情况下 单机 无穷大系统的电磁转矩位于 坐标的 第四象限 因与转速相位方向相反 它给系统提供的是负阻尼转矩 如图 1 17 中的 M2 这时如果能提供一个位于第一象限的附加电磁转矩 M3 则 M2 和 M3 的矢量和 M4 就可 以在第一象限 此时的 M4 与转速相位方向相同 它给系统提供具有正的同步转矩和阻尼 转矩 低频振荡将受到抑制 这个第一象限的附加电磁转矩 M3 可以引进附加控制信号的 PSS 来获得 这就是 PSS 的基本原理 PSS 励磁附加控制器 是一种附加反馈控制 即在励磁调节器中 除了引入发电机端电 压作为主要控制信号外 再引入一个超前 附加控制信号 作用于调节器 如图 1 1 中的 其他信号 改变励磁输出 使整个励磁装置产生正阻尼转矩 从而提高系统稳定性 PSS 一 般由两部分组成 第一部分是附加信号的检测单元 常用的附加输入信号有 f 和 P 因为 这两种信号都可以采用电气测量方法得到 实施比较简单 且二者很容易转换成 和 为了保证 PSS 只在低频振荡发生时起作用 测量单元必须有一个低通滤过器和直流信号隔离 环节 只让低频振荡信号输入 第二部分是附加信号放大和相位超前单元 合理选择 PSS 的放大倍数和相位补偿角 就能使 PSS 输出一个超前于 的附加控制电压 该控制电压通 过调节器 改变励磁控制电压 最终达到励磁装置输出正阻尼转矩的目的 C PSS 的应用效益和适应性C PSS 的应用效益和适应性 PSS 的应用效益主要有三个方面 第一是抑制低频振荡 许多试验结果都证明 在系统 发生低频振荡时投 PSS 经过 1 2 个周波振荡就完全平息了 第二是提高静稳定的功率极 限 具有 PSS 附加功能的调节器 可采用较大电压放大倍数 提高电压调节精度 维持发电 机端电压 Ut 不变 使单机 无穷大系统的静稳极限接近线路的功率极限 第三是有利于暂态 稳定 能够在一定频率范围内提供正阻尼 抑制大扰动第一摇摆之后的后续振荡 缩短后续 摇摆过程 1985 年葛洲坝二江电厂低频振荡抑制试验 可以使线路输送能力提高 20 能有 效平息低频振荡 在单机 无穷大系统中应用 PSS 的适应性问题有两面性 一方面 由于 PSS 参数是在某 个低频振荡频率设计和整定的 当系统参数发生变化时 PSS 不可能在所有的运行方式下都 具有最好的应用效果 另一方面 不论运行方式怎么变 低频振荡频率范围都在 0 2 2 5HZ 之内 PSS 总会有一定的阻尼补偿作用 决不会恶化系统的阻尼 因此 PSS 具有一定的适应 性 至于在多机电力系统中 首先要解决 PSS 最佳安装地点和 PSS 参数的协调整定问题 否 则 即使所有机组都装设 PSS 在一定条件下仍会出现低频振荡 3 阻尼单元原理简介阻尼单元原理简介 10 葛洲坝二江电厂发电初期 低频振荡时有发生 严重的影响了电力系统的稳定 针对这 种情况 葛洲坝电厂联合华中理工大学共同研究新型励磁附加控制器 阻尼单元 这是一种 以发电机端电压偏差 Ut 作为附加控制信号的 PSS 结构简单 调试方便 试验结果较 好 阻尼单元在葛洲坝电厂大部分机组上投运过 后来因葛洲坝大江电厂发电 葛洲坝电厂 的系统主接线发生了很大变化 再加之该单元有时运行不稳定 于是又都退出了运行 分析阻尼单元的工作原理 同样要涉及到增益高 速度快的励磁系统产生负阻尼转矩问 题 同步发电机受到扰动 其功角 会产生摇摆 当 增大时 发电机端电压 Ut 要下降 励磁装置又不让 Ut 下降 就去增加励磁电流 由于转子回路的惯性时间常数较大 励磁电 流的增长滞后 的变化 这样当 减少时 励磁装置虽然也发出减少励磁电流的信号 