发电机励磁系统讲座

发电机励磁系统讲座武汉大学程远楚教授第一节励磁系统的构成励磁调节器励磁功率单元发电机输入信号电力系统励磁系统供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。第一章概述•励磁系统在电力系统中的作用为：•根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值。•控制并列运行各发电机间无功功率分配。•提高发电机并列运行的静态稳定性。•提高发电机并列运行的暂态稳定性。•在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。•提高继电保护的灵敏度。•根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。•改善电力系统的运行条件。第二节励磁系统的作用发电机励磁控制系统的任务1．电压控制在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机端电压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。相关指标：调压精度：是指在自动励磁调节器投入运行，调差单元退出，电压给定值不进行人工调整的情况下，发电机负载从零变化到视在功率额定值以及环境温度、频率、电源电压波动等在规定的范围内变化时，所引起的发电机端电压的最大变化，常用发电机额定电压的百分数表示。发电机调压静差率：调压静压率定义为自动励磁调节器的调差单元退出，电压给定值不变，负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压变化率，它可由下式计算：%1000GNGGUUUE发电机励磁控制系统的任务2.控制无功功率的分配当发电机并入电力系统运行时，它输出的有功决定于从原动机输入的功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关。在发电机并入无穷大电网运行的情况下，调节励磁电流将改变发电机输出的无功。实际运行中，发电机并联运行的母线不会是无穷大母线，这时改变励磁将会使发电机的端电压和输出无功都发生改变。但一般来说，发电机的端电压变化较小，而输出的无功却会有较大的变化。保证并联运行的发电机组间合理的无功分配，是励磁系统的重要功能。在研究并联运行发电机组间的无功分配问题时所涉及的主要概念之一是发电机端电压调差率。所谓发电机端电压调差率是指在自动励磁调节器调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机的无功负载从零变化到额定值时，用发电机端电压百分数表示的发电机端电压变化率，通常由下式计算：%100(%)0GNGrGUUUD发电机励磁控制系统的任务3．提高同步发电机并列运行的稳定性暂态稳定是指电力系统在受到大扰动，例如高压输电网络中发生短路，或一台主要发电机被切除，此时系统将发生较强烈的振荡，一些同步发电机也可能失步。这种情况下的稳定问题，即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状况下稳定工作，称为暂态稳定问题。扰动的另一种形式是负荷随机地发生小的变化，即所谓小干扰。同步发电机在小干扰下的稳定问题,称为静态稳定问题。动态稳定则是指电力系统受干扰后（包括小干扰和大干扰），在考虑了各种自动控制装置的作用情况下，长时间的稳定性问题。（阻尼问题）励磁调节可有效地提高电力系统的静态稳定性，并在一定程度上改善暂态稳定性（提高强励顶值倍数），但可能引入负阻尼，引发低频振荡。PP03120900图3-5调节励磁对功率特性的影响发电机励磁控制系统的任务4．提高继电保护动作的灵敏度当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁对发电机进行强励，不仅有利于提高电力系统稳定性外，还因加大了电力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度得到提高。发电机励磁控制系统的任务5．快速灭磁当发电机或升压变压器（采用单元式接线）内部故障时，为了降低故障所造成的损害，要求这时发电机能快速灭磁。此外，当机组甩负荷时，发电机机端电压会异常升高，对于水轮发电机尤其如此，当水轮发电机发生甩负荷时，由于机组惯性时间常数较大，发电机会产生较严重的过速，对采用同轴励磁机的发电机来说，它的端电压正比于转速的三次甚至四次方。因此，甩负荷可能造成发电机严重过压。为防止发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度，也要求励磁系统有快速灭磁能力。发电机励磁控制系统的任务6．改善电力系统的运行条件前面已谈到，维持发电机端电压的恒定有利于维持电力系统的电压水平。当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地增加励磁以提高系统电压。从而可以改善电力系统的运行条件。（1）．改善异步电动机的自起动条件（2）．为发电机异步运行创造条件（3）．减少重负荷合闸时的电压下降（4）．重负荷跳闸时，减少系统电压的上升第三节对励磁系统的基本要求1．对励磁功率单元的要求（1）．要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量，并留有一定的裕量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。（2）．具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。前面已经提到，从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。第三节对励磁系统的基本要求2．对励磁调节器的要求（1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平，并有足够的电压调节范围。（2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整：半导体型的为±10％；电磁型的为±5％。并能随系统的要求而改变。（3）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区。（4）励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。