水电站励磁系统原理讲义

1、水电站励磁系统培训教材 主讲人：刘义,四川省中源机电安装检修有限公司,同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁 场。相应的，将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统 建立发电机机端电压：发电机内电势 Eq=BLV 最主要功能：维持发电机机端电压恒定、稳定，并根据发电机所 带负荷情况，相应的调整励磁电流 在并列运行的发电机间合理分配无功功率 增加发电机的阻尼转矩，提高电力系统的运行稳定性 不同工况下，对发电机实行过励磁限制和欠励限制等,第1部分 励磁系统的基本作用,同步发电机的工作原理： 原动机带动转子旋转后，给转子通直流电，形成旋转 磁场，旋转磁场的磁力线切割定子绕组，产生感应电动

2、势， 建立起机端电压，当发电机并网与负载相连时产生电流， 发出电能。 励磁设备的基本任务: 给发电机转子提供直流电流形成磁场。,励磁系统的主要技术要求,有足够的强励顶值电压。强励电压倍数一般取1.82.0 具有足够的强励电压上升速度 有足够的调节容量：保证励磁电流在1.1倍额定励磁电流时能长期运行 运行稳定，工作可靠，响应快速,采用可靠性高、控制性能强的励磁系统，是保证发电机安全稳定运行并提高电力系统稳定性的经济而有效的措施。,第2部分 励磁系统的几种主要类型,直流励磁机励磁系统：70年代以前；具有专用的直流发电机,交流励磁机励磁系统：80、90年代，直流励磁机制造容量有限，大型机组采用。俗称

3、三机励磁。,无刷励磁系统：这种励磁方式没有专门的励磁机，而是从发电机本身获取励磁电流，经整流后再供发电机励磁，因此又称为自励式静止励磁 自励式静止励磁又可分为自并励和自复励两种方式 最具代表性的当属自并励励磁方式，通过接在发电机出口的整流变压器（亦称为并联变压器T）取得励磁电流，经整流后供发电机励磁,自并励励磁系统：自并励静止励磁系统取代直流励磁机和交流励磁机励磁系统是技术发展的必然。国内所有的新建水电站和大部分的火电厂都使用自并励励磁系统。,自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中型 发电机组中普遍采用。其主要技术特点： 接线简单、结构紧凑，维护方便； 取消励磁机，发电机组长度缩短，减小

4、轴系振动，节约成本； 调节性能优越，通过附加PSS控制可以有效提高电力系统稳定性。 缺点：在发电机或系统发生短路时，由于电压的大幅下降或消失，导致励磁电流的下降或消失，而此时本应大大增加励磁（即强行励磁）来维持电压的。考虑到现代大型电网多采用封闭母线，且高压电网一般都装有快速保护（0.1s内切除短路故障），认为有足够的可靠性，故采用自并励的机组较多。,第3部分 自并励励磁系统的基本构成,3.1 自并励励磁系统的主要组成部分,3.2 励磁变压器,将高电压隔离并转换为适当的低电压，供整流器使用。一般接线组别：Y/d-11。 励磁变的额定容量要满足发电机1.1倍额定励磁电流的要求。 励磁变的二次电压

5、的大小要满足励磁系统强励的要求。 励磁变的绝缘等级：F级或H级。 励磁变的额定最大温升：80K或100K。,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，实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务，给发 电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。,三相全控桥电路结构,SCR循环导通顺序：至少有2个可控硅开通。 12323454561612 1个工频周期完成1个换相导通循环。 换相是严格按顺序的。,发电机转子相当于大电感。三相全控桥带电感负载下的二个主要工作状态：,整流状态：交流变直流，能量供给，输出电压Ud0。,逆变状态：直流变交流，能量反送，输出电压Ud0。,Ud=1.

6、35U2cosa，a为整流桥触发控制角 I20.816Id Ud、Id直流输出侧电压、电流； U2、I2交流输入侧线电压、相电流；,三相全控桥电路要点,三相全控桥带电感负载下的二个重要关系公式：,触发控制角的理论范围0180，超出此范围外的触发信号就会造成混乱。触发控制角的角度控制是严格的，一般实用范围：10150 090：整流状态； 90180：逆变状态。 逆变状态时为什么是负的？电流方向与原来一致，而电压方向反，因此功率传送方向会反转，从整流态到逆变态，完成能量消耗。 自并励情况、发电机空载状态下，可实现逆变灭磁。转子电流通过发电机、励磁变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长，10s左右。,

