励磁系统基本原理PPT课件

。1.励磁系统的基本原理，尹智锋2016.06.21，2.1.励磁系统的基本功能，励磁的基本概念，什么是励磁？由导体切割磁力线引起的电动势e的激励是为了提供磁场b，e=4.44 fn 。对于发电机，励磁产生磁通量。3、调速器调速、励磁、功角含义(电量和空间量)、静态稳定极限Pmax、系统稳定裕度(Pmax/P)、功角范围(机组小于系统)、励磁基本任务、4、 发电机端电压的建立：电磁感应原理的主要功能：保持发电机端电压恒定，稳定交流输电系统的输电功率极限公式：合理分配并联运行的发电机之间的无功功率，提高电力系统的运行稳定性，基本功能，5，电力系统稳定性简介，电力系统稳定性分为三个电量稳定性：电压稳定性(励磁、无功功率平衡、电压崩溃、人工干预：增加q)、频率稳定性(调速、有功功率平衡、稳定装置切机、自动减载)、功角稳定性(p、q变化)。 励磁系统主要通过提高电压稳定性，其次通过提高功角稳定性来提高电力系统的稳定性。频率稳定性由调速器调节。功角稳定可分为三种类型：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。静态稳定性是系统在小扰动后的稳定性(稳定性冗余问题、极限功率问题、发电机能力问题)；暂态稳定性是系统在大扰动后的1-2个周期内的稳定性。(安全装置切断问题、继电保护问题)动态稳定性是指在小扰动或1-2个周期的大扰动和采取技术措施后的稳定性(励磁PSS问题)。放在碗中并受到小外力作用的球偏离了它原来的位置。如果碗的高度很短，像盘子一样，球可能会从碗中掉出来。在这一点上，我们会说系统不够稳定。提高碗高度最经济的方法是使用自动电压调节器。当碗中的球受到较大外力时，确保球不会飞出的最重要措施是快速继电器保护。继电保护的作用相当于减少外力的作用时间。继电保护越快，外力的作用时间越短，球不会马上脱落。此时自动电压调节器的功能相当于自动改变碗的斜度，当球上升时增加斜度，当球下降时减小斜度，从而使球在碗中的滚动范围迅速减小。如果碗和球之间的摩擦力很小，球在受到干扰后要在碗中来回滚动需要很长时间。特别是，如果不断地来回施加干扰外力，比如我们不断地摆动，球将永远不会停止来回滚动，甚至会掉下来。我们会说系统的动态稳定性很差。这里的摩擦阻力相当于动力系统的阻尼，而不断来回施加的外力相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动电压调节器对电力系统的动态稳定性起着不良的作用，会产生负阻尼，降低整个系统的阻尼。在自动调压器中增加PSS装置后，PSS将自动调压器原来产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加了碗与球之间的摩擦系数，使球的滚动幅度迅速减小，系统的动态稳定性满足要求。电力系统稳定器可以增加电力系统的正阻尼，抑制电力系统的低频振荡。发电机电功率Pe/Pe、机械功率Pm、加速功率Pa、同步转矩Ts、阻尼转矩TD、电磁转矩TE、转子角TE、转子角速度的正方向相位关系如下图所示：加速功率pa=机械功率Pm-励磁系统对电功率Pe产生的附加电磁转矩，包括同步转矩Ts和阻尼特别敏感系统的原理。在发电机的励磁控制系统中，一个或多个信号如Pe、f等。经过适当的放大和相位补偿后作为励磁附加反馈控制，可以增加电力系统的正阻尼，从而抑制电力系统的功率振荡。这种用于增加电力系统正阻尼的附加励磁控制装置称为电力系统稳定器(PSS)。它不降低励磁系统电压调节回路的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能，对抑制电力系统低频振荡有显著效果。PSS在国内外得到了广泛的应用。因此，PSS实现的主要目标是获得一个附加的电磁转矩，使在电力系统低频振荡区(0.1 2.0 Hz)超前10滞后45范围内对应于轴的转矩矢量，并使本振频率下对应于轴的转矩矢量在0滞后30范围内，从而尽可能提供更大的正阻尼转矩，抑制低频振荡。快速励磁和较高的强励磁倍数可以提高电力系统的暂态稳定极限。