南瑞同步发电机励磁系统培训教材_图文

1、第一章发电机励磁系统的发展及现状§1-1 励磁主回路的发展动态在上世纪60年代以前,同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式,由于当时发电机单机容量不大,输电线路不长,因此基本上能满足当时的要求,但直流励磁机维护困难,炭刷易产生火花,换向器易于磨损,随着发电机单机容量的增大,励磁容量也相应增大,当汽轮发电机单机容量达10万千瓦,励磁机容量已近500千瓦,而同轴的转速为每分钟3000转的直流电机,受限于换向的极限容量仅为500千瓦。当时大容量发电机或是用齿轮减速后驱动直流励磁机,或是用带大飞轮的独立驱动的电动发电机供励磁。后来,随着硅整流元件出现,直流励磁机逐步被同轴交流励磁机

2、和整流器代替,交流励磁机的容量基本上不受限制。在1960年代,当时的第一机械工业部委托电器科学研究院,组织了汽轮发电机三机交流整流励磁系统的全国统一设计。这种方式在大型汽轮发电机上一直延用至今。为减小时间常数,交流励磁机通常采用频率100-250周,中频付励磁机用350-500周,早期中频付励磁机采用感应子式,转子上无绕组,近年来已逐步被永磁发电机所代替。1960年代初,可控硅元件刚出现,电流、电压定额较低,所以他励式可控硅静止励磁用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上。应该指出1960年代末期天津电气传动设计研究所,在发展我国各种主回路励磁方式上,起了很大作用,例如

3、在1969年率先研制,并在天津第一发电厂4#机25MW汽轮发电机上,投运了直流侧电流相加的自复励可控硅励磁系统,并励部分用的是三相半控整流桥。串联部分用的是三相二极管整流桥。1971年投运了由天传所设计,上海华通开关厂、上海整流器厂、上海电机厂参与生产的富春江2#机60MW发电机的自复励可控硅励磁系统,容量为当时国内最大。并励的功率部分用的是三相半控整流桥,限于当时国内生产元件的水平,富春江水电厂的可控桥臂是由(700V,200A可控硅元件4串6并组成。此外天传所还为长办试验电站陆水电站8800KW发电机设计了他励可控硅励磁系统,可控硅整流桥用三相全控桥,整流桥每臂SCR 2串5并,于72年投

4、运。后来这种方案天传所还用在南桠河、渔子溪水电厂二台4万KW发电机上。与此同时,在参照河北省岗南水电站从日本进口的10MW抽水蓄能发电机励磁的基础上,还设计出了可控相复励的励磁系统,在湖北省一台10MW调相机上运行。整流器是不可控的,是靠改变相复励变压器电压绕组上的电压来调节,后者由饱和电抗器L控制,本方案可靠性高,缺点是相复励变压器,饱和电抗器体积大。动态响应差。 图1-1 可控相复励1970年代中期,天传所还为河南安阳发电厂一台10万KW汽轮发电机研制了无刷励磁装置,同时还参加了从英国Brush公司引进的一台23MW燃汽轮发电机的无刷励磁系统的仿制。同一时期,为给葛洲坝电站励磁方案进行中间

5、试验,天传所(东方电机厂参加在湖南省花木桥电站进了交流侧电压相加的自复励磁系统的研制。在中小型发电机上,天传所还推出了双绕组电抗分流励磁调节系统,国内还开发过谐波励磁系统,最大的一台是用在河北邯郸马头电厂#25MW汽轮发电机上。 图1-2 谐波励磁系统大型发电机定子电压高,谐波绕组和主绕组绝缘困难,制造工艺复杂。谐波励磁只适用中小电机。现在美国GE公司生产的P棒励磁系统也是在发电机定子槽内安放附加绕组(不是谐波绕组,作为励磁供电电源。1970年代中期,南京热电厂进口了一台125MW意大利制造的汽轮发电机,采用他励可控硅励磁,励磁机本身用不可控相复励,意专家来调试,曾遇困难,不稳定,最后由我国的

6、技术人员调试成功,在此期间,富春江水电厂从法国进口了5#、6#机,励磁为自复励励磁系统,其自励部分和复励部分的直流侧电压串联相加,这种方式比较特殊。应指出,1960年代在大容量发电机励磁研究方面我国受到苏联影响,在新安江九号机10万KW水冷发电机上,也是采用了交流侧相加的自复励系统。这时串联变压器原边的电流要在付边转换为电压,变压器铁心中要嵌入空气隙,导致串联变压器体积庞大,鉴于当时可控硅容量无法满足要求,整流器采用了汞弧整流器,后者有玻壳的和铁壳的。(当时苏联斯大林格勒到古比雪夫的长距离输电也是用汞弧整流器。国内电车供电电源当时也是用汞弧整流器(缺点是对环境有污染整流得到的。此方案由哈尔滨电

7、机厂和东北的中试所和设计院等研制成。 图1-3 直流侧电压串联相加的自复励(法国方案发电机自并励方案,在国内电力部门受旧观念束缚,长期认为自并励不可靠,无强励能力,故障时无足够短路电流,不能保障继电保护正确动作,在这方面清华大学等曾进行了卓有成效的研究,并且指出自并励的优点,动态响应快,适当提高强励倍数等,它的缺点是可克服的。国内例如河北工学院电工厂,在福建省池潭水电厂50MW机组上成功地进行了自并励试验,从国外进口的天津大港发电厂320MW意大利火电机组,从日本进口的唐山陡河火电厂发电机用自并激。由于自并激励磁的一系列优点,已逐步为国人所接受。因此后来国内许多水电厂如白山、龙羊峡、岩滩、隔河

