发电厂励磁系统原理PPT课件.ppt

励磁系统定义 励磁系统是为同步发电机提供直流磁场电流设备的总称 它是发电机的重要组成部分 直接影响发电机的运行特性 励磁系统及其调节对象 同步发电机 共同组成的反馈控制系统 称为励磁控制系统 1 励磁系统的任务 维持发电机端或指定控制点的电压在给定水平上能稳定分配并列运行机组的无功功率提高电力系统运行的静态稳定性提高功率极限扩大稳定区改善暂态稳定性强励能力顶值电压响应比改善电力系统动态稳定性 2 励磁系统设备 3 励磁系统的组成与分类 自动电压调节器AVR ECR FCR 励磁调节器 励磁电源 励磁机 励磁变压器 整流器 AC DC变换 SCR 二极管 灭磁与转子过电压保护按励磁电源分类 直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统自并励励磁系统按响应速度分类 慢速励磁系统快速励磁系统高起始励磁系统 4 交流励磁机系统 三机它励 组成 交流主励磁机 ACL 和交流副励磁机 ACFL 都与发电机同轴 副励磁机是自励式的 其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电 也有用永磁发电机作副励磁机的 亦称三机它励励磁系统 优点 它励 励磁电源不受系统电源的影响缺点 调节速度慢 轴系长度长 易引发轴系振荡 同轴 5 交流励磁机系统 二机它励 组成 交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流 AVR控制可控硅的触发角 调整其输出电流 亦称为两机它励励磁系统 励磁系统没有副励磁机 交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得 自动励磁调节器控制可控硅砖触发角 以调节交流励磁机励磁电流 交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子 亦称为两机一变励磁系统 优点 取消副励磁机 轴系长度缩短 缺点 调节速度慢 同轴 6 自并励励磁系统 自并励励磁系统组成 励磁变压器 大功率可控硅整流柜 灭磁及过电压保护 起励设备 自动电压调节器优点 结构简单 调节速度快 轴系较短 不易引发轴系扭振 但励磁电源受系统电源的影响 缺点 强励时系统电压变化复杂 静止 7 无刷励磁系统 组成 主励磁机 ACL 电枢是旋转的 它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路 无刷励磁系统中的副励磁机 PMG 是一个永磁式中频发电机 它与发电机同轴旋转 主励磁机的磁场绕组是静止的 即它是一个磁极静止 电枢旋转的交流发电机 无刷励磁系统彻底革除了滑环 电刷等转动接触元件 提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量 但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高 不能采用传统的灭磁装置进行灭磁 转子电流 电压及温度不便直接测量等 这些都是需要研究解决的问题 旋转 8 自并励励磁系统介绍 励磁电源由一台接于机端的励磁变压器取得 经变压器ET降压后 接入晶闸管整流器SCR 通过晶闸管整流成直流后 供给发电机磁场绕组 自动励磁调节器从发电机机端取得信号 控制晶闸管的导通角 从而按需要控制发电机励磁电流 9 自并励励磁系统介绍 自并励的主要特点是 设备和接线比较简单 由于无转动部分 具有较高的可靠性 造价低 励磁变压器放置自由 缩短了机组轴系长度 励磁调节速度快 因为励磁电源相对不独立 故而需要起励电源 整流输出的直流顶值电压受发电机端或电力系统短路故障形式 三相 二相或单相短路 和故障点远近等因素的影响 10 自并励发电机组的起励 当机组启动后 在转速接近额定值时 机端电压为残压 其值一般较低 