7、三相全控桥电路的三种典型波形,=00: 自然换相点， 二极管整流， AC变DC=0900: 整流状态， AC变DC=1500: 逆变状态， DC变AC,可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般12V），造成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大承受结温（PN结）是125。 可控硅散热方法：可控硅压装散热器，并启动冷却风机进行风冷散热。,三相全控桥的散热,3.4 灭磁系统,灭磁，即是快速把转子电感中储存的大电流 释放掉，以保证发电机安全运行，保护机组和其 它设备安全 。 转子电感是大的储能元件，电感中的电流是 不能突变的。储存能量为： 灭磁系统由灭磁开关、灭磁电阻及灭磁回路 开通控制单元组

8、成。灭磁，就是把转子中储存的 能量转移到灭磁电阻中，来消耗掉。,灭磁系统的构成原理图,QFG灭磁开关 FRSiC电阻 CT过电压动作检测器 V61可控硅 V62可控硅 A61可控硅触发器,发电机正常运行中，励磁电压比较小，控制单 元不能触发可控硅开通，灭磁电阻回路中没有电流 通过 。 当灭磁开关分断后进行灭磁时，转子电感两端 出现较大的反向电压，同时控制单元快速接通反向 可控硅触发回路，把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路 开通，转子电流就可以快速转移到灭磁电阻回路， 通过灭磁电阻把电流转换为热量释放。,灭磁系统的基本工作原理,灭磁开关,灭磁开关的基本作用：控制转子绕组中励磁电流的接通、分断；灭磁开关

9、分断后，配合灭磁电阻完成灭磁的任务。 耗能型灭磁开关灭磁开关分断励磁回路后，利用开关断口将灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧室内燃烧，使电弧能量消耗完毕，实现灭磁。灭磁能量有限。很少采用。典型产品：国产DM2型。 移能型灭磁开关灭磁开关分断励磁回路后，将转子电流转移到灭磁电阻上消耗或吸收，开关本身基本不吸收灭磁能量。灭磁能量大，灭磁时间快，普遍采用。典型产品：国产DM4、DMX，进口ABB-E、UR、HPB型。,线性电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。 氧化锌ZnO非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理想。 SiC非线性电阻，国外生产，经常采用英国M&I公司的产品，超

10、大型机组应用较多，比如：三峡、龙滩、拉西瓦等；灭磁时间适中。 水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。 单片ZnO阀片的工作能容量是15KJ，而单片SiC阀片的工作能容量为62.5KJ。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需要几百片非线性电阻阀片串、并联连接。并联均能或并联均流问题突出。 SiC阀片容量大、其伏安特性更适合并联，所以，在超大型发电机的励磁系统中普遍使用。,灭磁电阻,逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流桥处于逆变状态，使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源侧及回路电阻中消耗，实现灭磁。在自并励励磁系统中，由于在逆变灭磁过程

11、中，发电机端电压也在不断减小，吸收能量不断减小，所以，逆变灭磁的时间比较长。空载额定状态下，逆变灭磁时间一般达到10s。 灭磁系统灭磁：在发电机事故、过压或系统故障情况下停机时，励磁电流较大，希望能快速灭磁，消除故障、防止事故扩大化，采用分断灭磁开关的方法将能量转移到灭磁电阻中实现快速灭磁。灭磁系统灭磁的时间一般在5s以下。,两种灭磁方法,3.5 励磁调节器（AVR）,励磁系统的控制核心，利用自动控制原理，自动控 制可控硅整流桥的触发角度、快速调节励磁电流大小，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PID

12、算法，自动维持发电机电压恒定、稳定。 附加PSS控制功能，经济、有效地提高电力系统稳 定性。,对自动调节励磁装置（AVR）的要求 工作可靠 AVR装置本身发生故障，可能迫使机组停机，甚至可能对电力系统造成严重影响。 有足够的输出容量 AVR的容量既要满足正常运行时调节的要求，又要满足发生短路故障时强励的要求。 动作迅速 采用快速动作的AVR对改善系统的稳定性和提高输送能力具有重要意义。 无失灵区 没有失灵区的AVR有助于提高系统的静态稳定性。,可控硅励磁调节装置的工作原理 可控硅元件具有放大作用，适合于作励磁装置的放大元件。同时，它本身又是一个整流元件。可控硅励磁装置的构成如图所示。,励磁反馈

