600MW汽轮发电机励磁系统

2020/1/231第6章600MW汽轮发电机励磁系统6.1励磁系统的作用和要求6.2发电机调压特性与机组间无功功率分配6.3600MW汽轮发电机励磁系统6.4灭磁系统6.5引进型汽轮发电机无刷励磁系统6.6自动励磁调节装置原理6.7电力系统稳定器（PSS）补充：全双通道数字式励磁电压调节装置DAVR返回2020/1/232励磁系统是发电机的重要组成部分，对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。一、励磁系统的组成励磁功率单元与励磁调节器（装置）两大部分。（图6-1）励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分；励磁调节器是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。6.1励磁系统的作用和要求2020/1/233二、励磁系统的主要作用(1)在正常运行时供给发电机的励磁电流，并根据发电机负载情况作相应的调整，以维持发电机端电压或电网某点电压为一定水平。（提高静态稳定性）(2)当电力系统发生短路故障或其它原因使系统电压严重下降时，对发电机进行强行励磁以提高电力系统的稳定性。（提高动态稳定性）(3)当发电机突然甩负荷时实行强行减磁以限制发电机端电压的过度升高。(4)当发电机出现内部短路故障时能进行灭磁以减少故障损坏程度。(5)能使并联运行发电机的无功功率得到合理分配。2020/1/234三、励磁系统的暂态性能指标强行励磁顶值电压倍数1、强行励磁：电力系统故障时会引起有关发电机端电压剧烈下降；从提高系统稳定性出发，当发电机电压下降到80-85%额定电压时，迅速将励磁加到顶值的措施，称为强行励磁，简称强励。2、作用：a有助于继电保护（带延时）的正确动作；b能缩短短路故障切除后系统电压的恢复时间；c有助于厂用电动机的自启动过程。3、强行励磁顶值电压倍数KQ励磁机在规定条件下实际能达到的最高励磁电压（顶值励磁电压）Ufmax与额定励磁电压UfN的比值。KQ=Ufmax/UfNKQ越大，越有利于电力系统的稳定运行。但KQ的提高受励磁机系统结构和设备费用的限制，对汽轮发电机，一般KQ取值不小于2.0。2020/1/235励磁电压上升速度（电压响应比）对同轴交流励磁机或无同轴交流励磁机的半导体励磁系统（大容量汽轮发电机广泛采用），一般采用励磁机等效时间常数法来确定励磁电压上升速度。电压响应比：直线ab的斜率励磁电压上升响应时间励磁电压从额定值UfN上升到95%Ufmax的时间。对于响应时间≤0.1s的励磁系统，称为高起始励磁系统。max10.632(1/)0.632ffNQppfNEEUUKRsRUTT或2020/1/236四、对大容量机组励磁系统的性能要求(1)保证发电机在各种工况（正常或故障）下对励磁的需求，励磁装置的额定电流应为发电机转子额定电流的1.1倍。(2)励磁系统应满足所需求的顶值电压和励磁增长速度。(3)能维持发电机端电压恒定并保证一定的精度，保证并列运行发电机之间的无功功率有稳定合理的分配。(4)保证发电机运行的可靠性和稳定性。(5)具有能充分发挥发电机进相运行能力的功能。(6)具有快速减磁和灭磁的性能。(7)反应速度快，具有高起始响应的励磁系统。(8)为改善机组动态稳定，机组振荡时能提供正阻尼。返回2020/1/237一、发电机调压特性二、发电机经升压变压器后并联工作的无功功率分配6.2发电机调压特性与机组间无功功率分配返回2020/1/238一、600MW发电机励磁系统的分类把交流电源经硅整流后提供给励磁系统。根据交流励磁电源种类不同，分为两大类。第一类：采用与主发电机同轴的交流发电机作为励磁电源，经硅整流后供给主发电机的励磁。励磁电源与发电机本身的输出无直接关系，故称为他励式励磁系统。根据整流器的状态，又可分为他励静止硅整流和他励旋转硅整流（又称无刷励磁方式，硅整流元件和交流励磁机电枢与发电机主轴一同旋转，直接给主机励磁绕组供给励磁电流，无需转子滑环及碳刷引入）。