山西励磁培训

2009年2月山西太原 国电南京自动化股份有限公司 朱红伟 发电机励磁系统讲座 欢迎各位专家 2020年4月20日 2 同步发电机励磁系统原理 PSVR100发电机励磁系统简介 同步发电机励磁系统保护 同步发电机励磁系统故障 2020年4月20日 3 1 1同步发电机原理1 2励磁系统作用1 3励磁系统分类1 4励磁调节装置1 5励磁功率装置 1 同步发电机励磁系统原理 2020年4月20日 4 1 1同步发电机原理 发电机是机电能量转换设备 机械能转换为电能是以磁场作为媒介 定子线圈通过切割磁力线感应电压 感应电压对外构成电路送出电能 2020年4月20日 5 定子 三相对称交流绕组 电枢 铁心转子 励磁绕组铁心 1 1同步发电机原理 同步发电机结构 2020年4月20日 6 1 转子 磁场建立2 导体 切割运动E BLV3 定子 感应电势E 4 44fN 4 定子 交变电势f pn 605 特点 交变性与对称性 1 1同步发电机原理 同步发电机工作原理 Ea Em sin wt Eb Em sin wt 120 Ec Em sin wt 120 2020年4月20日 7 1 水轮发电机2 转速较低 极数多3 直径大 4 轴向长度短5 工艺上较为简单6 电气上的磁阻效应功角特性 1 1同步发电机原理 凸极式转子 2020年4月20日 8 1 汽轮发电机2 转速高 二极3 直径大 4 轴向长度长5 结构工艺复杂6 均匀气隙功角特性 1 1同步发电机原理 隐极式转子 2020年4月20日 9 1 反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况2 调有功 调节进水或汽门3 功角处于0到90范围内4 调节励磁影响功率的稳定输出 1 1同步发电机原理 功角特性 2020年4月20日 10 发电的关键 实现机电能量转换的关键 1 1同步发电机原理 励磁作用 2020年4月20日 11 1 1同步发电机原理 励磁作用 励磁的基本任务 调速 励磁 同步发电机的两个基本控制 励磁 调速电能质量 电压 频率 2020年4月20日 12 从发电厂角度研究励磁 调节发电机电压 空载 负载 调节发电机无功功率 负载 多台发电机无功功率分配 调差 安全可靠运行 1 2励磁系统的作用 2020年4月20日 13 从电力系统角度研究励磁 提高系统的静态稳定性 小扰动稳定 提高系统的动态稳定性 小扰动失稳 提高系统的暂态稳定性 大扰动稳定 改善系统的电压稳定性 二次电压控制 安全可靠运行 1 2同步发电机励磁的作用 2020年4月20日 14 同步发电机空载特性 同步发电机负载特性 1 2同步发电机励磁的作用 调节发电机电压 2020年4月20日 15 调节发电机无功功率 负载 电网需要供应大量滞后性的无功功率 并网发电机的电压和频率将维持常数 定有功下 通过调节励磁 可以使发电机处于过励状态 输出滞后性的无功功率 可以使发电机处于欠励状态 输出超前性的无功功率 1 2同步发电机励磁的作用 调节发电机无功功率 2020年4月20日 16 直线3是发电机自然调差特性 直线2是负调差特性 直线1是正调差特性 正调差系数的发电机才能并联运行 1 2同步发电机励磁的作用 多台发电机无功功率分配 调差 电网电压降低时 1机承担更多无功 2020年4月20日 17 恒励磁电流 恒瞬变电势 恒机端电压 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的静态稳定性 好的励磁相当于降低与电网连接电抗 缩短距离 从而静态稳定功率达到极限可以功角大于90度 恒高压侧控制策率的PSVR 2020年4月20日 18 起因 快速AVR造成电力系统阻尼变弱 AVR的负阻尼作用随开环增益的增大而加大 远距离重负荷输电等解决方法 降低调压精度 减小开环增益 不可取 增加动态增益衰减环节 但该环节使励磁电压响应比减小 不利于暂态稳定 不可取 增加附加励磁控制通道 即PSS 也是目前使用最广的附加励磁控制 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的动态稳定性 小扰动失稳 2020年4月20日 19 PSS原理 在 平面上 和转子速度变化同相的力矩是正阻尼力矩 反相的是负阻尼力矩 和角度变化同相的力矩是正同步力矩 反相的为负同步力矩 负阻尼力矩 增幅振荡而失稳负同步力矩 爬行失步 PSS的输入可包括 Pe P f等 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的动态稳定性的PSS原理 2020年4月20日 20 阻尼机电振荡的问题 Ug AVR作用大 反应快 Uf大 If大 P 力矩第一象限 产生正阻尼使原来的阻尼变大 对 正面影响 