8、岩等单机300MW以上电站也普遍采用自并激,三峡励磁也不用葛洲坝的自复励方案。由于国外许多厂家将自并励作为汽轮发电机主要励磁方案,我国电力部门也逐步将自并励采用到汽轮发电机上去,如1991年辽宁清河发电厂一台210MW汽轮发电机励磁系统改造,就采用了自并励。当然一般火电厂均建于城市市区或近郊,靠近负荷中心,没有输电稳定问题,使用三机交流整流励磁系统是没什么问题,但机组往往存在振动、厂房长投资大的问题。通常建设在煤矿的坑口发电厂,往往要远距离输电,这时是应该选用快速响应的自并励系统。除了自并励外,无刷励磁系统因不用电刷,无火花,可用于防爆环境。没有炭刷粉未污染发电机端部绝缘,有利于延长使用寿命,

9、没有电刷也有可能做到免维护,适用于无人电站。§1-2 励磁调节器发展动态最初的同步发电机大都用同轴直流励磁机励磁,后者有用自并励的,用于中小容量发电机,大容量发电机大多带直流付励磁机,早期的励磁调节器(常称为自动电压调节器AVR实际上只有2个功能,即通过自动调节励磁机磁场电阻来达到发电机电压恒定,和调差(使发电机并联运行下合理分配无功。对较大型的发电机还备有继电强励和继电强减功能。亦即当机端电压下降较大时,利用低电压继电器短路磁场绕组内串接的某个电阻,从而达到强励的目的,反之当机端电压突然上升时,用电压继电器把一定电阻串入励磁机磁场中达到强行减磁的作用。国内在1950年代进口西方国家

10、的AVR主要有3类:A炭阻式;B银针式;C磁盘式; (亦称摆励接触式。这些都属于机电式直接动作的调压器,它们的电压敏感元件直接通过机械机构操作励磁机的磁场电阻。1、银针式调压器:西屋公司银针式调压器的原理线路图示于图1-4。它的电磁铁线圈由发电机电压经PT 及整流器供电,当发电机电压变化时,衔铁运动,推动杠杆,使电阻的银钮接通或开断,从而改变励磁机磁场回路的电阻,并通过由电流互感器CT供电的补偿电阻,来自动分配并联运行发电机间的无功负荷。励磁机输出经稳定变压器,输出稳定信号到调节电路。 图1-4 银针式调压器原理图及银针触点2、炭阻式调压器炭阻式调压器的原理图示于图1-5。发电机电压经PT接入

11、磁电式敏感元件的动线圈,当发电机电压变化时,动线圈受到电磁力的作用而上下运动,通过动臂的动作调节炭刷片的松紧程度,从而改变串联于励磁机励磁回路中变阻器的电阻值,藉此调节发电机电压。此外,亦通过电流互感器CT供电的电阻,来自动分配并联发电机间的无功负荷。励磁机输出经稳定变压器,输出稳定信号到调节电路。 图1-5 炭阻式调压器原理图及实物图3、盘式(摆动接触式调压器磁盘式调压器亦用于控制串联于直流励磁机励磁回路上的电阻,来调节发电机电压。图1-6是它的原理图。发电机电压通过电压互感器PT向分相电动机定子或螺管线圈供电,电动机转子或螺管线圈的衔铁,通过转轴或动臂操作变阻器的嵌有弧形炭刷的扇形片,使它

12、在固定的弧形接触轨道上摆动,把接触轨道铜块间所接电阻抽出或接入,这样便改变了励磁机的磁场电阻。调压器也装有CT供电的补偿电阻,起调差作用。 图1-6 磁盘式调压器原理图及磁盘接触摆在国内上海华通开关厂生产过炭阻调节器,供用户选用。此外1950年代学习苏联,引进了苏式的以磁性元件为主的励磁调节器,主要2大类型,电流复励加电磁式校正器方式和相复励磁调节器方式。前者国产型号QF-D、SF-D,Q为汽轮发电机,S为水轮发电机,F指复励,D指电磁式电压校正器,这类调节器在发电机空载时,利用直流励磁机自并励作用,调节其磁场电阻使其达到空载额定电压,发电机带负荷后,利用机端电流互感器反馈的复励电流,整流后补

13、偿发电机的电枢反应,由于电流复励没有相位补偿的作用,要保证发电机的电压调节精度需要用电压校正器,这种情况下励磁机励磁绕组往往还设计有1到2个附加绕组(单支或双支校正器,电压校正器输出加到附加绕组中来调节励磁,以达到所需调压精度。相复励调节器采用了相复励变压器,使得励磁电流,不仅与定子电压,电流有关,并且还和两者之间相位,即负载功率因数有关。这样在发电机定子电压,电流一定而负载功率因数改变时,调节器也能满足发电机所需励磁。为保证有较高的调节精度,往往也可装电压校正器,国内型号有称为KFD(主要厂家:等。这类上海华通开关厂、河北工学院电工厂、哈尔滨宏伟开关厂它相当于苏联YBK- m3励磁系统直流励

14、磁机维护困难,调节器时间响应长达1-5秒,动态性能差,空载起励发电机电压超调量大,频率特性差,但励磁调节器运行基本稳定,整流器件由硒片改为硅元件后,维护工作量较小。 图1-7 带电压校正的相复励 在同一时期,西方国家采用电机扩大机励磁调节,由于电机扩大机放大倍数可达百倍甚至千倍,对励磁控制信号功率要求十分小。图1-8,图1-9 为美国通用电气公司生产的带直流励磁机和交流励磁机的励磁系统,调节器功率元图 1-8 美国GE公司生产的直流机励磁系统件为电机扩大机。 图1-9 美国GE公司生产的交流励磁机励磁系统1950年代,苏联为解决斯大林格勒和古比雪夫上千公里的远距离输电,用直流励磁机无法解决,提