第一个措施是继电保护正确、快速动作，如0.1s切除近端故障。在0.1s内，各种励磁系统的功能没有明显差异。故障排除后，快速励磁和较高的强励磁倍数可以提高系统的暂态稳定极限，有利于暂态稳定的恢复。励磁系统可靠性高、控制性能强，是保证发电机安全稳定运行、提高电力系统稳定性的经济有效措施。励磁系统的主要类型和励磁系统的部件：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(交流/DC转换、可控硅、二极管)退磁和转子过电压保护按励磁电源分类：DC励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统无刷励磁系统自并励励磁系统按响应速度分类：慢励磁系统快励磁系统高初始励磁系统。12，3，自并励励磁系统的基本组成，这是当今的主流励磁系统。它已广泛应用于大中型发电机组。其主要技术特点是接线简单，结构紧凑。取消励磁机，缩短发电机组长度，减少轴系振动，节约成本；典型的快速励磁系统；调节性能优良，通过附加的PSS控制可以有效提高电力系统的稳定性。13、3.1自并励励磁系统的主要部件。14，3.2励磁变压器隔离高压，并将其转换为整流器的适当低压。总布线组：Y/d-11。励磁变压器的额定容量应满足发电机额定励磁电流的1.1倍的要求。励磁变压器的二次电压应满足励磁系统强励磁的要求。励磁变压器绝缘等级：F级或H级。励磁变压器额定最大温升：80K或100K。15、3.3可控硅整流桥可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方式来实现将交流电转换为可控直流电的主要任务，并提供发电机在各种工况下所需的励磁电流。16，晶闸管的伏安特性，电力电子技术的发展：IGBT，17、晶闸管的开和关条件、晶闸管的开条件：以下两个条件必须都具有正阳极状态(阳极电位高于阴极电位)；控制极被施加触发电压(或触发脉冲)；晶闸管关断条件：主电路可以在以下任何条件下关断：当晶闸管两端处于反向电压(阳极电压低于阴极电压)时，流经晶闸管的电流下降到小于保持电流。18、三相全控桥电路结构，可控硅循环导通顺序：至少两个晶闸管导通。12-32-34-54-56-16-12.一个工频周期完成一个换向导通周期。减刑是严格按顺序进行的。发电机转子相当于一个大电感。三相全控桥有两个，19，Ud=1.35U2cosa，a为整流桥触发控制角I2=0.816idud，id-DC输出侧电压和电流；U2，I2-交流输入侧线路电压，相电流；三相全控桥电路的关键点及三相全控桥感性负载下的两个重要关系式：触发控制角的理论范围为0 180，超过此范围的触发信号会引起混沌。触发控制角度的角度控制严格，一般实用范围为10 1500 90:整流状态；90 180:逆变器状态。为什么逆变器是负的？电流方向与原方向相同，但电压方向相反，因此功率传输方向将反向，从整流状态到逆异常状态，完成能量消耗。在发电机自并励和空载条件下，可以实现逆变器退磁。转子电流通过发电机、励磁变压器和转子电路的电阻消耗。退磁时间很长，大约10秒。20，三相全控桥式电路的典型波形，=003360自然换向点，二极管整流，交流到DC =0 900:整流状态，交流到直流=0 900:逆变状态，DC到交流，21，由于电流流过可控硅，可控硅上将产生电压降(一般为1 2V)，导致可控硅发热和温度升高。可控硅内部的最大耐受结温(PN结)为125。可控硅散热方式：压下可控硅散热器，启动冷却风扇进行风冷散热。三相全控桥散热。22、晶闸管过流保护：每个晶闸管与一个快速熔断器串联。可控硅整流尖峰过压保护：可控硅两端并联有电阻和电容吸收电路，或采用集中阻容保护。由于晶闸管换相峰值电压是由励磁变压器的漏电感产生的，所以集中的RC保护可以直接吸收，具有较好的保护效果。三相全控桥保护。23、三相全控桥集中阻容保护电路：C1主要吸收、24、3.4消磁系统，消磁，即快速释放储存在转子电感中的大电流，以保证发电机的安全运行，保护机组及其他设备的安全。转子电感是一个大的储能元件，电感中的电流不能突然变化。