6.3600MW汽轮发电机励磁系统2020/1/239第二类：采用接于发电机出口的变压器（励磁变压器）作为励磁电源，经硅整流后供给主发电机的励磁。励磁电源取自发电机本身或所在的电力系统，故称为自励式励磁系统（全静态）。只用励磁变压器并联在发电机出口——自并励方式；除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器（或串联变压器）——自复励方式；新型方式：利用在主发电机定子铁芯的少数几个槽中嵌入附加线棒构成的独立绕组作为励磁电源，经变压器整流后供给发电机的励磁绕组。600MW及以容量发电机的励磁系统，多采用：他励无刷励磁和自并励方式两种。2020/1/2310二、旋转硅整流励磁(无刷励磁)系统1、有副励磁机的无刷励磁系统发电机励磁电流的控制——利用自动电压调整器AVR控制可控硅的导通角，改变交流励磁机的励磁电流，使其输出变化，从而达到控制发电机励磁的目的。特点：不需外界电源来起励，运行独立性好，可靠性高。2020/1/23112、无副励磁机的无刷励磁系统特点：取消了副励磁机，缩短了发电机主轴长度，可节省基建投资。但由发电机出口的励磁变压器作电压源，在机组起动后，转速接近额定值时，发电机剩磁产生的电压（残压）较低，一般为1-2%UN，还不能使励磁调节器正常工作，可控硅不开放，所以在机组起动时，必须给励磁机外加起励电源。可采用厂用电整流后提供或由厂用220V直流系统提供。2020/1/2312图6-142020/1/2313无刷励磁系统的特点(1)属于他励式同轴励磁机系统，励磁电源可靠；(2)由于无碳刷和滑环，励磁电流可达很大，可不考虑容量限制和电刷电流分配问题，故维护工作量大为减小；(3)交流励磁机的时间常数较大，需增加适当的反馈控制或其它措施才能提高励磁系统的反应速度，以满足快速反应要求；(4)励磁绕组回路内不能设置灭磁开关、灭磁电阻等，所以不能直接灭磁，只能采用对励磁机励磁绕组进行灭磁的方法，故灭磁较慢。一般可对励磁机实行可控硅逆变灭磁。(5)硅整流器及其相应的保护元件都装在发电机轴上高速旋转，故要求这些元件能承受较大的离心力作用。(6)励磁系统旋转部分的参数的测量和监视不方便，需要辅助滑环引出或其它发送设备。随轴转动的用来保护硅整流器的熔断器的监视也比较麻烦。2020/1/2314三、同轴交流励磁机静止可控硅整流励磁系统交流励磁机的初始励磁电源，可采用220V蓄电池或厂用220V交流经整流取得。发电机采用可控硅逆变灭磁，灭磁速度快、性能好。2020/1/2315其灭磁过程是：发电机转子绕组及交流励磁机绕组同时转入逆变灭磁工况。当开始逆变灭磁后，启动时间继电器，延时打开灭磁开关，交流励磁机采用保护动作断开开关。发电机转子绕组及可控硅整流器的过电压保护采用多次动作的放电器和电阻。该励磁系统的特点（1）励磁电流的调节是通过自动励磁调节装置控制发电机转子回路中的可控硅整流器来完成的，从而避免了交流励磁机的时间常数，所以该励磁系统反应速度快，可达较高的顶值电压及电压上升速度，有助于电力系统稳定运行。它属于高起始反应的励磁系统。（2）省去副励磁机，缩短了机组长度。但交流励磁机总是工作于顶值电压，故其容量较大，且功率因数低、造价较高。大功率可控硅整流元件成本也高，故整个励磁系统投资较大。2020/1/2316四、自并励励磁系统特点(1)取消了励磁机，缩短了机组长度，结构简单，因而提高了可靠性。(2)可控硅整流器设在发电机励磁绕组回路内，故励磁调节的反应速度很快，并可实现逆变快速灭磁。缺点其整流装置的电源电压，在电力系统故障时将随发电机端电压下降而下降，可能影响暂态过程中的强励能力。一般而言，自并励励磁系统的使用应根据电厂在系统中的位置（如负荷中心或末端）、电网结构、故障情况和保护设置等进行具体分析计算而定。