15、出了用汞弧整流器整流电流,直接向发电机磁场供电的离子励磁系统,调节器方面在KFD基础增加了端电压、频率的一阶、二阶微分U,U”,f,f”等所谓强力调节器,国产新安江9号机离子励磁也是这种背景下的产品。随着晶体管元件出现,60年代可控硅出现,我国可控硅元件是61-62年由一机部电器科学研究院率先研制出,后转给北京椿树整流器厂(当时为弄堂工厂生产。励磁调节器开始向固态型转变,出现了以晶体管为主,用电阻、电容等分立元件组成的半导体励磁调节器,功率元件开始采用可控硅,比起磁性励磁调节器和电机扩大机等来,固态调节器动作速度快,如果设计正常,理论上讲也可以是半永久性的。国内从1970年代开始转入研制这类调

16、节器,但是由于文革期间,研制厂家纷杂,缺乏励磁系统统一标准,加上当时国产元器件质量不过关,各厂自行设计的产品,制造工艺不良,功能不全,不经过工业试验,正式鉴定,便投入生产,因此可靠性差,故障频繁。应当提到当时国内一机部广州电器科学研究所生产的调节器质量较好。采用了半导体励磁调节器后,由于电子线路的灵活性,励磁调节器逐渐增添了许多附加功能,使其逐步完善。随着线性集成电路和数字集成电路出现,进一步改善了半导体励磁调节器,原来要用6-8个晶体管组成的直流运算放大器常至少要占一个印刷电路板,有了集成运算放大器,一个芯片上集成2-4个运放。1970年代后期,天津大港发电厂从意大利进口的320MW火电机组

17、的自并激励磁系统,其励磁调节器是典型的集成电路组成调节器,其励磁功能已相当完善,但所用的印刷电路板多达68块,国外的工艺能保证这种调节器能正常工作。80年代我国从西屋公司引进的模拟式励磁调节器,适合于三机交流整流励磁系统或无刷励磁系统,西屋的WTA调节器功能也较完善,但有约40多块印刷电路板,国内仿制后,有时运行就不稳定,这与所选用的元件,是否经严格老化筛选,以及加工工艺和质量有关。1970年代末期,清华大学与天津电传所合作研究开发了模拟式最优励磁控制调节器,1980年代中期在碧口水电站10万KW带直流励磁机的励磁系统上运行,效果并不理想,模拟式调节器无计算能力,运行中参数无法调整,另外经过直

18、流励磁机,无法发挥励磁最优控制的优点,因此没有发展前途。在利用计算机进行励磁方面的研究,最早要推加拿大和苏联两国曾联合研究和研制,当时用小型机MINICOMPUTER进行研究,并且在试验室中对小发电机进行了试验。那时计算机在电厂的应用,主要承担,监视,数据记录,报警,打印制表等。那时计算机体积庞大,价格昂贵,只有出现了微型计算机,才有可能实际使用,1979年底电力部南京自动化研究所自控室,筹建了励磁组,经过蕴酿讨论,决定不搞模拟式励磁调节器,直接自主开发微机型励磁调节器,报请部科技司,80年电力部下达了微机励磁的七五攻关项目。南瑞电气控制公司经多年攻关,于1984年7月研制出第一台工业样机,经

19、所内长达半年的试验,编制各种调节限制软件,于1985春节前运至池潭电站,用在2#机,5万千瓦发电机,4月上旬开始现场调试,经过一系列试验,于4月27日通过72小时运行考验。正式投入运行。这使我国发电机励磁发展转入新的一页,在世界上也是属于领先地位,并得到了在北京参加IFAC”电厂和电力系统控制”国际会议主席、美国电厂和电力系统控制权威Tomas.E.Dyliacco教授的赞扬。随后,华中理工大学与东方电机厂合作生产了微机-模拟双通道励磁调节器,88年在渔子溪电厂1号机试验,采用了最优控制算法。与南瑞电气控制公司微机励磁不同的,触发部分仍用模拟式的,而用的Z80单板机不是工业专用机。微机的作用只

20、是起着模拟调节器的综合放大等功用,此外微机一模拟双通道,增加用户维护困难,既要维护模拟式又要维护微机部分。由于微机励磁调节器比起模拟式励磁调节器来有许多优点,从上世纪90年代开始,国内也有许多单位竞相研制,但经过十多年的竞争淘汰,有实力的研制单位已不多,现列述如下:1南瑞集团电气控制公司其前身为电力部南京自动化研究所,系微机励磁调节器首创者,1985年4月在池潭水电厂#2号50MW发电机可控硅励磁上投运成功后,经电力部鉴定,被评为1986年部科技进步一等奖,1987年被国家科委评为国家科技进步三等奖。但新生事物,难以得到业界承认,直到1988年池潭电厂要求将其#1号机50MW也改用微机励磁调节