但励 磁电流有可能仍在增加 造成 减少过度 即 回摆幅度增大 这就助长了 的摇摆 对此 我们就说励磁装置产生负阻尼转矩 很显然 要利用调节器中的 Ut 作为附加控制信号 只 需将 Ut 进行低通滤波和相位超前即可 正是如此 整个阻尼单元只用了两个运算放大器 一个组成低通过滤器 另一个组成微分电路 前者只让 0 2 2 5HZ 低频振荡的 Ut 进入阻 尼单元 使其尽量减少对调节器正常工作的影响 后者将以进入阻尼单元的 Ut 进行微分 使其输出信号的相位超前输入信号 90 度 这个角度可以补偿转子回路的延时 从而使励磁 装置输出正阻尼转矩 4 最优励磁控制器简介最优励磁控制器简介 尽管励磁附加控制器对抑制低频振荡 提高电力系统稳定性有着明显的作用 但是也存 在适应性较差 现场调试麻烦 对提高暂态稳定作用甚微以及在多机系统中应用协调困难等 缺点 为解决这些问题 进一步提高电力系统稳定性并改善其动态品质 国内外学者对励磁 控制规律进行了大量的研究 先是线性最优控制理论被引入电力系统 研究开发出线性最优 励磁控制器 Linear Optimal Excitation Controller 简称 LOEC 目前 葛洲坝电厂使用的 MEC 型多微机励磁控制器 就是采用 LOEC 技术 近年来 非线性控制系统的微分几何结 构理论又被引入励磁控制规律 研究出非线性励磁控制器 Nonlinear Excitation Controller 简称 NEC 也在一定范围内得到使用 a 线性最优励磁控制原理 a 线性最优励磁控制原理 最优控制理论是设计最优控制系统 使其性能指标最优的理论和方法 它是现代控制理 论一个重要组成部分 在单机 无穷大系统中 最优励磁控制系统的设计目标是使系统的状 态偏差连同控制量一起达到最小 这就意味着系统的电压质量 阻尼转矩和同步转矩将同时 得到改善 线性最优励磁控制 以提高系统调压精度 静态稳定和动态稳定为目标 将非线 性的电力系统简化为线性模型 采用计算机技术 使其规定的性能指标达到最佳 在一个完整的单机 无穷大系统中 全部变量有六个 即 Pe Eq Ut Uf 一个系统的状态变量的选取 应当是那些重要的 独立的 对性能指标影响较大 的 易于测量的变量 对于采用励磁机励磁的发电机一般采用 Pe Ut Uf 四 个变量 对于采用可控硅静止励磁的发电机一般采用 Pe Ut 三个变量 通过这些 变量得到状态方程 X AX BX AX BX 采用二次型性能指标 解黎卡梯方程 便可求出最优控制向量 在这个最优控制向量里 有相对 Pe Ut Uf 四个变量的最优控制参数 功率 反馈增益KP 角速度反馈增益 K 端电压反馈增益KV 励磁电压反馈增益 KUf 总之 最优励磁控制理论与技术和采用常规调节器相比 主要有以下两点革新 第一 将单参量辅 助反馈 Ut 改进为多参数反馈 反馈量为电压 Ut 功率 Pe 转速 和转子电压 Uf 第二 运用 线性 二次型 黎卡梯 LQR 这一成熟的控制方法 求得多个反馈量之间的 最恰当放大倍数匹配关系 因而实现 最优化控制 常规励磁调节器对电压偏差 Ut 进行比例 积分 微分控制 简称 PID 调节 比例就 是对电压偏差按比例放大 积分是对微小偏差进行累计求和 以达到消除这些偏差 提高调 11 压精度 微分将动态的输入信号相位超前 使调节器能作出快速的反应 尽管该微分电路提 供的超前相位 也会减少 即补偿 励磁电流的滞后相位 因而在一定程度上补偿负阻尼转 矩 但是 PID 是针对电压信号而设计的 它产生超前相位频率与低频振荡的频率不一定相 同 它也不能兼顾电压性能与阻尼的要求 