励磁系统基本原理

励磁系统基本原理尹志丰2016.06.21一、励磁系统的基本作用励磁的基本概念什么是励磁？导体切割磁力线感生电动势e励磁就是提供一个磁场BE=4.44fNΦ对于发电机来说，励磁就是产生磁通ΦGActivePower（P）Frequency（f）ReactivePower（Q）TerminalVoltage（Ug）Governor调速Excitation励磁功角含义（电气量与空间量）、静稳极限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、功角范围（机组小于系统）励磁的基本任务建立发电机机端电压：电磁感应原理最主要功能：维持发电机机端电压恒定、稳定交流输电系统的输送功率极限公式：在并列运行的发电机间合理分配无功功率提高电力系统的运行稳定性基本作用XUPM2电力系统稳定简介•电力系统稳定分为三个电量的稳定：•电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q）•频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载）、功角稳定（P、Q变化）。•励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定，其次是提高功角稳定。频率稳定由调速器调节。•功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。•静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性（稳定余度问题、极限功率问题、发电机的能力问题）；•暂态稳定是大扰动后系统在随后的1－2个周波的稳定性；（安稳装置切机问题、继电保护问题）•动态稳定是小扰动后或者是大扰动1－2周波后的，并且采取技术措施后的稳定性（励磁PSS问题）。功角稳定比喻•碗中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的位置。如果这个碗的高度很矮，像一个盘子，该球就有可能从碗中掉下来。此时，我们就说这个系统静稳不足。提高碗的高度最经济的办法就是采用自动电压调节器。•当碗中的球受到一个大的外力，怎样保证该球不飞出，最主要措施就是快速的继电保护。继保的作用就相当于减少这个外部力量的作用时间，继保越快，外力的作用时间就越短，这个球就不会一下子掉下来。自动电压调节器此时作用相当于自动改变这个碗的坡度，当这个球上升时增加坡度，当这个球下降时就减少这个坡度，使这个球在碗中滚动幅度迅速减小。•如果这个碗和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加碗和球的摩擦系数，使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。电力系统稳定器（PSS）可以增加电力系统正阻尼，用于抑制电力系统低频振荡。ΔTsΔTDΔTEPe/ΔPe、ΔδΔωPm、ΔPa正阻尼区负阻尼区ΔTD′ΔTE′发电机电气功率Pe/ΔPe、机械功率Pm、加速功率ΔPa、同步转矩ΔTs、阻尼转矩ΔTD、电磁转矩ΔTE、转子角Δδ、转子角速度Δω的正方向相位关系如下图所示：加速功率ΔPa＝机械功率Pm－电气功率Pe由励磁系统引起的附加电磁转矩，包含同步转矩ΔTs和阻尼转矩ΔTD两个分量。当发电机采用高放大倍数、快速励磁系统时，阻尼转矩可能会出现负值（如图中的ΔTD′），引起发电机阻尼不足，当系统发生扰动时造成发电机低频振荡。PSS的原理•在发电机的励磁控制系统中，采用ΔPe、Δω、Δf等一个或几个信号，经适当放大、相位补偿后作为励磁附加反馈控制，可以增加电力系统的正阻尼，从而阻尼电力系统功率振荡，这种用于增加电力系统正阻尼的附加励磁控制装置称为电力系统稳定器（PowerSystemStabilizer，简称PSS）。它不降低励磁系统电压调节环的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能，而对抑制电力系统低频振荡效果显著。PSS在国内外都得到了广泛应用。•因此，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。附加电磁力矩的相位Pe/ΔPe、ΔδΔwPm、ΔPa快速励磁及较高的强励倍数，可以提高电力系统暂态稳定极限。•第一位的措施是继电保护正确、快速动作，如0.1s内切除近端故障。•在0.1s内各种励磁系统作用没有明显差别。•故障切除后，快速励磁及较高的强励倍数，可以提高系统暂态稳定极限，有利于暂态稳定的恢复。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。二、励磁系统的几种主要类型励磁系统的组成：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三、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。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。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•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3.5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。励磁调节器硬件构成四、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