励磁系统讲义幻灯片.ppt

1、,励磁系统,励磁系统,电力系统稳定器PSS,使并列运行的各台同步发电机所带的无功功率得到稳定而合理的分配。,在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷 的情况，相应地调整励磁电流，以维持发电机端电压在给定水平上。,1,增加并入电网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力系统动态稳定性 及输电线路的有功功率传输能力。,2,3,4,在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下降时，强行励磁， 将励磁电压迅速增升到足够的顶值，以提高电力系统的暂态稳定性。,5,在发电机突然解列、甩负荷时，强行减磁，将励磁电流迅速减到安全 数值，以防止发电机电压过分升高。,6,在发电机内部发生短路故障时，快

2、速灭磁，将励磁电流迅速减到零值 ，以减小故障损坏程度。,7,在不同运行工况下，根据要求对发电机实行过励限制和欠励限制等， 以确保发电机组的安全稳定运行。 。,一、励磁系统的任务,一、励磁系统的任务,1、维持发电机或其他控制点的电压在给定水平,由同步发电机电压方程 可知：当发电机负荷电流 I增大时， 若增大发电机励磁电流If， 即增加发电机的空载电势Eq， 则可保持发电机端电压Uf的恒定。,2、控制并联运行机组无功功率的合理分配,一、励磁系统的任务,发电机电压调差率% 在自动励磁调节器调差单元投入、电压给定值固定、功率因数为零（即有功P=0）的情况下，发电机无功功率从零变化到额定时，发电机端电压

3、变化率 式中 Uf0 -发电机空载电压 Ufr -发电机带额定无功负荷时的电压 %反映了在自动励磁调节器的作用下，发电机端电压随无功功率的变化情况。,2、控制并联运行机组无功功率的合理分配,一、励磁系统的任务,当多台发电机机端直接并联在一起工作时，为使并联机组间能有稳定的无功分配，这些发电机都必须有正的调差。,当外界无功负荷变动时，在系统并列运行的数台机组，根据各自的成反比进行合理分配负荷。,等值调差系数,3、提高电力系统的稳定性,静态稳定性,动态稳定性,暂态稳定性,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,发电机输出电磁功率,发电机功角向量图,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,电力系

4、统静态稳定性 (Steady Stability) 电力系统静态稳定性是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。 静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,电力系统静态稳定性的判据是发电机输出电磁功率对功角的微分dPe/d是否大于0 。,如左图所示，采用了自动励磁调节的发电机静态稳定运行的最大电磁功率和最大功率角都有提高。,励磁系统的任务,3、提高电力

5、系统的稳定性,电力系统暂态稳定性 (Transient Stability) 电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。 如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行方式有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间有关。,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,电力系统暂态稳定性的判据是等面积定则。,左图的功率曲线中，当功率角从1变化到2时，PT与P

6、3之间的面积正比于转子动能的变化量。,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,等面积定则的具体内容,励磁系统的任务,减速面积加速面积 临界稳定,减速面积加速面积 稳定,减速面积加速面积 不稳定,3、提高电力系统的稳定性,提高暂态稳定性的方法就要减小加速面积或增大减速面积，具体说来有以下三种方法：,加快故障切除时间 提高励磁系统励磁电压响应比 提高强行励磁电压倍数,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,电力系统动态稳定性 (Dynamic Stability) 电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增长的振荡而失步的能力。 扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂

7、态稳定性)，但可能由于自动调节装置的配置不合适或其他因素，后续的振荡周期幅值不断增大并造成失步。动态稳定问题实际上是指系统在受到小的或大的扰动后，在自动调节装置和自动控制装置的影响下，保持长过程运行稳定性的能力。,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,电力系统动态稳定性目前的主要问题是对系统低频振荡的抑制。低频振荡是发生在弱联系的互联电网之间或发电机群与电网之间，或发电机群与发电机群之间的一种有功振荡，其振荡频率在0.1-2.5Hz之间。其原因有： 系统弱阻尼时，受到扰动功率振荡长久不能平息 系统负阻尼时，系统发生扰动而振荡或系统发生自激 系统振荡模与某种功率波动的频率相同，且由于弱阻尼，