按电压进行 PID 控制的励磁系统对于抑制低频 振荡的作用是有限的 PID 励磁控制调节规律可以用比例系数KP 积分系数 KI 微分系数KD和电压偏差 Ut 来表达 U KP U KP KI KD UKD Ut 对照线性最优励磁控制规律表达式 U KP P U KP Pe K KV UKV Ut 不难发现 线性最优励磁控制不仅对电压偏差进行调节 还对功率和角 速度偏差进行调节 其目的是既要达到常规励磁调节器的电压调节要求 又要达到附加励磁 控制器抑制低频振荡 提高系统稳定性 b 非线性最优励磁控制原理b 非线性最优励磁控制原理 理论和试验都证明 线性最优励磁控制 能有效的提高电力系统的静态稳定和动态稳定 性 但对系统的暂态稳定作用甚微 目前我国电网 低频振荡和小干扰稳定性的改善固然重 要 但更具重要意义的是要提高其暂态稳定水平 为此迫切需要发展直接按多机系统 精确 非线性模型设计的最优励磁控制器 在过去的十年里 国际上基于微分几何方法的非线性系 统控制理论有了较系统的发展 美国将其用于如飞行器和机器人等控制系统 在我国 科研 人员将其用于复杂电力系统 并发展了这种理论 使我国在该前沿学科领域占有国际上一席 之地 非线性励磁控制器 首先用非线性微分方程式来描述发电机励磁控制系统 接着使用非 线性控制系统的微分几何结果理论 通过坐标变换将发电机非线性励磁控制系统变换成完全 可控的线性系统 从而得到非线性励磁控制规律 非线性励磁控制器一般使用 Pe 和 Ut 四个变量 其控制规律有以下特点 第一 其中仅含有受控发电机可测的状态 变量 所以实现了真正的分散控制 第二 仅含有受控机组本身的参数如 Td0 等 故对网络 结构的变化有完全的自适应能力 鲁棒性 第三 由于在求解该控制律中 未对模型作近似 线性处理 该控制规律对 小干扰 和 大干扰 同样适用 第四 该控制规律对一类二次 型性能指标是最优 应着重指出 非线性励磁控制规律采用发电机全状态量非线性最优反馈 这对电力系统的大小干扰都起着镇定 Stabilizing 作用 从这个意义上可以说它是 全状 态量非线性最优的 PSS 全状 态量非线性最优的 PSS Power System Stabilizer 动模试验证明 发电机非线性励磁控 制器 不仅可显著的改善电力系统稳定性 同时还达到了较高的电压调压精度的要求 发电 机非线性励磁控制器 在暂态过程中对电压调节的质量是任何其他励磁控制方式所不可比拟 的 1 3 葛洲坝电厂励磁系统概述1 3 葛洲坝电厂励磁系统概述 葛洲坝电厂由二江电厂和大江电厂组成 其中二江电厂装机 7 台 其主要铭牌参数见表 1 1 大江电厂装机 21 台 其主要铭牌参数见表 1 2 葛洲坝电厂励磁系统 1F 19F 采用交 流侧串联自复励静止可控硅励磁方式 20F 21F 采用自并励静止可控硅励磁方式 整流电 路即功率柜为可控硅三相全控桥电路 且多柜并联 大部分调节器采用葛洲坝电厂能达公司 生产的 MEC 多微机励磁控制器 灭磁电阻使用非线性电阻 氧化锌和炭化硅电阻 其灭 磁方式为灭磁开关配合非线性电阻灭磁 发电机转子过压保护也是用非线性电阻来吸收 表 1 3 是二江电厂励磁系统主要设备配置一览表 表 1 4 是大江电厂励磁调节器配置表 表 1 5 比较了大江电厂各类励磁调节器性能 表 1 6 是大江电厂功率柜配置表 表 1 7 是大江电厂 灭磁系统配置表 从上可见 大江电厂励磁系统较二江电厂配置复杂 设备种类较多 表表 1 1 二江电厂发电机铭牌参数表二江电厂发电机铭牌参数表 参参 数数 名名 称称 单位单位 1 2F 3 4F 12 型 