13、控制的基本工作原理为：通过PT和CT测量发电机电压和无功，与给定电压Ugn比较后获得电压差Ug=Ugn-Ug，经综合放大后得到控制信号Uc。根据控制信号和同步信号计算可控硅的导同角，从而控制发电机的励磁电流，使发电机运行在稳定状态。 当扰动使发电机电压升高时的反馈控制过程如下：,第3部分 励磁调节器的主要功能,自动方式，是励磁调节控制的主要运行方式，由两部分组成：自动电压调节器，即AVR；及PSS附加控制。 AVR为机端电压负反馈闭环控制，用于自动维持机端电压恒定、稳定。为使励磁系统有良好的静、动态性能，AVR可采用两级超前滞后校正环节。 PSS（电力系统稳定器）做为AVR的附加控制，用于增加

14、电力系统的正阻尼，从而抑制电力系统有功低频振荡。它不降低励磁系统AVR调节的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能 。PSS已成为励磁调节器的标配环节，在国内外电力系统中都得到了广泛应用。,AVR的数学控制模型,Kavr关系到发电机端电压的调节精度。在保证AVR闭环调节稳定的前提下，Kavr越大，机端电压的调节精度越高，越能维持机端电压的恒定。 超前滞后环节的参数整定，保证AVR闭环控制稳定，并有良好的动态特性。通过励磁标准中机端电压阶跃试验的指标来验证。 励磁标准中要求机端电压的调节精度为0.5。即，在AVR给定值Uref不变的情况下，发电机输出从空载到满载的过程中，机端电压的变化不超过发电机额

15、定电压的0.5。,AVR数学模型中的放大倍数Kavr,PSS的数学控制模型：PSS2A,PSS数学模型说明,PSS2A以转速信号与电功率信号合成的加速功率做为PSS的输入量，在解决“反调”问题的同时，不影响PSS的阻尼效果。 通过PSS实现的主要目标就是：获得一个附加的电磁力矩，在电力系统低频振荡区（0.12.0Hz）内使该力矩向量对应轴在超前10滞后45以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应轴在0滞后30以内，以尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频振荡。 PSS环节的参数，需要经过电网公司认可、具有资质的第三 方试验单位（一般是各电网的电科院）进行现场试验后给出。,励磁调节器的手动方式FC

16、R，为励磁电流负反馈闭环控制，用于维持励磁电流恒定、稳定。 FCR，是励磁调节控制的辅助运行方式。在发电机端PT回路出现故障、自动方式采集的机端电压出现异常情况时，励磁调节器自动切换为手动方式运行，防止励磁系统出现误强励。,手动方式FCR控制,自动方式AVR控制的整体模型描述,无功调差是励磁调节器自动方式的附加控制之一，可以根据发电机无功的变化对机端电压进行必要的微调。 正调差：实现机端直接并列连接的发电机间无功的合理分配。当发电机无功输出增加时，正调差使得发电机端电压适当降低，防止并列运行的发电机间无功互抢。 负调差：当发电机无功输出增加时，负调差使得发电机端电压适当提高，用于补偿单机单变方

17、式下主变的压降损失。 从系统母线侧看，单机单变方式下的整体调差，应表现为正调差。,无功调差控制,防止发电机因励磁电流过度减小而引起失步以及因机组过度进相引起定子端部过热。确保机组在并网运行时，将发电机的功率运行点（P、Q）限制在欠励限制曲线上方。 正常情况下，发电机输出的无功为正。当发电机端电压低于系统电压时，发电机从系统吸收无功或输出负无功，这种情况称为发电机进相运行。 当电力系统夜间运行时，系统可能出现过剩的无功，引起系统电压升高。需要一些发电机机组进相运行，来吸收系统多余的无功，维持系统电压水平。,欠励限制,发电机V/f限制,防止励磁过多导致发电机电压过高，铁芯磁密度过大，致使发电机发热而损坏。 当发电机频率降低时，如果仍要维持发电机端电压在额定水平，励磁电流和主变激磁电流需要正比增加。当频率降低到一定程度后，激磁回路将处于饱和状态，将引起磁路损耗增大、发热而损坏。 V/f限制的作用，使得发电机端电压随频率的降低而成比例的减小，维持发电机及主变压器的激磁回路不进入饱和状态而损坏。,强励限制与过励限制,过励限制： 当有倒闸操作或者系统发生短路故障，以及系统电压降低，要求机组增加无功功率时，励磁调节器将增