存储能量为：退磁系统由退磁开关、退磁电阻和退磁开环控制单元组成。灭磁意味着储存在转子中的能量被转移到灭磁电阻中消耗掉。发电机正常运行时，励磁电压相对较小，控制单元不能触发晶闸管导通，没有电流通过退磁电阻电路。退磁开关关断退磁时，转子电感两端出现大的反向电压，控制单元快速接通反向晶闸管触发电路，接通退磁电阻，接通退磁电阻电路，使转子电流快速传递到退磁电阻电路，电流通过退磁电阻转化为热量释放。退磁系统的基本工作原理，27、退磁开关和退磁开关的基本功能：控制转子绕组中励磁电流的通断；退磁开关关闭后，退磁任务与退磁电阻配合完成。耗能灭磁开关断开励磁电路后，利用开关断口将灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关灭弧室燃烧，使电弧能量完全消耗，实现灭磁。退磁能量有限。很少使用。典型产品：中国制造的DM2。在断开励磁电路之后，能量转换去磁开关将转子电流传送到去磁电阻器用于消耗或吸收，并且开关本身基本上不吸收去磁能量。退磁能量大，退磁时间快，应用广泛。典型产品：国内DM4，DMX，进口ab-e，UR，HPB。退磁过程中，成功的条件单块氧化锌阀板的工作能量为15KJ，而单块碳化硅阀板的工作能量为62.5KJ.在超大型水轮发电机组中，退磁能量非常大，例如10MJ，需要数百个非线性电阻阀板串联和并联。并联均流问题十分突出。碳化硅阀板容量大，伏安特性更适合并联，因此广泛应用于超大型发电机励磁系统。退磁电阻、30、逆变器退磁：在正常关机期间使用。在不断开退磁开关的情况下，控制晶闸管整流桥处于逆变状态，使转子绕组中的能量反向传递到发电机端的电源侧，通过励磁变压器消耗在回路电阻中，实现退磁。在自并励励磁系统中，逆变器退磁需要很长时间，因为在逆变器退磁过程中，发电机端电压降低，吸收的能量减少。空载额定条件下，逆变器退磁时间一般达到10s。灭磁系统灭磁：当发电机因事故、过电压或系统故障而停机时，励磁电流较大。希望能快速断电，消除故障，防止事故扩大。采用断开灭磁开关的方法将能量传递给灭磁电阻，实现快速灭磁。退磁系统的退磁时间一般小于5s。两种去激励方法，31、3.5励磁调节器是励磁系统的控制核心，利用自动控制原理自动控制晶闸管整流桥的触发角，快速调节励磁电流的大小，实现励磁系统的各种控制功能，使发电机组满足各种发电工况的运行要求。典型的控制算法：闭环负反馈控制，超前-滞后补偿算法或经典的PID算法，自动保持发电机电压恒定和稳定。附加的PSS控制功能可以经济有效地提高电力系统的稳定性。32、励磁调节器硬件组成、33、4、励磁调节器主要功能、现有励磁控制理论、PIDPID PSS线性最优控制自适应最优控制非线性控制鲁棒PSS。34，自动方式，是励磁调节控制的主要运行方式，由两部分组成：自动调压器，即AVR；和附加控制。AVR是端电压的负反馈闭环控制，用于自动保持端电压恒定稳定。为了使励磁系统具有良好的静态和动态性能，AVR可以采用两级超前-滞后校正。电力系统稳定器(PSS)作为自动电压调节器的附加控制，增加了电力系统的正阻尼，从而抑制了电力系统的低频振荡。它不会降低励磁系统的AVR调节增益，也不会影响励磁控制系统的瞬态性能。电力系统稳定器已成为励磁调节器的标准部件，并在国内外电力系统中得到广泛应用。35、AVR、36、PID控制、37、Kavr的数学控制模型关系到发电机端电压的调节精度。在保证AVR闭环调节稳定性的前提下，Kavr越大，端电压的调节精度越高，能够保持的端电压越稳定。超前-滞后环节的参数设置保证了AVR闭环控制的稳定性，具有良好的动态特性。励磁标准中的电压阶跃试验指标验证了这一点。励磁标准要求端电压调节精度为0.5%。也就是说，在AVR给定值Uref不变的情况下，发电机从空载到满载输出过程中，发电机端电压的变化不超过发电机额定电压的0.5%。avr数学模型中的放大系数kavr，38，pss的数学控制模型：pss2b，39，PSS数学模型表明PSS2B以转速信号和电功率信号合成的加速度功率作为PSS的输入，在解决“逆调制”问题时不