式 TS1760 200 110 SF125 96 15600 容 量 MVA 194 2 143 额定功率 MW 170 125 额定电压 KV 13 8 13 8 额定电流 KA 8 125 5 98 额定功率因数 COS 0 875 0 875 额定励磁电流 KA 2 077 1 653 额定励磁电压 V 497 498 转子电阻 75 0 202 0 248 空载励磁电流 KA 1 289 0 925 纵轴电抗 Xd 0 54 0 358 纵轴瞬变电抗 X d 0 3055 0 37 纵轴超瞬变电抗 X d 0 197 0 23 短路比 1 33 1 1 转子磁极对数 对极 55 48 定子槽数 槽 990 792 接线方式 5Y 3Y 额定频率 HZ 50 50 励磁方式 静止可控硅自复励 静止可控硅自复励 接地方式 消弧线圈 消弧线圈 生产厂家 东方电机厂 哈尔滨电机厂 表表 1 2 大江电厂发电机铭牌参数表大江电厂发电机铭牌参数表 机组号机组号 8F 11F 16F 19F12F 14F 20F 21F 型 式 SF125 96 15600 SF125 96 15600 容 量 MVA 143 143 额定功率 MW 125 125 额定电压 KV 13 8 13 8 额定电流 KA 5 98 5 98 额定功率因数 COS 0 875 0 875 额定励磁电流 KA 1590 1553 额定励磁电压 V 450 450 转子电阻 75 0 248 0 257 空载励磁电流 KA 0 876 0 830 接线方式 3Y 3Y 额定频率 HZ 50 50 励磁方式 20F 21F 除外 静止可控硅自复励 静止可控硅自复励 接地方式 消弧线圈 消弧线圈 生产厂家 哈尔滨电机厂 东方电机厂 表表 1 3 二江电厂励磁系统主要设备配置一览表二江电厂励磁系统主要设备配置一览表 调节器调节器 整流柜整流柜 并联变并联变 串联变串联变 灭磁系统灭磁系统 主接线主接线 大 机 MEC 31 STR 1600 800 3 柜 SG 2400 13 8 CDT 800 15 单相 3 台 DM4 2500 08 3 64 片 ZnO 交流侧串 联自复励 13 小 机 MEC 31 STR 1600 800 2 柜 ZSG 2400 13 8 CDT 1000 15 单相 3 台 DM4 1600 08 3 48 片 ZnO 交流侧串 联自复励 表 表 1 4 大江电厂励磁调节器配置表大江电厂励磁调节器配置表 调节器型号调节器型号 制造厂家制造厂家 类型类型 结构结构 功能功能 使用机组使用机组 DLS15A 东方电机厂 模拟式 双通道 不全 15F LT 06B 洪山电工厂 模拟式 双通道 较全 10F SILCO 4 CGE 模拟式 双通道 全 20F 21F SJ 820 南自院 数字式 双通道 全 11F MEC 31 能达公司 数字式 三通道 全 其余机组 表表 1 5 大江电厂励磁调节器性能比较表大江电厂励磁调节器性能比较表 调节器型号调节器型号 SILCO 4 DLS15A LT 06 SJ 820 MEC 31 调节方式 PID PSS P P PID PSS 线性最优 无功补偿 有 有 有 有 有 强励限制 有 有 有 有 有 无功进相限制 有 有 有 有 有 PT 断线保护 有 有 有 有 有 U F 限制 有 无 有 有 有 无功过载限制 有 无 有 有 有 转子过压抑制 有 无 无 无 有 同步断线保护 无 无 无 有 有 风压检测 有 无 无 无 有 脉冲检测 有 无 有 有 有 掉相检测 