21、器,才有第二台的投入,为提高运行可靠性,该调节器由原有单自动及单手动通道,改制为双自动控制通道。后来葛洲坝水电厂对微机励磁调节器也有兴趣,提出要借用一台试运行,考虑到该厂的重要性,同意借一台给二江分厂。据了解在随后的一次事故中,厂内许多机组因低励限制失效而跳闸,而微机励磁调节器所在发电机事故后,仍继续运行,此后,葛洲坝二江电厂又订购了两台微机励磁调节器。1991年龙羊峡水电厂320MW发电机励磁装置,故障频繁,厂内职工奖金罚没,为此该厂派员外出调查,了解到微机励磁运行较好,到南瑞电气控制公司订购了一台,于1992年投运,结果良好,过了大半年后,决定将该厂另外三台320MW发电机也改用微机励磁。

22、1992年科研体制改制,电气控制公司成立,随着龙羊峡电厂微机励磁成功运行,得到了业界的承认,电控公司业务量大增。1994年新建的铁岺火电厂因励磁装置运行不稳定,拟采用微机励磁,厂内虽有不同意见,最后决定采用微机励磁,消息传出,徐州发电厂因励磁运行不好,要求先给该厂的2台200MW发电机供货。至此电控公司在水电和火电方面应用局面被打开。该所微机励磁调节器型号最初为WLT-1后改为SJ-800,进入新世纪升级换代后,采用DSP和FPGA等后改为SAVR-2000,截止2004年3月底已投运的发电机约650台,水电机组最大为320MW,火电机组为600MW及800MW.2广州电器科学研究所该所197

23、0年代中生产励磁装置,开始主要面对中小用户,质量较好,1992年开始研制数字式励磁调节器,当年12月在新丰江水电厂85MW机组投运。还搞过模拟-微机混合励磁系统。现在在水电厂励磁中,己挤身于大机组励磁投标者的行列,成为南瑞集团竞争对手。其微机励磁调节器型号为LTW-6200,30年来已为数百座电站提供了上千台励磁装置,多数是用于中小型发电机。此外该所还与ABB结为合作伙伴。3河北工学院电工厂该厂生产励磁装置有很长的历史,原来主要生产磁性元件为主的调节器和模拟式励磁装置,1987年南京自动化研究所向该厂转让了微机励磁调节器技术,该厂为辽宁清河发电厂200MW发电机研制了第一台微机励磁装置。近年来

24、独立开发了适用于中小型同步电机的DWLZ 型,和中大型同步发电机的WLZ型的双通道微机励磁调节器。4武汉洪山电工研究所早先专业生产模拟式励磁调节器,性能基本稳定,有不少用户,近年来开发了新的一代TDWLT-01的微机励磁系统,目前它向市场提供的模拟式励磁调节器型号为HJT-071S,数字式励磁调节器型号为5C800。5能达公司葛洲坝水电厂在微机励磁运行成功的基础上,成立了能达公司,也研制了微机励磁装置,首先用于更新本厂的老励磁设备,进而参加了市场竞争,其励磁装置型号为MEC-31B。6清华同方清华大学励磁装置先是和”国电南自”合作生产,后因后者退出市场,改由清华同方生产,其微机励磁装置型号为G

25、EC-1,特点是在控制策略方面采用了非线性最优。但实际上仍是用PID作为基本的控制规律,其它三种,PSS,线性最优LOEC,非线性最优NOEC,可以选作为附加分量,加入调节环节中。由于依靠了清华大学品牌效应,发展态势比较强劲,已成为有力的市场竞争者。7主机厂励磁车间东方电机厂和哈尔滨电机厂励磁车间,原来励磁产品质量不过硬,虽具有成套供应的优势,但它们的励磁产品,仍逃不过被改造的命运,后来东方电机厂引进了ABB公司的微机励磁系统及元件组装,在此基础上进行了自主开发,研制了型号为DWLS-2C的微机励磁调节器,推入了市场。哈尔滨电机厂近日也推出HWLT-4微机励磁调节器,使用不多,正在进一步打入市

26、场。8一些老牌励磁研发单位,如机电部自动化研究所,天津电气传动研究所等,过去曾有过辉煌业绩,但受制于老体制,已基本被逐出市场。§1-3国外励磁发展动态国外在进行计算机控制励磁研究,早在1960年代末期就已开始,用的是小型计算机,大都是在一些大学和研究单位进行,在理论上对控制方法规律进行了研究,有的还在试验室的小的模型发电机上进行了试验,70年代加拿大和苏联对计算机(当时称数字式自动电压调节器DAVR励磁进行了联合研究,但是真正用于现场是在微型计算机出现后才有可能。应该指出,南瑞电气控制公司第一台WLT-1微机励磁调节器在1985年投运时,通过国际专利联网查询,以及1986年葛洲坝电站

27、励磁招标会议,向国外公司询价时,没有哪个能提供微机型励磁调节器。实际上国外微机励磁的应用,也只是在80年代中叶后兴起的,如日本东芝公司于1989年7月在日本的东北电力(株,八户火力发电所3号机上开始投运双微机系统的数字式励磁调节器,加拿大通用电气公司CGE于90年5月已开发出微机励磁调节器。又如瑞士ABB公司利用厂用微机系统开发了UNITROL-D型微机励磁调节器,很快就停止生产模拟式励磁调节器。95年又推出了新的一代微机励磁调节器UNITROL-F,及UNITROL-P。1、瑞士ABB公司,大约是1989年开发出UNITROL-D的数字式 电压调节器,是多微机励磁调节器,一共用了六个CPU,

