MW发电机励磁系统

1第六章600MW发电机励磁系统2主要由励磁功率单元和励磁调节器(AVR装置)两大部分组成，其框图如图所示。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。励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和由给定的调节准则，控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁控制系统。同步发电机的励磁系统(GEX)3一、励磁系统主要作用励磁系统的主要作用有以下几点：(1)根据发电机负荷变化，相应地调节励磁电流，以维持机端电压为给定值。(2)控制并列运行各发电机间的无功功率分配。(3)提高发电机并列运行的静态稳定性。(4)提高发电机并列运行的暂态稳定性。(5)在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。(6)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。4二、励磁系统暂态性能指标评价励磁系统对严重的暂态过程所表现的性能，常用的技术指标有：强行励磁顶值电压倍数、励磁电压上升速度(电压响应比)、励磁电压上升响应时间。1．强行励磁顶值电压倍数在强励作用下，励磁功率单元输出的最大励磁电压(顶值电压UFmax)与额定励磁电压UFN的比值，可用下式表示Ku=UFmax/UFN(6－1)式中：Ku——稳态顶值电压倍数，又称强励倍数。5现代同步发电机励磁系统，强励倍数一般为1.5—2.0。强励倍数越高，越有利于电力系统的稳定运行。强励倍数的大小，涉及制造成本等因素。大容量发电机受过载能力约束，一般承受强励倍数能力较中小容量发电机低，但在电力系统稳定性要求严格的场合，即使是大容量发电机，也应按需要选取较高的强励倍数。62．励磁电压上升速度——电压响应比励磁电压上升速度定义为：当强励作用时，在时间间隔为励磁机等效时间常数TE之内，顶值励磁电压与额定励磁电压差值(UFmax—UFN)的0.632倍的平均上升速度对额定励磁电压UFN之比，称为“电压响应比”，可用公式表示为：式中TE——励磁机等效时间常数。7对于励磁电压按指数规律上升的特性，电压响应比的含义如图6—3所示(用标么值表示)。在强励作用后第一个TE的瞬时，励磁电压从UFN已上升到差值(UFmax一UFN)的0.632倍。则直线ab的斜率tanβ就是励磁电压响应比。图中：Ku——稳态顶值电压倍数，又称强励倍数。Ku=UFmax/UFN8励磁电压上升响应时间其定义是：励磁电压从额定值UFN上升到95％UFmax的时间，称为励磁电压上升响应时间。对于响应时间≤0.1s的励磁系统，通常称其为高起始响应励磁系统。我厂励磁方式：高起始响应的自并励静止励磁系统。9三、对600MW机组励磁系统的性能要求(1)励磁能源应满足发电机正常运行或各种故障工况下的需要。(2)保证发电机运行的可靠性和稳定性。(3)应能维持发电机端电压恒定并保证一定的精度和并联机组间稳定分担无功功率。(4)具有一定的强励容量，要求强励倍数为2倍时，响应比为3.5倍／S。(5)在欠励区域保证发电机稳定运行。(6)对于机组过电压、过励磁具有保护作用。(7)对于机组振荡能提供正阻尼，改善机组动态稳定性。10励磁系统：（2×600MW超超临界汽轮发电机自并励静止励磁系统）额定励磁电压：421.8V额定励磁电流：4128A空载励磁电压：144V空载励磁电流：1480A励磁绕组时间常数T’d0：8.724s强励顶值电压：2倍额定励磁电压（机端电压为80%时）电压响应比：3.58倍额定励磁电压/s允许强励持续时间20s114)晶闸管型号DC21MG01（GE订制）5)晶闸管通态平均电流3000A6)晶闸管正反向重复峰值电压4400V7)单桥长期输出能力3000A8)单桥强励输出能力5500A/20S9)功率柜噪音≤75dB10)整流柜结构冷却方式强迫风冷（AF）12灭磁及转子过电压保护装置1)灭磁方式逆变+线性电阻2)灭磁开关直流灭磁开关13调压特性与多机间无功功率分配调整发电厂母线电压是电力系统调压的一个重要手段。当系统调度给定了发电厂母线电压曲线或无功负载曲线后，保证维持给定的母线电压水平和稳定合理地分配机组间的无功功率，就是各个机组自动励磁调节装置的任务。