约为额定电压的1 2 这时由于同步电压太低 调节器可能还不能正常工作 晶闸管不能开放 故而没有励磁电流送出使发电机建立电压 因此 必须采取措施 先供给发电机初始励磁 以便发电机能够建立起一定的电压 完成起励过程 起励措施有两类 第一类是他励起励 第二类是残压起励 11 他励起励 起励电源可以是厂用蓄电池 直流 也可以是厂用交流电 厂用交流电一般通过起励变压器降压后 由二极管整流变成直流 然后通过限流电阻和直流接触器 将起励回路接入发电机磁场回路 对采用厂用蓄电池电源的 起励回路中须接入一正向二极管 防止发电机建压过程中的反充电 起励时 起励接触器闭合 励磁电流送入发电机磁场绕组 发电机电压逐渐升高 当电压升至额定电压的10 30 时 起励回路断开 进行自励 12 残压起励 当发电机残压较高 约2 5 以上 时 可利用残压起励 在起励初始阶段 整流桥中的晶闸管完全导通 然后在励磁调节器的控制下 将发电机的电压升至所整定的电压 13 励磁系统控制过程 励磁调节器主要由测量比较 综合放大和移相触发三个基本单元构成 Vd0 1 35U2cos 14 PID控制 按偏差的比例 积分和微分进行控制的PID调节器 是连续系统控制中技术成熟 应用最为广泛的一种调节器 比例调节可以减小控制系统惯性时间常数 但相对稳定性降低 而且不能消除稳态误差 积分调节可以消除稳态误差 微分调节可以提高控制系统的稳定性 相应可以增加比例调节放大倍数 15 励磁系统调差 发电机的调差特性是机端电压与发电机无功电流的关系曲线 有三种形式 无差特性 曲线1 正调差 曲线2 和负调差 曲线3 16 并网运行机组的调差要求 发电机最终连接到电网的调差系数应为正调差 无差调节的发电机 由于调差特性曲线有无数个公共点 机组间无功的分配不明确 机组间会发生乱抢无功的现象 导致运行不稳定 负调差的机组 如果电网电压波动增加 导致调节器电流增加 又使无功增加 发电机电压又上行 为正反馈 形成恶性循环 发电机调差系数一般由调度部门下达定值 整定原则是 AVR的调差系数为 5 到0之间 加上主变短路阻抗后 最终为8 左右 17 励磁调节器附加功能 PSS功能软起励功能 18 励磁调节器限制与保护 强励电流限制 快速限制 倍数限制 过励限制 励磁电流慢速 反时限 欠励限制 P Q 定子电流限制伏赫限制PT断线保护 10 怎样进行PT断线保护 19 强励限制与过励限制 1 电压强励能力取决于励磁变二次电压 阳极电压 2 电流强励能力取决于可控硅电流或者说是功率柜的数量 3 过励限制是励磁电流限制 大于1 1倍 反时限 20 过励限制的作用 保证发电机的过载能力得到发挥 保护发电机励磁绕组 以免过热 励磁反时限限制 顶值电流瞬时限制 励磁绕组过负荷保护 保护整流设备 以免短路电流损坏元件 励磁设备过电流保护 快速熔断器保护 21 过励限制的整定 过励限制 与发电机转子绕组发热特性配套 包括过励反时限限制和瞬时电流限制两部分 强励电压倍数大于2倍的励磁系统应有顶值电流瞬时限制功能 强励限制 电压或电流限制 瞬时或延时限制 影响暂态稳定性 保护转子绝缘和发电机安全运行 过励限制应在发电机转子绕组过热前动作 应在励磁绕组过负荷保护和励磁变过流保护动作前动作 应在整流桥 n n 1 过负荷之前 强励持续时间符合设备和标准要求 大于发变组后备保护动作时间 强励倍数符合设备和标准要求 反时限特性与要求一致 22 过励限制试验 1 励磁电流测量值核对 2 静态下输入模拟信号记录过流电流倍数和延迟动作时间 观察过励限制信号及调节器输出减少的现象 应与要求的反时限特性一致 3 静态下输入励磁电流模拟信号大于强励电流 应立即观察到调节器输出减少 为强励电流瞬时限制 4 开机时可以在实际整定值下进行试验验证 一般在约80 额定有功下突然增加电压给定值使得励磁电流过流 记录过励限制延迟动作时间 也可以临时减少整定值后试验 23 欠励限制 静稳要求 发电机安全运行要求 