28、1个CPU完成自动调节和脉冲形成,1个CPU完成手动调节和脉冲形成,(自动及手动双通道,1个CPU完成自适应电力系统稳定器,1个CPU完成励磁系统保护功能,1个CPU完成顺控,另1个CPU完成监视功能。在50周波下每秒300次中断。采用了直接交流采样。图1-10为UNITROL-D调节器的外外貌图,它还具有一个小终端,通过它可以用来修改调节器各项参数及各个量的上、下限值。华能上海石洞口第二电厂从瑞士引进的60万千瓦汽轮发电机,就是使用了这种励磁调节器,瑞士ABB 图1-10 UNITROL-D调节器公司H.Herzog先生在93年曾来南京自动化研究院访问,探讨双方合作可能性,95年该公司又派人

29、员前来,介绍了该公司新开发的适用于中小发电机的UNITROL-F和大型发电机的UNITROL-P的新一代微机励磁调节器,其特点是硬件进一步减少。例如UNITROL-P是由双微机组成的双自动控制通道,每个通道只有3块电路板组成,1块是微机板,1块是模拟量,数字量输入/输出板,另1块是脉冲放大板,和南瑞电气控制公司的SJ-800类似。由于微处理器的快速发展,其计算处理能力不断加大,利用1个CPU处理所有励磁调节功能是完全可能,这样大量任务转移到软件中,减少硬件,使调节器结构简单、明确,并不会降低其可靠性。新世纪瑞士ABB公司进一步推出了UNITROL-5000的微机励磁系列,增加了多种调试手段,完

30、善了通讯功能,增加了可控硅整流桥动态和智能化均流方法等。图1-11 瑞士ABB公司 UNITROL-P 励磁系统方块图 2、美国通用(GE公司近年来从该公司进口的火电机组上,配用了该公司生产的GENEREX-PSS励磁系统,国内常称为P棒电压源励磁系统,即在发电机定子槽内另嵌一组励磁专用的线棒,但其输出仍要接至整流变压器上。究其原因是发电机短路时,P棒有一定电流复励磁能力,对维持故障时机端电压有利,该系统功率电路有的还采用三相半控可控硅整流桥,比较落后,无法采用逆 图1-12 美国GE公司GENEREX-PSS励磁系统变灭磁,在半控桥丢脉冲的情况和续流管管压降因老化而升高时,常会产生某相可控硅

31、和其它两相二极管持续导通的误强励情况,国内早期的可控硅励磁曾多次遇到这类问题。进口的客户必须引起注意。该公司的微机励磁调节器型号为EX2000有手动和自动控制通道,它的一个特点是,有一个基于微处理器的智能操作员站,上有按钮,信号灯,诊断显示,仪表的数码显示,所有操作、远方通讯和透平控制系统联系等都集中在此。3、英国罗-罗(Rolls-Royce公司:1991年研制了全数字式励磁调节器,1996年升级到第二代,用了DSP,型号为(TMR即三通道冗余,图1-13 表示了它的原理框图。每通道自动(以端电压为调节量手动(以励磁电源为调节量方式可用软件设置,自动用PID调节,手动用PI调节,控制算法每3

32、.3ms即60°电角度进行一次,灭磁用磁场开关,也可加非线性电阻。国内张家口发电厂和上安电厂300MW火电机组有用,洪山电工所为其组装。 图1-13 罗罗公司的三模块冗余(TMR调节器示意图4、日本三菱电气公司。从1984年开始研制数字式励磁调节器,称为D-AVR,截止2000年1月已生产80套, CPU采用Intel公司奔腾(586,型号为MEC5000,有单通道和双通道型,图1- 14 为其双通道电路图。 图1-14 三菱公司双通道微机励磁系统配置表 1 中表示了该系统运行可靠性,只有工作通道和备用通道供电电源同时故障,或脉冲同时消失,才导致停机。表1 调节系统同时发生两个故障时

33、,对系统的影响。 AVR继续运行失磁停机手动运行5、加拿大通用电气(CGE公司隔河岩水电厂,4台300MW机组采用CGE生产的SILCO型微机励磁调节器的自并励系统。由两台微机励磁调节器组成双通道系统。CPU用Intel公司80C188,时钟频8MHZ 每个励磁调节器由9种印刷电路组成,特点是有2块带CPU的板,一作为调节用,另一作为顺控用。联接个人计算机IBM-PC后,可实现相应的软件模块修改,投入或切除等。并可在调试时修改PID调节参数,用的是直接数字触发。励磁系统的特点是采用了冗余设计,运行过程中单台装置故障一般不影响正常运行。励磁系统还包括了电气制动功能,起励变压器和制动变压器公用。隔

34、河岩1,2号是93年6,11月投入运行,现在4台机全都运行。据从现场了解,除了整流变压器发热外,励磁系统运行良好。6、意大利ANSALDO(ASG公司 图1-15 利港发电厂意大利ASG的双通道励磁调节器原理利港发电厂1#号机350MW发电机微机励磁系统是意大利生产的,于1992年底投入运行,主结线为自并励,调节装置由调节器和移相器组成见图1-15,调节器为双自动控制通道。每个通道有三个CPU插件,CPU R,CPU T,CPU V,用的Motorola的16/32,68010, 10MHZ,VME96位总数。CPUR为主机负责调差,PID调节,欠励,过励限制及电力系统稳定器PSS功能,CPU

35、 V负责人机接口,参数整定,显示等,CPU T负责交流采样U、I、P、Q频率f等计算及数字滤波等。此外调节器还具有开关量输入/输出、模拟量输入/输出四个插件与外部联系用。应该指出调节器的控制信号,仍通过D/A转成模拟的控制信号Vcon,输出到移相器产生触发脉冲,因此不属直接数字触发移相器。CPU是采用16位单片机, 8096BH,12MHZ,即图中Dconc。除此外还有9通道模拟插件DANIA以及脉冲发生器DESPB。DINIA输入信号有7:RST三相3个同步信号、励磁电压UL、电流IL、由调节器输出的控制信号Vcon,及跨接器的电流信号。DESPB输出6相触发脉冲外,还有1路脉冲用于启动跨接