有 无 有 无 无 风机开闭检测 有 无 无 无 无 整流桥导通检测有 无 无 无 无 跨接器过流保护有 无 无 无 无 整流变过流保护有 无 无 无 无 整流桥过流保护有 无 无 无 无 整流桥温度保护有 无 无 无 无 转子温度模拟 有 无 无 无 无 转子接地检测 有 无 无 无 无 表表 1 6 大江电厂励磁整流柜配置表大江电厂励磁整流柜配置表 整流柜型号整流柜型号 制造厂家制造厂家 串联元件并联元件通风结构串联元件并联元件通风结构 保护功能保护功能 使用机组使用机组 DLS15A 东方厂 2 只 5 只 单柜抽风 较全 13F 15F STR 1600A 能达 1 只 2 只 整体风道 较全 12F 14F SILCO 4 CGE 1 只 4 只 整体风道 很全 20F 21F KZF 3 哈尔滨厂 2 只 5 只 单柜抽风 较全 其余机组 14 表表 1 7 大江电厂灭磁系统配置表大江电厂灭磁系统配置表 灭磁开关型号灭磁开关型号 制造厂家制造厂家 灭磁方式灭磁方式 过压保护方式过压保护方式 使用范围使用范围 ASLGG 4000 ASEA 单断口 SiC 跨接器 SiC 12F 14F AMF 1B CGE 三断口 SiC 跨接器 SiC 20F 21F DM4 1600 立新开关厂 双断口 ZnO 跨接器 ZnO 其余机组 1 葛洲坝电厂励磁方式 葛洲坝电厂励磁方式 励磁方式 就是指励磁电源的不同类型 一般分为三种 直流励磁机方式 交流励磁机 方式 静止励磁方式 静止励磁方式是指采用半导体整流的励磁方式 又分为自并励和自复 励 常用的自复励有交流侧串联和直流侧并联两种 具体分类如下 它励 备用励磁装置 励磁方式 自并励 20F 21F 励磁装置 自励 交流侧串联自复励 1F 19F 励磁装置 自复励 直流侧并联自复励 葛洲坝电厂 1F 19F 采用采用可控硅静止式交流侧串联型自复励励磁方式 其交流阳极 电源基本接线见图 1 8 可控硅阳极电压相量图见图 1 9 20F 21F 采用可控硅静止式自并 励励磁方式 其阳极电源接线和电压相量图 除没有的 CB 和 UCB外 其余部分同图 1 8 和 图 1 9 Ut It Ud F ZB UY UZB UCB SCR CB UCB UZB UY It 图图 1 8 阳极电源基本接线阳极电源基本接线 图图 1 9 可控硅阳极电压相量图可控硅阳极电压相量图 由接线图及相量图可知 UY UZB UCB Ut KZB jItXu 而 Ud 1 35UYCOS 式中 U Y 可控硅整流桥阳极电压 KZB 整流变变比 UZB 并联变压器二次侧电压 It 发电机定子电流 UCB 串联变压器二次侧电压 Ut 发电机定子电压 Xu 串联变互感抗 Ud 整流桥输出电压 因此 交流侧串联型自复励的可控硅阳极电压 不仅反映了发电机机端电压的水平 而 15 且也同时反映了发电机实际负载情况 其整流输出电压不仅与阳极电压和控制角 有关 而 且也与机组工况密切相关 特别是 当发电机机端发生三相短路 尽管机端电压下降了 造 成 UZB变小 但短路电流的上升 却使 UCB变大 其结果可以维持较高的可控硅整流桥阳极 电压 U Y 从而保证励磁装置的强励能力 葛洲坝电厂采用交流侧串联型自复励励磁方式 是基于设计时的系统结构和设备制造水 平 并考虑下面两个原因 第一 当系统发生短路时 机端电压下降 励磁强励能力受到影 响 特别是机端三相短路而又长时间未被切除 自并励方式不能保证强励 第二 如果上述 原因造成短路电流迅速衰减 带时限的继电保护装置可能会拒动 随着励磁技术的发展 发 