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的动态稳定性的过程 2020年4月20日 21 提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定 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 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 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的暂态稳定性 大扰动稳定 2020年4月20日 22 提高暂态稳定性有两种方法1 减小加速面积 加快故障切除时间2 增大减速面积 提高励磁电压响应比 提高强励电压倍数 使故障切除后的发电机内电势Eq迅速上升 增加功率输出 以达到增加减速面积的目的 过程 就是大扰动 突然短路 甩负荷等 手段 强励和强减 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的暂态稳定性方法 2020年4月20日 23 强励原理 继电强励 机械加模拟式 有启动低电压值现代励磁 强励 强减是一个闭环调节过程 没有启动低电压值 电压突低 强励产生了 故障切除 强减正常 电压恢复强励返回 限制励磁电与继电强励 有强励倍数和强励时间强励的倍数 励磁变二次电压 最小控制角确定 强励能力 由功率柜决定 强励时间 规定20 50秒 误强励 强励动作不返回 是威胁励磁系统的最严重故障 大多灭磁开关的烧毁就是在这种情况下发生 1 2同步发电机励磁的作用 提高系统的暂态稳定性 强励 2020年4月20日 24 1 3励磁系统的分类 IEEE定义励磁框图 2020年4月20日 25 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 1 3励磁系统的分类 组成 2020年4月20日 26 1 3励磁系统的分类 组成 2020年4月20日 27 获得励磁电流的方法称为励磁方式按结构分类1 直流励磁机励磁系统2 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3 静止励磁系统按励磁电压响应速度分类1 常规励磁2 快速励磁3 高起始励磁 1 3励磁系统的分类 2020年4月20日 28 1 3励磁系统的分类 自并励 快速 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 响应速度快缺点 强励时系统电压变化复杂 2020年4月20日 29 1 3励磁系统的分类 三机励磁 常规 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 2020年4月20日 30 1 3励磁系统的分类 三机励磁 常规 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 2020年4月20日 31 1 4励磁调节器 励磁系统核心 励磁调节器采样发电机端电压 电流和转子电压 电流信号 同时根据开关量信号判断运行状态 运行时由给定值与实际值之差 经PID计算出可控硅控制角 的控制量给脉冲形成单元 形成脉冲经放大后驱动可控硅 励磁系统参数的准确 实时测量 脉冲的数字移相 脉冲的形成 闭环调节规律的实施 保护故障报警 操作方式人机信息交换 故障录波和网络功能 电磁兼容 2020年4月20日 32 采用背插机箱 实现强 弱电分离 箱内模件屏蔽通过环形接地圈与机箱外壳相连 大大提高电磁兼容性 布置紧凑 装置模件配置 1 4励磁调节器 PSVR100硬件结构 PSVR100调节柜布置为 个PSVR101单装置 按上下排列组装 2020年4月20日 33 1 4励磁调节器 控制原理是灵魂 励磁调节器自动控制原理简图 控制规律PID 2020年4月20日 34 1 4励磁调节器 比例控制 对稳态特性的影响加大比例控制KP 在系统稳定的情况下 可以减小稳态误差 提高控制精度 但加大KP只减小误差 却不能完全消除稳态误差 对动态特性的影响比例控制KP加大 会使系统的动作灵敏 响应速度快 KP偏大 振荡次数变多 调节时间加长 当KP太大时 系统会趋于不稳定 若KP太小 又会使系统的响应缓慢 2020年4月20日 35 1 4励磁调节器 积分参数 对稳态特性的影响积分控制能消除系统的稳态误差 提高控制系统的控制精度 但若TI太大 积分作用太弱 将不能减小稳态误差 对动态特性的影响积分时间常数TI偏小 积分作用强 振荡次数较多 TI太大 对系统性能的影响减小 当时间常数TI合适时 过渡性能比较理想 2020年4月20日 36 1 4励磁调节器 微分参数 微分控制的作用跟偏差信号的变化趋势有关 通过微分控制能够预测偏差 