36、器的。这个励磁系统的另一个重要的特点是完全取消了励磁回路的灭磁开关。综合以上来看,励磁发展动态可初步归结为:1采用微机励磁调节器的趋势是肯定的,微机励磁也由简单地代替综合放大器作用,扩大到直接数字触发等功能,由于微机处理器及CPU功能愈来愈强,执行时间愈来愈快,使硬件简化,一个通道调节器用多个CPU不是方向。其中包括取消模拟式变送器硬件,而采用直接交流采样。为了加强发电机励磁系统的可靠性,许多厂家都采用从变送器,微机励磁调节器,及其供电的稳压电源,到可控硅整流器,都用双通道冗余,使得工作通道故障时,自动切到备用通道,避免了发电机的因励磁故障停机。此外,附加的励磁系统智能调试功能,采集的电气量及

37、调节参数显示和修正等人机会话界面,以及事件记录,故障自检和自诊断也被广泛采用,使得励磁系统运行比过去更为便利。2 对于水轮发电机来讲,为加快停机速度,只用机械方式制动,是不够的,因存在着许多缺点,而应该采用电气制动和机械制动配合工作。电气制动要求定子短路电流为定值,这时可利励磁调节器的恒励磁电流控制功能来完成,因此有趋势将水轮发电机的电气制动功能包括进励磁系统来。3取消机械式灭磁开关的趋势灭磁开关主要的作用是:在发电机发生故障时迅速切除发电机励磁电流,与一般开关不同之处,发电机磁场绕组电感很大,因而发电机磁场绕组中贮存着大量能量,需要利用开关迅速释放,才能达到灭磁效果。图1- 16 表示了现在

38、常用的灭磁方式: (a (b (c (d图1-16 常用的几种灭磁方式(a灭磁开关MZK由2个常开1常闭触头组成,正常运行时常开触点接通,常闭断开,要灭磁,常闭触点先接通,励磁电流增加一条能通过灭磁电阻R的通路,然后常开触头断开,常开触头断开时,靠拉弧也消耗部分能量,但磁场主要能量消耗在灭磁电阻R上。(b利用DM2灭磁开关拉弧。当DM2开关拉开时,励磁电流因有磁场电感,有保持不变趋势,当开关拉开时,在开关2端感应出很高电势,使开关2端产生电弧,在磁场作用下,电弧被吹进灭弧栅中,在灭磁过程中能量消耗在电弧的燃烧上,但这时励磁电源仍在供应能量。另外开关电弧灭磁能量大小无法调整。会发生烧毁开关的情况

39、。(c利用DM4双断口空气开关加非线性电阻FR,二极管D灭磁。发电机正常运行,由于D及非线性电阻饱和电压较高而不通。当故障发生后,双断口开关DM4跳开时,由于转子电感作用下,励磁组2端感应出反向高电压,使励磁电流通过非线性电阻及二极管D,把主要磁场能量消耗在非线性电阻FR上。非线性电阻可按其所吸收的能量,任意组合比较灵活。(d三相交流开关灭磁,近来国外的一些汽轮发电机上,采用交流开关灭磁,省去庞大而昂贵的直流灭磁开关,如图1-16 D所示,交流开关分闸前,切除可控硅脉冲,这时整流桥阳极组和阴极组各有一元件流过电流,分闸后,触头间产生交流电弧电压Us,要能克服交流线压UL后,仍大于非线性电阻FR

40、的动作电压时,才能导致成功灭磁。随着大功率电力电子元件,如大功率晶闸管的出现,静止固态开关必将最终代替机械开关。前者动作时间快,维护工作量小,后者动作慢,不宜频繁操作,触头易烧坏,维护工作量大。当然使用静止固态开关的前提,是其可靠性大于机械开关,图1-17 为意大利公司为利港电厂励磁装置提供的固态开关的灭磁和转子侧过电压保护综合装置。 图1-17 利港电厂意大利发电机固体灭磁及过电压保护综合装置CBP ,CBN是正,反向跨接器(Crowbar的晶闸管开关,RES为灭磁电阻。当来正向过电压时(励磁绕组上+,下-,正向电压经二极管D6,4层触发二极管BOD1,D7,D8,如过电压足够高,BOD1导

41、通,使正向电压加在CBN控制极上,使CBN可控硅导通,达到限制正向过电压的目的。在CBN导通瞬间,通过逻辑信号去使整流器逆变,以保证CBN自动关断,然后恢复整流器正常工作。当反向过电压来时(励磁绕组下+,上-,加在D4,BOD1,D5,D3的电压使BOD1导通,触发CBP,使过电压能量消耗在灭磁电阻上。这并不影响整流柜器正常工作。系统正常灭磁,由移相器来脉冲传送到脉冲变压器CN,CN副边输出脉冲经D9触发CBP,释放发电机转子能量到灭磁电阻RES。系统正常灭磁,也可使SDE继电器失电,SDE接点断开K1,继电器失电,其常闭触点接通,如这时有正电压(*经D1,K1加到BOD2上,BOD2的电压动