（5）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。（6）励磁调节器应具有高度的可靠性，并且运行稳定。这在电路设计、元件选择和装配工艺等方面应采取相应的措施。（7）励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。（8）励磁调节器的时间常数应尽可能小，响应速度快。（9）励磁调节器应结构简单、检修方便，并应尽量做到系列化、标准化、通用化。励磁系统他励式励磁系统自励式励磁系统直流电机励磁系统(直流励磁机)整流器励磁系统交流励磁机自并励系统自复励系统谐波励磁系统静止整流器励磁系统旋转整流器励磁系统交流侧复合的自复励系统直流侧复合的自复励系统按整流器是否旋转分按供电方式分按整流器是否旋转分按功率引取方式分按复合位置分第三节励磁系统的分类励磁系统的典型型式1.直流励磁机励磁系统1960年以前，同步发电机励磁系统的励磁功率单元，一般均采用同轴的直流发电机，称为直流励磁机．励磁控制单元则多采用机电型或电磁调节器．随着电力系统的发展与同步发电机单机容量的增大，这种励磁系统已不能适应现代电力系统和大容量机组的需要，直流励磁机的励磁功率和响应速度及励磁电压顶值不能满足要求。自动励磁调节器*LLQRCLFMKFLQFCTPT图3－7直流励磁机系统接线原理一自动励磁调节器*LLQRCLFMKFLQFCTPT图3－8直流励磁机系统接线原理二FLLMK励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统直流励磁的换向器是影响安全运行的薄弱环节，也是限制励磁机容量的主要因数。因此，自六、七十年代开始，较大容量的发电机都不再采用直流励磁机而改用交流励磁机。交流励磁机系统与直流励磁机系统一样，根据励磁机的励磁方式不同，可分为它励和自励交流励磁机系统。按整流是静止或是旋转、以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：（1）交流励磁机（磁场旋转式）加静止硅整流器；（2）交流励磁机（磁场旋转式）加静止可控硅；（3）交流励磁机（电枢旋转式）加旋转硅整流器；（4）交流励磁机（电枢旋转式）加旋转可控硅。励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统它励交流励磁机励磁系统自动励磁调节器*ACFLACLFLQFCTPT图3－9交流励磁机系统接线原理一*自励恒压装置励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统自励交流励磁机励磁系统（1）自动励磁调节器*ACLFLQFCTPT图3－10交流励磁机系统接线原理二励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统自励交流励磁机励磁系统（2）自动励磁调节器*ACLFLQFCTPT图3－11交流励磁机系统接线原理三自励恒压装置励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统间接自励交流励磁机励磁系统自动励磁调节器*ACLFLQFCTPT图3－10交流励磁机系统接线原理二励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统无刷励磁系统自动励磁调节器ACLFLQFCTPT图3－12无刷励磁系统接线原理PMG励磁系统的典型型式3.静止励磁系统静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机式励磁方式相比，在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果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压器（或串联变压器），二者结合起来，则构成所谓自复励方式。结合的方案有下列四种：（1）．直流侧并联自复励方式；（2）．直流侧串联自复励方式；（3）．交流侧并联自复励方式；（4）．交流侧串联自复励方式；励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（1）自并励方式自动励磁调节器FLQFCTPT图3-13自并激励磁系统接线原理ZB励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（2）直流侧叠加的自复激方式自动励磁调节器FLQGLHCTPT图3－14自复激励磁系统接线原理一ZBFGZKZ励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（3）交流侧叠加的自复激方式（1）FLQGLH图3－15自复激励磁系统接线原理二ZBFGZX励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（3）交流侧叠加的自复激方式（2）自动励磁调节器FLQGLHCTPT图3－16自复激励磁系统接线原理三ZBFKZ第二章静止励磁系统•发电机静止励磁系统通过可控硅整流桥控制励磁电流，达到调节同步发电机电压和无功功率的目的。•其主要分为四个部分：①励磁变压器；②励磁调节器（AVR）；③可控硅整流器；④起励和灭磁单元；•如下图所示：发电机静态励磁系统原理图励磁变励磁调节器整流器灭磁单元调节器测量元件RE~-G31EXCITATIONTRANSFORMERARCNETFIELDBUSUBATT.-R06-R02-G32-T02MUBCOBFIO2PSI1PSI2EXTERNALI/OADMUBCOBINTERNALI/OAD-F04-C04-C05PULSEBUS-G33-G34FIO13LCPREF-F75SPA-F02MOPTION:CMTTOOLWITHFIBRECABLE-T0524VDCSUPPLYBUS-F05-G05DC-G15-Q15-Q05AC70AdvantController70AIOAnalogInputOutputInterfaceCDPConverterDisplayCINConverterInterfaceCOBControlBoardCUSCurrentSensorDIIDigitalInputInterfaceEGCExtendedGateControllerFBCFieldbusCouplerFCFieldCommunicationInterfaceFIOFastI/OGDIGateDriverInterfaceLBILocalBusInterfaceLCPLocalControlP