产生超前的校正作用 可以较好地改善动态特性 如超调量减少 调节时间缩短 允许加大比例控制 使稳态误差减小 提高控制精度等 但当TD偏大时 超调量较大 调节时间较长 当TD偏小时 同样超调量和调节时间也都较大 只有TD取得合适 才能得到比较满意的效果 2020年4月20日 37 1 4励磁调节器 工程常用控制规律PID 采用不完全微积分 T2 T1 T3 T4 超前滞后环节 采用频越分析 方便试验测定参数 2020年4月20日 38 1 4励磁调节器 PSS1A 输入为电功率根据发电机固有频率进行补偿 使之频谱特性与期望值一致 变化频率0 2 2Hz 45 e p 180 保证附加转矩在一二象限 方便试验测定参数 2020年4月20日 39 1 4励磁调节器 PSS2A 消除反调 T2 T1 T3 T4 超前滞后环节 采用频越分析 方便试验测定参数 2020年4月20日 40 1 4励磁调节器 调节手段 机端电压闭环调节 转子电流闭环调节 恒功率因数调节 恒无功调节 定角度调节 无功调差 转子电压附反馈 不同起励方式的选择 2020年4月20日 41 1 4励磁调节器 保护限制 V f限制 强励反时限限制判别 过励限制判别 欠励限制判别 PT短线保护 系统自检和自诊断 单机强励限制 功率柜局部故障励磁限制 无功过载延时限制 定子过压瞬时限制 2020年4月20日 42 1 4励磁调节器 通用性 应用于水轮发电机组自并励 火力发电机组三机或自并励系统的可控硅励磁控制 也可应用于带直流励磁机或交流励磁机的开关式励磁控制 调节器能与电厂的各种相关设备配合 包括励磁系统设备 励磁机 功率柜 灭磁柜 备用励磁等 远方操作控制 网络通讯设备等良好配合 2020年4月20日 43 1 5励磁功率装置 励磁控制执行机构 整流状态交流变直流 能量供给 AC变DC0度0 逆变状态直流变交流 能量反送 DC变AC90度 a 150度Ud 0 直流输出电压Ud 1 35U2cosa每相电流I2 0 816Id 2020年4月20日 44 1 5励磁功率装置 可控硅触发 作用 产生门极触发脉冲 保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通要求 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通 结合擎住电流的概念 触发脉冲应有足够的幅度 不超过门极电压 电流和功率定额 且在可靠触发区域之内 应有良好的抗干扰性能 温度稳定性及与主电路的电气隔离 2020年4月20日 45 1 5励磁功率装置 同步触发 定义 对可控桂硅其触发时刻进行控制的相位控制电路 A UAC B UBA C UCB A UCA B UAB C UBC互差60度 双脉冲保针每只管子导通2次 脉冲间距60度 2020年4月20日 46 1 5励磁功率装置 散热 材料 铜 铝平板式 小功率硅胶铸件式 大功率一般分冷热管 大功率自然冷 2020年4月20日 47 同步发电机励磁系统原理 PSVR100发电机励磁系统简介 同步发电机励磁系统保护 同步发电机励磁系统故障 2020年4月20日 48 2 1软件保护2 2功率单元保护2 3灭磁保护2 4转子过电压保护 2 同步发电机励磁系统保护 2020年4月20日 49 欠励限制 V Hz 伏 赫 限制元保护 PT断线 强励反时限限制 定子电流限制 过无功限制 2 1 软件保护 常规 2020年4月20日 50 低励限制动作曲线是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 低励限制应首先动作 如限制无效 则应在发电机失磁保护动作以前 自动投入备用通道 2 1 软件保护 欠励限制 2020年4月20日 51 V Hz限制特性应与发电机及变压器的过励磁保护特性匹配 V Hz限制及保护应有一定延时 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 2 1 软件保护 V F限制 2020年4月20日 52 强励限制是为了防止发电机转子励磁绕组长期过负载而采取的限制励磁的措施 从转子励磁绕组发热考虑 当强励时 其容许的强励时间t是随发电机的励磁电流Ifd的增大而减小 2 1 软件保护 强励反时限限制 2020年4月20日 53 保护 PT异常 同步 相位错 周期错 脉冲错2个以上 CPU体系自检错 测频三相错 相位错 预防PT错不能判出 可控硅的脉冲丢失 脉冲断线 脉冲角度出错2个以上 控制规律出错 2 1 软件保护 PSVR100保护 2020年4月20日 54 告警及容错 交流励磁电压 电流3相不平衡 测频错1相 脉冲错1个 双机通信检测 进行系统跟踪 双机开入 开出错误 转而判断脉冲 交流模拟量的频率 相位 相序检测 2 1 软件保护 告警 2020年4月20日 