42、作值一般较低,如BOD2动作,则有正脉冲加至CBP,使发电机转子灭磁。* 注意:这2种情况下灭磁命令发出前,令整流桥先处于逆变状态,有正电压出现在转子绕组下端。具体灭磁时序如下,停机令到后,立即逆变灭磁,约20ms,CBP跨接器接通,这时,逆变灭磁和跨接器同时灭磁。30ms后,切脉冲电源后,完全由跨接器灭磁。 t图1-18 固体开关灭磁时序图4 励磁主接线方式不论是汽轮发电机还是水轮发电机,国外许多公司励磁,均采用自并励方式。因无旋转部分,维护方便,对水电厂取消同轴励磁机,可降低厂房高度,节省投资,另外自并励磁系统,动态性能优良,有利于长距离输电稳定。对汽轮发电机而言,用自并激,可减小发电机长

43、度,有利于减小振动,缩短厂房长度,节省投资。另一方式是无刷励磁系统,也是国外采用较多。无刷系统取消了炭刷,有利于发电机端部绕组绝缘,不受污染,简化了维护,特别对大型发电机,对石化等防爆地点,以及无人控制电站,无刷励磁方式也比较理想。俄罗斯汽轮发电机系列包括500MW,800MW选用的他励静止式可控硅励磁,比起静止自并励来,快速旋转的交流励磁机和静止的整流变压器比,体积小,重量轻,并且他励,动态响应性能也不比自并励差。国内发电机上微机励磁总的应用情况缺乏调查,现在仅以华北电网发电机励磁调查结果来看,截止到2002-6月/20日,100MW以上发电机总共129台,用数字调节器为71台,国产共53台

44、,南瑞电控26台,清华同方17台,武汉红山10台,占全部数字调节器的74.6%,进口的R-R公司10台,法国ALSTOM 2台,ABB 4台,日本三菱2台,共计18台。广州电器科学研究所等的装置在华南及其它地区有使用。华北的例子没有普遍性。第二章励磁控制系统§2-1励磁控制系统的主要任务1、维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线的电压在给定水平维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务,有以下3个主要原因:第一,保证电力系统运行设备的安全。电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最高运行电压。保持发电机端电压在容许水平上,是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一,这就要求

45、发电机励磁系统不但能够在静态下,而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。发电机运行规程规定,大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110%。第二,保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压下降,则输出相同的功率所需的定子电流将增加,从而使损耗增加。规程规定大型发电机运行电压不得低于额定值的90%;当发电机电压低于95%时,发电机应限负荷运行。其他电力设备也有此问题。第三,提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善,都有显著的作用,而且是最为简单、经济而有效的措施。2、控

46、制并联运行机组无功功率合理分配并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特性:无调差、负调差和正调差。两台或多台有差调节的发电机并联运行时,按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多,调差率大的分配到的无功少。如果发电机变压器单元在高压侧并联,因为变压器有较大的电抗,如果采用无差特性,经变压器到高压侧后,该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大,为使高压母线电压稳定,就要使高压母线上的调差率不至太大,这时发电机可采用负调差特性,其作用是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落,这也称为负荷补偿。调差特性由自动电压调节器中附加的调差环节整定。与

47、大系统联网的机组,调差率Ku 在土(3%10%之间调整。3、 提高电力系统的稳定性1励磁控制系统对静态稳定的影响对于汽轮发电机,其功角特性为:Eq d Sin X EqUs P = 式中Eq 一发电机内电势;Us 一受端电网电压;Xd 一发电机与电网间的总电抗。当无励磁调节时, Eq=常数,相应功角特性如图2-1(a所示。此曲线亦称内功率特性曲线。静态稳定功率极限等于P M =d X EqUs 。对应的功角为900。 图2-1 发电机内、外功率特性曲线及端电压和内电势变化图(a Eq 恒定, (b当Eq 恒定,Eq 及U 的变化;(c Eq 恒定, (d当Eq 恒定,Eq 及U 的变化;(e

48、U 恒定, (f当U 恒定,Eq 及Eq 的变化如果发电机在运行中可自动调节励磁,则此时Eq 为变值,相应的传输功率可得到显著的提高。假定自动励磁调节是无惯性的,并假定在负载变化时可保持发电机的暂态电势 Eq'近似为常数,由于随负载变化时,内电势Eq 亦随励磁调节而变化,此时的功率特性己不是一条正弦曲线,而是由一组Eq 等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成, 如图2-1(c中曲线所示。为区别Eq 等于恒定值时的内功率特性曲线,当Eq 随负载而变化的功率特性曲线称之为外功率特性曲线。另由图2-1(d可看出,如维持Eq'近似不变,则随着负载增加,Eq 是上升的。静态稳定功率

49、极限理论值P M =d X qUs E '',具体数值取决于微动态稳定的条件。对应的功角大于900。如果励磁调节器具有更良好的性能和更高的电压放大倍数,在负载变化中可维持发电机的电压U 为恒定值,此时的外功率特性曲线将具有更高的斜率,如图2-1(e中所示的外功率特性曲线。静态稳定功率极限理论值P M =X UUs ,具体数值也取决于微动态稳定的条件。对应的转子功角更大于900。同步电机的静态稳定能力提高后,相应系统传输功率的能力也得到提高。理论分析研究结果表明:励磁系统的电压放大倍数Kou 与励磁系统的时间常数Te 以及转子功角间具有图2-2所示的关系。由此图可看出:在同一转子