防止端部过热 维持电网 厂用电电压要求 避免机端电压 厂用电和高压母线电压过低 励磁系统故障 低励起作用 可以避免失磁 当未能限制 无功到达低励保护值时可以切换到备用自动通道从而避免失磁失稳 低励失效 失磁保护动作跳闸 参数整定 按发电机不同有功功率静稳定极限及发电机端部发热条件确定的 应注意与失磁保护的配合 由调度部门下发整定单 作用方式 在机组超过限制区之前将定子电压升高 以使机组运行点回到允许的允许范围之内 24 低励限制试验 1 静态试验1 P Q测量检查 2 模拟PT CT信号检查低励限制动作值 检查发信情况 2 动态试验安措 失磁保护投信号 缓慢减少电压给定值直到低励限制动作 在此过程中注意机端电压 厂用电电压和高压母线电压 注意轴系振荡情况 25 定子电流限制 定子电流限制还可以采用根据发电机输出的有功功率来确定发电机允许输出无功功率的方式来实现 即过无功限制 当发电机电流超过了限制区 如果此时机组运行在进相状态 则限制器动作 增加励磁电流 如果此时机组在迟相运行 则限制动作 减少励磁电流 总之 定子电流限制器的作用是调节发电机定子电流中的无功分量 使发电机电流回到限制区以内运行 26 定子电流限制的整定 定子过电流限制应先于定子过流保护动作 以避免停机 定子过流持续时间略大于转子过流持续时间 区分进相和滞相下过流 进相过流增加励磁 滞相过流减少励磁 定子过电流限制特性应与过励限制特性匹配 1 定子过流倍数略大于励磁绕组过流倍数 2 按照机组具体参数计算两者关系 或按照1 15倍考虑 27 伏赫限制 设计U F限制器是为了防止发电机和主变因过激磁引起绕组 铁芯和靠近的绕组 油箱壁 结构件过热 严重时造成局部变形和损伤绝缘 当机组频率降低的时候 为了使机组的机端电压保持恒定 励磁系统将会增加励磁电流 此时 如果机组在低频率的情况下使机端电压保持在额定值 那么对机组及所有与机组相连的变压器而言 将有可能出现过磁通现象 尤其是主变压器 从而对机组及变压器造成损坏 28 伏赫限制的整定 V Hz限制特性应与发电机及主变压器铁芯的过励磁特性匹配 V Hz限制及保护 应有一定时延 使发电机动态过程的励磁调节不受V Hz限制单元动作的影响 要求 先于发电机和主变的过激磁保护动作进行限制 宜具有定时限限制和反时限限制功能 发电机空载和负载下均投入运行 一般动作后减少电压给定值来限制伏赫比 限制后不影响PSS作用 29 V Hz限制试验 校核电压和频率测量值 检查V Hz值 设置V Hz限制的启动值 动作值等 静态用保持电压不变改变频率 和保持频率不变改变电压 观察V Hz限制发信 动作和返回值 V Hz动作后不能增加电压给定值 如有V Hz保护 检查保护动作延时和动作值 如有低频保护 调整电压的频率低至45Hz时应灭磁 开机下改变V Hz限制值到102 Un 增加电压给定 至V Hz限制动作 30 发电机事故灭磁 灭磁的主要目的在机组故障情况下断开灭磁开关 导通灭磁回路快速吸收转子能量 衡量发电机灭磁性能指标有两个 灭磁速度和灭磁电压 其要求是速度快即灭磁时间短 灭磁电压不能超过转子允许电压值 最优的灭磁系统是灭磁电压较高且在灭磁过程中保持恒定 只有这样 灭磁电流才能按线性方式衰减 其灭磁时间才最短 最优的灭磁系统称为理想灭磁系统 发电机 发电机出口开关 可控硅整流桥 t 31 灭磁方式种类 32 磁场断路器灭磁分类 耗能型和移能型灭磁耗能型灭磁 能量消耗在磁场断路器内 如DM2 移能型灭磁 灭磁开关产生高压 大于耗能电阻接受电流所需电压时 流经灭磁开关的电流转移到灭磁电阻上去 33 非线性电阻特性 非线性电阻两端电压衰减速率远远小于其电流衰减速率 当通过其电流较小时 它呈现的动态电阻较大 通过其电流较大时 它呈现的动态电阻较小 适当选择非线性电阻的特性和阻值 可以在灭磁初瞬使转子电压不超过容许值 在其后的灭磁过程中 电压变化率基本上接近于恒定 即电压值基本不变 灭磁曲线接近理想灭磁曲线 