8、引起特殊的强迫振荡 由发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡,励磁系统的任务,3、提高电力系统的稳定性,励磁控制系统对动态稳定的影响,电力系统的固有自然阻尼小，而使用快速励磁调节器或使用自并激可控硅快速励磁系统，又削弱了系统阻尼，甚至使系统产生负阻尼。为了抑制低频振荡，在励磁系统中加入了电力系统稳定器（PSS）。,励磁系统的任务,所谓电力系统稳定器（Power System Stabilizer，简称PSS）是指为了解决大电网因缺乏足够的正阻尼转矩而容易发生低频振荡的问题所引入的一种相位补偿附加励磁控制环节，即向励磁控制系统引入一种按某一振荡频率设计的新的附加控制信号，以

9、增加正阻尼转矩，克服快速励磁调节器对系统稳定产生的有害作用，改善系统的暂态特性。,二、电力系统稳定器,电力系统稳定器的作用：主要是抑制电力系统0.12.5 Hz的低频振荡。电力系统稳定器的任务是接受这些振荡信号，并按要求传递给励磁电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用 ，对发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，即利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼，以此实现对振荡的抑制。,二、电力系统稳定器,PSS模型简介,PSS1A,PSS2A,PSS2B,一般由如下两个基本部分组成 ： （1）励磁调节器 （2）励磁功率单元,三、励磁系统的组成,1、励磁调节器 主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，

10、以产生相应的控制信号，经处理放大后控制励磁功率单元，以得到所要求的励磁电流。,2、励磁功率单元 受励磁调节器的控制，对它的基本要求有： （1）要有足够的可靠性，并有一定的调节容量； （2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。,四、励磁系统的分类,交流励磁机系统（三机它励）,同轴,组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL)都与发动机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场电阻由副励磁机机端电压经整流后供电。 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。,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；

11、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,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

12、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,什么是自并励？,自并励励磁系统,从发电机机端电压源取得功率并使用静止可控整流装置的励磁系统，即电势源静止励磁系统。由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、灭磁装置、起励设备、励磁操作设备等组成 。,发电机的励磁电源由接于发电机出口的励磁变压器TE供给，励磁电流靠自动电压调节器AVR进行调节。,正确评价自并励,自并励方式的主要优点是设备和接线

13、简单、可靠性高、励磁调节速度快，如采用三相全控整流电路，可以实现逆变灭磁，为简化励磁系统创造了条件 。,对发电机轴系安全的影响,自并励磁方式大大缩短汽轮发电机的轴系长度，对减小汽轮机的震动是非常有帮助的。若励磁系统为微机化的励磁系统，而不再采用分离元件，其运行更灵活，维护更方便,对系统暂态功角稳定的影响,自并励静止励磁系统响应速度快，发电机具有较高强励电压倍数对系统的暂态电压稳定水平有所改善 。,此时机端电压及整流电源电压严重下降，即使故障切除时间很短，短路期间励磁电流衰减不大，但在故障切除后机端电压的恢复需一定的时间，自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题，在系统设计中计算强励倍数时，

14、整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算，且目前大中型机组发电机出口均采用了封闭母线，发电机端三相短路可能性基本消除 。,自并励最不利的情况,自并励对继电保护的影响,对主保护影响不大，对发变阻的后备保护影响较大，当发电机外部发生短路时，机端电压下降，励磁电流也随之减小，发电机短路电流衰减很快。将导致发电机后备保护不能正常动作。为此，发电机后备保护需增设电流记忆功能 。,发电机出口 三相短路,自并励的应用条件,由于励磁输出受发电机端电压的制约，在某些系统严重故障导致系统电压波动较大的情况时不宜采用。位于主网震荡中心的发电机不宜采用该系统；位于负载中心或受端机组，因故障导致系统电压恢复慢，影响强

15、励能力的发挥，导致功角振荡加大或系统电压过低导致电压崩溃，亦不宜采用,励磁变压器,功用：将发电机端电压降至可控硅整流器（整流桥）所需的输入值，为发电机提供足够的励磁功率。 选择：环氧树脂干式变压器，多采用三角形-星形(/Y)接线 ，配备相应的限制操作过电压和过电流保护。,发电机的起励,利用起励电源对发电机进行励磁，待发电机电压达到或大于10%时通过切换装置自动退出起励回路,转换为励磁变压器提供励磁电源 。,在机组调试阶段及机组大修后进行发电机特性试验时，自并励发电机需要一大容量的试验电源来满足其空载、短路试验时对动力的要求，一般可考虑取自厂用高压母线或者通过主变从系统倒送过来 。,自并励发电机