50、功角条件下,随时间常数Te 的增加,为保证发电机稳定运行所允许的电压放大系数是增加的;在同一时间常数Te 条件下,随转子功角的增加所允许的电压放大系数是减少的。由此引起了如图2-1 (c和图2-1(e所示的功率振荡情况。 图2-2 极限放大倍数(阴影部分为稳定工作区2励磁控制系统对暂态稳定的影响现以图2-3(a所示的线路为例,讨论在短路故障下功率特性的变化。在图2-3(b中曲线1表示双回路供电时的功率特性曲线,其幅值等于:=X EqUs Pm 其中X =Xd+X T +Xe/2。 图2-3 在短路故障下,功率特性曲线的变化(a 单机元限大母线系统; (b短路故障下,功率特性曲线的变化曲线2表示

51、切除短路故障线路后的功率特性曲线。由于线路阻抗由Xe/2增加到Xe,使功率特性曲线的幅值减小到'X EqUs ,其中X =Xd+X T +Xe 。曲线3表示故障中的功率特性曲线。如果发电机初始工作点在功率特性曲线1的a 点,短路后工作点将由功率特性曲线3所决定。在故障瞬间,由于惯性的影响,转速维持不变,功率角仍为0,工作点由a 移至b 。其后,因输出电磁功率减小,转子开始加速,功率角开始增加。当达到1时故障切除,功率特性为曲线2,工作点由c 移到e 点。由于惯性的影响,转子沿功率特性曲线2继续加速到f 点,对应的转子功率角为 2。经过反复的振荡,最后稳定在工作点 g 处。同前所述,暂态

52、稳定性决定于加速面积abed 是否小于或等于减速面积dfed 。 显然,当故障切除较慢时, 1将增大,加速面积abed 将增大。如果减速面积小于加速面积,将进一步加速,失去暂态稳定性。提高暂态稳定性有两种方法,减小加速面积或增大减速面积。减小加速面积的有效措施之一是加快故障切除时间,而增加减速面积的有效措施是在提高励磁系统励磁电压响应比的同时,提高强行励磁电压倍数,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。相应变化如图2-4所示。p po图2-4 功率特性曲线由图2-4可看出,正常时,发电机的工作点在功率特性曲线1的a处;当发生短路事故时,相应功率特性曲

53、线为曲线3。如在此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势Eq,使功率特性曲线由bc段增加到bc'段,由此在故障切除前减少了加速面积 (由abcd减少到abcd。在=c时故障切除后亦能增加减速面积(由曲线2的dehg增加到dehg。如面积de'hg等于面积deff,则可使转子功角最大值由m降到m,明显地提高了暂态稳定性。显然,励磁顶值电压越高,电压响应比越快,励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但是,考虑到发电机绝缘的强度,强励顶值电压以(79倍为宜,于此基值取为发电机空载励磁电压。3励磁控制系统对动态稳定的影响电力系统的动态稳定性问题,可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励磁控

54、制系统中的自动电压调节作用,是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负的最重要的原因之一。在定的运行方式及励磁系统参数下,电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时,特产生负的阻尼作用。在正常实用的范围内,励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施,是在励磁控制系统中增加其它控制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用,使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的,而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力,不改变其主

55、要控制的地位,因此,称为附加励磁控制。§2-2励磁控制系统的一些调节和控制算法1、PID调节及其算法按偏差的比例、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。在励磁控制系统中,应用电压偏差PID调节可以达到: 1稳态时有较大的放大倍数,使机端电压接近恒定, 调节精度达0.1%以内,从而有较大的小干扰稳定极限; 2暂态时有较小的放大倍数,以避免超调和振荡。1.1 并联PID 调

56、节:(理想PID 调节 输入输出之间微分方程为:+=t dtt de Kd dt t e Ki t e Kp t Y 0( (1(0+=t dt t de Td dt t e Ti t e Kp Uc Ug t e -=(式中:Y(t一一控制输出;e(t一一机端电压偏差信号;Ug 一一电压给定值;Uc 一一电压测量值,与机端电压成比例;Kp -一-比例系数用于提高控制系统的响应速度,以减少静态偏差;Ti 一一积分时间常数用于消除静态误差;Td 一一微分时间常数用于改善系统的动态性能。 连续系统传递函数为:S S E Kd SS E Ki S E Kp S Y +=(1( (1(1(S S E

57、Td SS E Ti S E Kp += 对于计算机控制,必须将上式离散化,用差分方程代替微分方程。采用梯形积分来逼近积分,采用后向差分来逼近微分,可得PID 数字控制算法:离散系统全量式差分方程为:(0T KT e KT e TKd T JT e Ki KT e Kp KT Y K J -+= (0T KT e KT e TTd JT e Ti T KT e Kp K J -+= T 一一采样周期。离散系统增量式差分方程为:(T KT e KT e T Kd T KT e Ki KT e Kp KT Y -+= (T KT e KT e TTd KT e Ti T KT e Kp -+= 微

58、机励磁调节器中PID 程序设计时要考虑到调节死区、积分溢出和微分限幅。1.2 串联PID 调节:在模拟电路控制中无法采用理想PID 控制,而代之以下述串联式 PID 。输入输出在频域中的传递函数表达式为:sTb s Tc s Tb s Tc Kp s E s Y s Gc +=21211111( 上式以波德图表示的幅频特性如图2-5。 图2-5 标准PID滤波器的幅频特性Kp 表示直流增益,用于确定调节器的调压精度,经过积分带宽控制时间常数Tb1、积分时间常数Tc1确定的积分区段,在中频区表现为暂态增益降低的比例增益Kr,以提高系统的暂态稳定性,Tc1可取发电机励磁回路时间常数,Tb1约为Tc1的510倍;通过微分时间常数Tc2和微分带宽控制时间常