(实例)2020/1/2317北仑港电厂1#机自并励励磁系统原理接线图2020/1/2318五、GENERREX-PPS系统返回2020/1/2319一、灭磁的作用和要求为了快速限制发电机内部或与其直接相连的变压器内部的故障范围，减小其损坏程度，必须尽快降低发电机电动势，即需要把励磁绕组电流建立的磁场迅速地降低到尽可能小。发电机磁场迅速降低到尽可能小的过程，称为灭磁。对灭磁的要求（1）灭磁时间应尽可能短。评价灭磁装置的一项重要技术指标。（2）发电机励磁绕组两端的过电压不应超过容许值，其值通常取为转子额定励磁电压的4～5倍。灭磁时，端电压由额定值UGN降到5%UGN所需的时间。6.4灭磁系统2020/1/2320二、600MW汽轮发电机的灭磁方式根据励磁系统的不同，灭磁方法可分为自然灭磁和可控硅逆变灭磁。对采用旋转二极管整流的无刷励磁系统旋转部分不便装大功率的灭磁开关，故主励磁回路一般不装设任何灭磁装置。要灭磁时，先对交流励磁机磁场进行逆变灭磁，使励磁机的交流输出电压迅速降低，然后跳开交流励磁机的磁场开关（灭磁开关），发电机的磁场是通过整流二极管的续流作用实现自然灭磁。特点：灭磁时间较长（一般10s左右）；安全可靠性已在长期实践中为用户所接受。对采用可控硅整流方式的励磁系统——可控硅逆变灭磁对于逆变灭磁，当逆变进行到发电机励磁绕组中的剩余磁场能量不能再维持逆变时，逆变便结束。通常将剩余的能力向并联的电阻放电，此时磁场电流已很小，直到转子励磁电流衰减到零，灭磁结束。在发电机励磁回路中需装设容量小、阻值较大的灭磁电阻。2020/1/2321灭磁电阻接入方式（1）利用灭磁开关接入线性灭磁电阻（恒值电阻）灭磁时，灭磁开关FMK动作，常闭触点FMK-2首先闭合，将放电电阻并接在发电机转子绕组两端，然后常开触点FMK-1断开，将转子绕组与直流励磁电源切开。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。特点：转子绕组两端的电压正比于转子电流衰减率。由于转子电流衰减率在灭磁过程中渐减，使灭磁过程时间较长。2020/1/2322（2）用非线性电阻并联固定接在发电机励磁绕组回路上，不受直流励磁回路中的磁场开关（灭磁开关）控制。非线性灭磁电阻同时还作为励磁绕组和可控硅整流器的过电压保护。用非线性电阻代替恒值电阻，可以加快灭磁过程。非线性电阻具有非线性伏安特性，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，并始终接近转子电压容许值Um，以此保证转子电流的衰减率始终接近理想值。这种非线性电阻放电灭磁方式的优点是，灭磁速度快。2020/1/2323（3）利用并联固定在直流励磁回路中电阻值较大的线性或非线性电阻作灭磁电阻，而且在直流励磁回路中不装设励磁开关，把磁场开关装设在可控硅整流器的交流侧。灭弧栅灭磁灭弧开始时，灭弧开关FMK动作，其常开和常闭触点FMK1、FMK2相继打开，在FMK2两端产生电弧。在专设的磁铁所产生的横向磁场H的作用下，电弧被引入灭弧栅，铜栅片将电弧切割成许多短弧，在整个灭磁过程中一直燃烧，直至其电流近似地直线下降到零之前熄灭。为了避免产生有害的过电压，在灭弧栅上并联电阻R1。2020/1/2324逆变灭磁利用三相全控桥的逆变工作概念，控制角α由小于90°的整流运行状态，突然后退到大于90°的某一适当角度，此时励磁电源改变极性，以反电势形式加于励磁绕组，使转子电流迅速衰减到零的灭磁过程称为逆变灭磁。该灭磁方式将转子储能迅速地反馈到三相全控桥的交流侧电源中去，不需放电电阻或灭弧栅。无触点、不燃弧、不产生大量热量，故灭磁可靠。反电势愈大，灭磁速度愈快。三相全控桥逆变时产生的反电势与其交流侧电源电动势成正比，且受制于为防止“逆变颠覆”而设的最大控制角αmax(或最小逆变角βmin)，故电流衰减率较小，灭磁时间相对较长，但过电压倍数也很低。逆变灭磁的性能与发电机的励磁方式有关。返回2020/1/2325一、系统原理接线6.5引进型汽轮发电机无刷励磁系统2020/1/2326二、无刷励磁机整流环剖面图2020/1/2327无刷