55 2 1 软件保护 PSVR100闭环系统实时检测技术对闭环系统内各环节检测 保护 告警 容错 保护为了防止误强励 容错防止失磁 项目如下 通信检测 电源系统故障或电源电压过低的检测 可控硅的同步信号消失 同步信号相位 相序异常检测 可控硅的脉冲丢失 脉冲断线 脉冲角度出错等 超级看门狗电路检测主CPU CPU系统检查 AD系统检测 外围电路检测 开出异常检测 内部所有定值错误自检 通信检测 软件运行状况检测 交流模拟量的频率 相位 相序检测 2020年4月20日 56 从导通到阻断会产生关断过电压 du dt di dt防止 励磁大功率柜阻容参数选择不当产生震荡 2 2 功率单元保护 组容保护 2020年4月20日 57 非线性电阻吸收过电压尖峰 2 2 功率单元保护 直流过压 2020年4月20日 58 灭磁的任务就是当发电机组发生故障停机时 快速释放磁场能量 使得转子电流在尽可能短的时间内衰减到零 过电压保护的任务是当转子上出现正向或反向过电压时 吸收过电压能量 控制过电压幅值 保护与转子相连设备的绝缘安全 2 3 灭磁保护 2020年4月20日 59 灭磁速度和灭磁电压 灭磁电压 灭磁电压不能超过转子允许电压值 灭磁速度 理想灭磁波形 2 3 灭磁保护 灭磁性能 2020年4月20日 60 灭磁速度和灭磁电压 灭磁电压 灭磁电压不能超过转子允许电压值 灭磁速度 理想灭磁波形 2 3 灭磁保护 灭磁性能 2020年4月20日 61 灭磁的核心在于移能和灭磁能量的消耗 线性电阻 氧化锌非线性电阻或碳化硅非线性电阻 2 3 灭磁保护 线性灭磁和非线性灭磁 2020年4月20日 62 灭磁的核心在于移能和灭磁能量的消耗 线性电阻 氧化锌非线性电阻或碳化硅非线性电阻 2 3 灭磁保护 线性灭磁和非线性灭磁 2020年4月20日 63 灭磁换流公式 Uk Uz UL 2 3 灭磁保护 非线性灭磁电路 2020年4月20日 64 2 3 灭磁保护 非线性灭磁的核心 在于移能和灭磁能量的消耗 氧化锌非线性电阻或碳化硅非线性电阻 2020年4月20日 65 2 3 灭磁保护 非线性灭磁的移能 灭磁开关 2020年4月20日 66 2 3 灭磁保护 非线性灭磁的移能 灭磁容量计算 灭磁容量计算举例发电机1 1倍最大工况下灭磁容量W可由下式计算 这里 发电机正常运行最大励磁电流 A 空载转子时间常数 转子绕组电阻75 C k机组特性系数 一般水电取0 6 火电为0 4 由以上公式计算得 W考虑1 3倍以上裕度系数 2020年4月20日 67 2 4 转子过压保护 直流 原理 一组正反向并联的可控硅串联一个放电电阻后再并联在励磁绕组两段 当可控硅的触发器电路检测到转子过电压后 立即发出触发脉冲使可控硅导通 利用放电电阻吸收过电压能量 2020年4月20日 68 2 4 转子过压保护 非全相或大滑差保护器 非全相或大滑差保护器 同时非全相或大滑差保护器非线性电阻 2020年4月20日 69 同步发电机励磁系统原理 PSVR100发电机励磁系统简介 同步发电机励磁系统保护 同步发电机励磁系统故障 2020年4月20日 70 3 1励磁系统故障分析方法3 2励磁系统故障预防3 3励磁系统巡检 3 同步发电机励磁系统故障 2020年4月20日 71 充分利用调节器录波记录 事件 故障录波 充分利用故障录波起器数据 看运行记录 向运行人员了解故障目测过程 与励磁厂家共同分析 不管总结经验 3 1励磁系统故障分析 2020年4月20日 72 在新机组和在役机组改造的励磁系统选型 调试过程中 必须执行 同步电机励磁系统 等国家标准及 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 等有关电力行业标准 以确保励磁系统能更好地满足安全运行的要求 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 73 进相试验中 运行工况的发电机 其低励限制的定值应在制造厂给定的容许值和保持发电机静稳定的范围内 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 74 空载试验中 投入过压保护 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 75 认真效验保护功能 欠励限制 过励限制 过激磁限制 无功补偿 PSS 电压互感器断线保护等 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 76 功率柜采用n 1方式 一组整流柜退出运行时励磁系统仍然具备强励能力 等 以提高励磁系统可靠性 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 77 励磁调节器的自动通道发生故障时应及时修复并投入运行 