灭磁时间就短得多了 34 非线性电阻的分类 非线性电阻根据阀片的材质不同可分为碳化硅 SiC 和氧化锌 ZnO 非线性电阻 就其非线性特性而言 氧化锌非线性电阻优于碳化硅非线性电阻 且氧化锌非线性电阻具有较小的泄漏电流和较陡的非线性特性 35 逆变灭磁 在灭磁过程中 如果向转子励磁绕组施加一个比较大的负值恒定电压 则可认为转子电流基本上按直线率下降 灭磁时间就会加快 而转子过电压又在容许范围内 这正是晶闸管全控桥的一个特性 即在灭磁时把晶闸管控制角 后退到最小逆变角 min的位置 使整流桥由 整流 工作状态过渡到 逆变 工作状态 这样加到转子励磁绕组上的就是一个恒定的负值电压 36 过电压保护措施 抑制交流侧过电压的措施 阻容保护抑制直流侧过电压的措施 可控硅跨接器 37 EX2100e励磁系统组成 GEEX2100e是GE公司第四代数字式励磁系统 SILCO5 EX2000及EX2100 具有较高的可靠性 而且设计灵活 操作方便 EX2100e励磁系统由调节屏 AVR 可控硅整流屏 SCR 交流进线屏和直流出线屏组成 300MW机组 5面柜 600MW机组 6面柜 1000MW机组 7面柜主要包含 1 调节器 AutomaticVoltageRegulator 2 可控硅整流装置 SiliconRectifier 3 灭磁及过电压保护装置 De Excitation 4 起励装置 FieldFlashing 5 软件 Software 38 GEEX2100e的特点 1 三冗余控制系统传统励磁系统 主从控制完全相同的两个控制通道各带手自动控制模式EX2100e励磁系统 三冗余控制系统完全冗余的M1 M2 C三个控制器三个控制器同时对输入信号进行计算并且比较 C控制器对M1和M2进行监控 来决定M1和M2哪一个控制器做为主控制器工作 三重冗余系统的应用增加了系统的可靠性 39 GEEX2100e的特点 2 基于以太网的通讯机制传统励磁系统 串口通讯点对点通讯速率低信息量小 相对固定EX2100e励磁系统 网络通讯多点通讯通讯速率高信息量大 可自定义 40 GEEX2100e的特点 3 可视化的维护软件传统励磁系统 通讯点表可读性差无关联对操作人员要求高EX2100e励磁系统 逻辑框图直观 可读性强关联性强初学人员易上手 41 控制功能 AVR GeneratorTerminalVoltageRegulator 发电机自动电压调节器FVR GeneratorFieldVoltage 发电机励磁电压调节器SoftwareimplementedAutoandManualReferenceAdjusters由软件实现的自动和手动给定调整AutomaticandManualReferenceFollowers自动和手动给定跟踪器VAR PFController无功 功率因数控制器RCC ReactiveCurrentCompensation 无功电流补偿GeneratorFieldTemperatureCalculation发电机磁场温度计算PSS PowerSystemStabilizer 电力系统稳定器GeneratorSimulatorforCheck Out Testing andTraining使用软件仿真器进行检验调试与培训 42 限制功能 V HzLimiterV Hz限制器GeneratorFieldCurrentOnlineOverExcitationLimiter发电机磁场电流负载过励限制器GeneratorFieldCurrentOfflineOverExcitationLimiter发电机磁场电流空载过励限制器UnderExcitationLimiter欠励限制器ManualRestrictiveLimiter手动限制器一个缺陷 EX2100e无顶值电流限制 如何确保发电机额定电压下顶值电压倍数高于2倍的励磁装置应有顶值电流瞬时限制功能 43 保护功能 V HzProtect