励磁基本原理..

励磁系统原理第1部分励磁系统的几种主要类型励磁系统的组成与分类自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器）励磁电源（励磁机、励磁变压器）整流器（AC/DC变换，SCR、二极管）灭磁与转子过电压保护按励磁电源分类：直流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：慢速励磁系统快速励磁系统高起始励磁系统•直流励磁机励磁系统：70年代以前开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。•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。俗称三机励磁。•无刷励磁系统：三机励磁的变形。用于励磁电流大（6000A以上）的超大型机组，比如核电；或有腐蚀性气体的环境，比如石油加工的自备电厂。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•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。第2部分自并励励磁系统的基本构成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；取消励磁机，发电机组长度缩短，减小轴系振动，节约成本；典型的快速励磁系统；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。2.1自并励励磁系统的主要组成部分2.2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。2.3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。晶闸管的伏安特性电力电子技术的发展：IGBT晶闸管的导通与关断条件晶闸管的导通条件：以下两条件须同时具备正向阳极状态（阳极电位高于阴极电位）；控制极加上触发电压（或触发脉冲）；晶闸管的关断条件：以下任一条件即可关断1.主回路断开；2.晶闸管两端处于反向电压时（阳极电压低于阴极电压）3.流过晶闸管的电流下降到小于维持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。12－32－34－54－56－16－12……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=1.35U2cosa，a为整流桥触发控制角I2＝0.816IdUd、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0~180°，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：10～150°0～90°：整流状态；90～180°：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。三相全控桥电路的典型波形α=00:自然换相点，二极管整流，AC变DCα=0～900:整流状态，AC变DCα=1500:逆变状态，DC变AC因电感引起换弧角带来的过电压尖峰，逆变颠覆实际电路器件介绍：快熔、阻容、分流器、表记、均流、开关、脉冲变等•可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般1～2V），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•可控硅过流保护：每可控硅串联快速熔断器。•可控硅换相尖峰过电压保护：可控硅两端并联R、C吸收电路，或采用集中式阻容保护。•由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变的漏感，集中式阻容保护可以直接吸收，保护效果更好。三相全控桥的保护三相全控桥的集中式阻容保护电路：C1主要吸收2.4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。221ffILW灭磁系统的构成原理图发电机正常运行中，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。•灭磁过程中，移能成功的条件：灭磁开关要有足够高的弧压，才能顺利实现移能。UR、HPB型灭磁开关的弧压，都在4000V以上。灭磁中的移能rEDCarcUUU•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2.5励磁调节器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。励磁调节器构成第3部分励磁调节器的主要功能现有的励磁控制理论•PID•PID+PSS•线性最优控制•自适应最优控制•非线性控制•鲁棒PSS（NLPSS）•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PID控制给定值Ref比例微分积分发电机机端电压Ut励磁电压Efd+－电压偏差•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定电压的0.5％。AVR数学模型中的放大倍数Kavr比例参数的作用和影响对稳态特性的影响加大比例控制KP，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度，但加大KP只减小误差，却不能完全消除稳态误差；对动态特性的影响比例控制KP加大，会使系统的动作灵敏、响应速度快；KP偏大，振荡次数变多，调节时间加长，当KP太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的响应缓慢。积分参数的作用和影响对稳态特性的影响积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但若TI太大，积分作用太弱，将不能减小稳态误差；对动态特性的影响积分时间常数TI偏小，积分作用强，振荡次数较多，TI太大，对系统性能的影响减小。当时间常数TI合适时，过渡性能比较理想。微分参数的作用和影响微分控制的作用跟偏差信号的变化趋势有关，通过微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，可以较好地改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度等。但当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长。当TD偏小时，同样超调量和调节时间也都较大。只有TD取得合适，才能得到比较满意的效果。PSS的数学控制模型：PSS2APSS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（0.1～2.0Hz）内使该力矩向量对应Δω轴在超前10º~滞后45º以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应Δω轴在0º~滞后30º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FCR，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1+TbS11+TB2S1+TB1SKiIL(S)IgdUK2(S)电流反馈电流给定图3励磁电流调节器数学模型手动方式FCR控制手动方式FCR控制手动方式主要用于试验（如在设备的投运或维护过程中的发电机短路试验），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的辅助/过渡控制方式。由于手动方式不利于发电机电压的稳定，所以不宜长期运行。为了避免在手动方式下发电机突然甩负荷引起机端过电压，手动方式也应具有自动返回空载的功能。即在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，则立即把励磁电流给定值置为空载励磁电流