电设备制造水平的提高 特别是发电机封闭母线的使用 新建的大中型发电厂都采用自并励 励磁方式 葛洲坝大江电厂 20F 21F 也在这种背景下采用了自并励励磁方式 二江电厂整流变和串联变压器的参数见表 1 8 对于三相可控硅整流电路来说 由于串 联变压器的存在 使得阳极回路的总电抗增大 从而造成换相缺口大 过电压很高 过高的 换相电压 使转子电压和阳极电压的过电压毛刺尖峰极高 最高峰峰值高达 4000V 不仅损 害电气设备的绝缘 还加重可控硅阻容保护的负担 这一切都使得励磁系统主回路设备极易 损坏 按照目前葛洲坝电厂的系统结构和继电保护水平 在适当的时候取消串联变压器是可 能的 表表 1 8 整流变 串联变主要技术参数整流变 串联变主要技术参数 整整 流流 变变 串串 联联 变变 型 号 ZSG2400 13 8ZSG2000 13 8CDT800 15 CDT1000 13 8 容 量 2400KVA 2000KVA 3 8000KVA 3 1000KVA 2 一 3 14 49KV 14 49KV 3 一 4 13 8KV 13 8KV 高 压 侧 电 压 4 一 5 13 11KV 13 11KV 正常一次侧电 压 29V 正常一次侧电 压 80V 高压侧电流 一次侧 100A 84A 8 125KA 5 98KA 低压侧电压 二次侧 727V 790V 83V 144V 低压侧电流 二次侧 1900A 1462A 1 711KA 1 35KA 强励电流一次 26 8KA 15 8KA 强励电流二次 2 54KA 2 18KA 接线方式 Y Y 一 12 Y Y 一 12 1 1 一 12 1 1 一 12 绝缘等级 B B B B 相 数 三相 三相 三相 三相 冷却方式 空气自冷 空气自冷 空气自冷 空气自冷 制造厂 沈阳变压器厂沈阳变压器厂沈阳变压器厂 沈阳变压器厂 2 葛洲坝电厂功率柜原理葛洲坝电厂功率柜原理 葛洲坝电厂励磁整流柜即功率柜 全部采用可控硅三相全控桥电路 其接线特点是六个 桥臂元件全都采用可控硅管 共阴极组的可控硅元件及共阳极组的可控硅元件都要靠触发换 流 它既可工作于整流状态 将交流变成直流 也可工作于逆变状态 将直流变成交流 正 是因为有逆变状态 励磁装置在正常停机灭磁时 就不需要跳灭磁开关 可以大大减轻了灭 磁装置的工作负担 三相全控桥整流电路原理接线见图 1 10 这里 六个可控硅按 A C B A C B 顺序轮流配对导通 在一个 360 度周期内 每个可控硅导通 120 度 KRD 是快速熔断器 16 起保护可控硅的作用 RC 是可控硅阻容保护 主要吸收可控硅换相时的过电压 可限制可 控硅两端的电压上升率 有效防止误导通 运行实践表明 RC 对励磁系统过电压毛刺的影 响最大 选择合理的参数非常重要 YGK 表示三相电源刀闸或电动开关 由于功率柜都是 先切脉冲后跳开关 再加上使用电动开关后的维护工作量较大 现在一般都使用刀闸 目前 二江电厂功率柜都使用刀闸 大江电厂大功率柜也是使用刀闸 只有原来的功率柜使用的是 开关 运行情况很不好 ZDK 表示直流输出刀闸 国内生产的功率柜都装有输入输出刀闸 而国外几乎都不装设 比如大江电厂 20F 21F 功率柜 其原因一方面我国励磁规程讲究功 率柜故障后的退柜运行 另一方面是国产功率柜的质量较差 故障率较高 FL 和 A 表示检 测电流的分流器和直流电流表 所谓分流器就是一个大电流低阻值的分流电阻 当规定的额 定电流通过时 它产生 75 毫伏的电压 该电压驱动相应的电压表满量程 图 1 10 是葛洲坝电厂大功率柜的原理接线 它没有装设电抗器 电抗