16、的试验电源,可控硅励磁功率柜,普遍采用可控硅全控桥 ，配置有交流过电压保护装置，冷却装置。至少配置2套。,在发电机转子回路设置灭磁开关，采用相应的灭磁方式。转子过压保护装置较多采用非线性电阻(高性能氧化锌压敏电阻)来实现，这种方式较普遍采用。,灭磁及过压保护装置,励磁调节器,投运的新机组都选用微机励磁调节器，向多变量、向非线性发展 。,北京吉思电气有限公司生产的GEC系列微机励磁装置常采用双柜配置。 柜内包括 励磁调节控制、功率单元、灭磁开关等； 外部配有励磁变压器。 全数字化、四种控制方式（NOEC方式非线性最优， LOEC方式线性最优控制， PSS方式电力系统稳定器 ， PID方式比例、积

17、分、微分 ）。 直观的人机接口、完备的保护功能等 ，可靠性高。,微机自并励励磁系统,静止式自励励磁系统(GEC-II) 的典型接线,对于微机励磁调节器而言，其大部分功能都软件化了，即由软件实现。从硬件角度看，微机励磁系统即是由微机控制器和受控对象（发电机）构成的微机工控系统。,五、励磁系统中的整流电路,功用：在励磁调节器的控制下，将励磁变压器副边的交流电压转换成相应的直流电压，提供给发电机转子绕组励磁。 整流方式 ：三相全波桥式可控整流 整流元件 ： 大功率可控硅元件（晶闸管）,37,三相桥式全控整流电路,返回,1、原理图,38,1) 三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形

18、成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。,2、基本原理,三相桥式全控整流电路,39,2) 整流输出电压ud波形是由电源线电压uab 、uac、 ubc 、uba 、uca和ucb的轮流输出所组成的.,三相桥式全控整流电路,40,VT6-VT1,VT1-VT2, VT2-VT3, VT3-VT4, VT4-VT5, VT5-VT6,uab,uac,ubc,uba,uca,ucb,）六只晶闸管中每管导通120,每间隔60有一只晶闸管换流。,三相桥式全控整流电路,41,（1）整流状态 在交流电源电压正半周时，控制可控硅元件导通，090，输出直流电压平均值： Ud=1.35U2Cos （2）

19、逆变状态 在交流电源电压负半周时，控制可控硅元件导通，90180，感性负载（励磁绕组）向电源反送功率。,3、工作状态,三相桥式全控整流电路,六、励磁调节器及其调节性能,励磁调节器功用：按要求（机端电压偏差、恒电流、无功功率或功率因素）自动调节可控硅整流装置输出的大小和方向。,励磁调节器原理图,要求发电机快速灭磁的原因,这是因为同步发电机发生内部短路故障时，虽然继电保护装置能迅速地把发电机与系统断开，但如果不能同时将励磁电流快速降低到接近零值，则由磁场电流产生的感应电势将继续维持故障电流，时间一长，将会使故障扩大，造成发电机绕组甚至铁心严重受损。因此，当发电机发生内部故障时，在继电保护动作快速切

20、断主断路器的同时，还要求发电机快速灭磁。,在整个灭磁过程中，转子电流的衰减 率保持不变，且由衰减率引起的转子 感应过电压等于其容许值,理想灭磁,七、灭磁及过电压保护装置,恒值电阻灭磁特点：恒值电阻放电灭磁的特点是：转子绕组两端的电压等于转子电流与放电电阻的乘积。放电电阻值可按转子电压小于或等于转子电压容许值的原则来选定；灭磁过程时间较长,恒值电阻灭磁：灭磁开关动作后，其常闭触点首先闭合，将放电电阻并接在发电机绕组两端，然后常开触点断开，将转子绕组与直流励磁电源断开。这时，转子电流将由放电电阻续流，不致产生危险的过电压。之后，转子电流在由转子绕组和放电电阻构成的回路中自行衰减到零，完成灭磁过程。,灭磁方式（一）,非线性电阻灭磁特点：灭磁速度快，接近于理想灭磁曲线。由于非线性电阻在额定励磁电压和强励电压下，其阻值很大，流过电阻的漏电流很小，因此可以直接并接于转子绕组的两端，既作为灭磁电阻又作为过电压保护器件，还简化了接线和控制回路。,非线性电阻灭磁：用非线性电阻代替恒值电阻，可以加快灭磁过程，当转子电流大时，其阻值小，当转子电流小时，其阻值又变大，使电流电阻两者乘积变化不大，并始终小于或等于转子电压容许值。,灭磁方式（二）,灭弧栅灭磁特点：接近