严禁发电机在手动励磁调节 含按发电机或交流励磁机的磁场电流的闭环调节 下长期运行 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 78 对于启动过程中的发电机 当机组达到额定转速并且调速系统运行正常之前 绝对禁止对发电机进行励磁升压 对于额定转速下已经升压等待并网 已经解列准备停机或进行其他试验等情况下空载运行的发电机 如出现转速下降的情况 应立刻分断磁场开关强行灭磁 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 79 自并励磁系统运行中 应投入PSS功能 提高机组及电网的正阻尼 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 80 励磁设备清灰维护 功率柜的清灰最佳方法 启动抽风机 吹风机对着可控硅散热器 顺着风道方向吹 能够将吹起的灰尘排到厂房外是最好的办法 其他柜使用吹尘器注意事项 1 励磁调节器只能轻轻地吹设备表面 2 对接触器要保持200 300毫米距离 3 对于一次设备可以采取强吹措施 3 2励磁系统故障预防 2020年4月20日 81 普通例行巡检 1 路线设计要科学合理 2 巡检的首要任务是观察设备 声音 气味等 3 运行参数记录要少而精 Uf If a角 功率柜电流 4 开门关门要注意安全 普通巡检一般不要打开盘柜门 特殊重点巡检1 异常检查巡检 2 主要工况下运行参数记录 冬夏两季 3 设备温度巡检 红外线温度仪测量电缆 铜排等比较重点设备和部位的温度等 4 设备发热处理 3 2励磁系统设备巡检 2020年4月20日 82 同步发电机励磁系统原理 PSVR100发电机励磁系统简介 同步发电机励磁系统保护 同步发电机励磁系统故障 2020年4月20日 83 1 励磁外设管理器技术2 多变量跟踪切换技术3 控制规律的研究和改进4 图形化配置与编程技术5 无源 全交流信号处理技术6 闭环系统实时检测技术7 高效的电源8 电磁兼容设计 2020年4月20日 84 1 励磁外设管理器技术中断 以3机励磁同步捕捉 500 3 1500Hz测频 50 3 150Hz测速 50HzAD 50 36 1800Hz脉冲触发 500 6 3000Hz脉冲回读 500 6 3000Hz总中断频率 10KHz通讯 监控 调试 双机 人机界面 智能设备 远程诊断软件 复杂控制算法迫使很多厂家采用多CPU技术处理 2020年4月20日 85 1 励磁外设管理器技术多CPU带来技术风险 时序配合问题 双口RAM信息交流问题 多时钟电磁兼容问题 布线困难造成 死机时有发生普通单CPU 容量不够 通信处理能力差 现代电力设备要求双核CPU 励磁外设管理 2020年4月20日 86 1 励磁外设管理器技术双核CPU 励磁外设管理通讯核 双以太网 一个为光纤 USB 485 422运算核 算法处理 浮点280MIPS 最快工控DSP2812为100MIPS 励磁外设管理器 处理所有励磁控制事务 中断与国际先进技术750线路保护同平台 2020年4月20日 87 1 励磁外设管理器技术工作原理 2020年4月20日 88 1 励磁外设管理器技术工作原理 AD控制同步沿捕获频率相位测量开入采样脉冲形成与检测CPU监视AD监视定时中断 2020年4月20日 89 1 励磁外设管理器技术其它优点减少大量接口电路 进一步提高可靠性 可编程 同样的硬件完成不同的功能 实现无缝升级 1 以调制脉冲替代双脉冲技术 降低功耗 尤其应用于自并励 2 对调开入 开出的相对数目 3 完善抗干扰 通过配置BUFFer 直接调整时序 优化布线 2020年4月20日 90 2 多变量跟踪切换技术 问题 1 跟踪的准确性和适当性2 发生切换的条件解决 1 多信息连续考量 它套角度 系统信息2 多目标同时跟踪 电压环 电流环内PID各个环节 而不只是输出3 平滑滤波防止突变 跟踪是连续的 平滑的4 多信息监视切换机制 脉冲节点 对开开关量 双机通讯5 切换机制 优先级排序 脉冲节点 对开开关量 双机通讯6 快 慢排序 对开开关量 双机通讯 脉冲节点 2020年4月20日 91 切换原理 2 多变量跟踪切换技术 2020年4月20日 92 3 控制规律的研究和改进 1 采用Adams隐式梯形积分公式来求解微分方程 消除交接误差 具有良好的数值稳定性 2 精度高 全浮点运算 不需要设定死区开关控制 3 可用性强 可以按需要更大地设定PID和PSS传递函数的阶数 满足各种励磁系统的控制规律要求 4 调节周期小 只有3 33ms完成一次调节过程 不但提高响应速度 也使传递函数的时间常数数值范围更大 5 建力了以F P为输入的2A模型 国内外主要的大厂家无一不是采用PID PSS的控制规律 优点1 鲁棒性好 2 概念明晰 2020年4月20日 93 4