一、发电机的调压特性发电机正常运行时，由于在同步电抗Xd上产生压降，若保持励磁电流为某一定值不变，则发电机端电压将随负荷电流的变化而变化。汽轮发电机在额定负载功率因数(电感性)和额定励磁电流下，从空载到额定负载时，电压变化一般达额定电压的30％一50％或更大。14发电机负荷变化时，端电压的变化主要是由定子电流无功分量ⅠQ变化引起(因发电机电阻很小，电抗大)。一般用UG=f(IQ)特性曲线，来分析带自动励磁调节器的发电机电压调节问题，并称UG＝f(IQ)特性曲线为发电机的电压调节特性(亦称调压特性)。15图为具有下倾直线的发电机电压调压特性。特性曲线UG＝f(IQ)的倾斜度通常用调差系数δ表示。调差系数定义为，当负荷无功分量电流IQ从零增加到的额定值IQN＝IGNsinφN时，发电机电压的相对变化值，001000NNUUU式中；Uo－发电机空载电压，UN－发电机额定电压。16图二、所示为发电机调压特性(也称调节特性)的三种类型。发电机端电压随无功电流增大而降低的，δ0称为正调差特性；发电机端电压随无功电流增大而升高的，δ0称为负调差特性；发电机端电压不随无功电流变化，而一直保持不变的，δ＝0称为无差特性。前两种δ≠0的统称为有差调节特性。17根据图6—5所示的有差调节特性，当发电机电压为任一值时，相应的无功电流IQ，可按相似三角形定理得出为其标么值表示为其标么值表示为1819大机组，都采用发电机一变压器组单元接线，右图表示两台发电机G1及G2分别经升压变压器T1及T2在高压侧母线上并联运行。为了简化讨论，先假定两台发电机的调差系数均为零，同时忽略电阻，只考虑电抗，并把高压母线电压UB、变压器电抗XT，电流均折算到发电机电压侧，并用标么值表示，则发电机电压UG与高压母线电压UB有如下关系二、发电机经升压变压器后并联工作时的无功功率分配20发电机为空载时，UB＝UG。发电机带上负荷电流时，因假设发电机是无差调节特性，机端电压UG不随负荷电流而变化，则母线电压UB，将随负荷电流IQ增大而下降，UB＝f(IQ)是正调差特性。也就是，从母线侧看，每一单元接线的等值机具有正调差特性。21从以上分析可知，发电机经升压变压器在高压母线上并联运行时，即使发电机是无差特性，也能保证各发电机间无功负荷分配的稳定性，但系统总无功改变时，高压侧母线电压随负荷变化比较大。因此，为了保证高压母线电压维持在所希望的水平上，即补偿负荷电流IQ在变压器电抗上的压降，这就要求发电机具有适当的负的调差系数。发电机负调差系数的取值与变压器的漏抗压降有关。22为保证机组间无功分配的稳定性，必需使发一变组单元的调差特性，即变压器高压侧母线上的调差特性UB＝f(IQ)适当向下倾斜，即具有一定的正调差系数，如前所述，为使并联运行于高压母线上的各发一变组单元合理地分配无功负荷，则它们(各单元等值机)应具有相同的调差系数。所要求的调差系数值，需通过各发电机本身的自动励磁调节装置中的调差单元的调整来达到。23第三节600MW发电机励磁系统600MW汽轮发电机的励磁电流约为4000—6000A，已不可能采用同轴直流励磁机来供给。因此，对大容量汽轮发电机的励磁，只能采用交流电源，经硅整流后供给励磁系统。根据交流电源的来源不同，大体可分为以下两大类。第一类，交流电源来自与主机同轴的交流发电机，经整流后，供给主机的转子绕组。此交流发电机称为交流励磁机。这类励磁系统，按整流器是静止还是随发电机轴旋转，又可分为静止硅整流和旋转硅整流两种。24而旋转硅整流励磁方式，由于其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，不需要经过转子滑环及炭刷引入，故又称其为无刷励磁方式。第二类，交流电源来自接于发电机出口的变压器(称为励磁变压器)，经硅整流后供给发电机励磁。在这种励磁系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故又称其为全静态自励磁系统。全静态自励系统，也有两种不同的方式。如果只用励磁变压器并联在发电机出口，则称为自并励方式。25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流器(或称串联变压器)，两者结合起来共同供给励磁电流，则构成所谓自复励方式。此外，还有一种较新型的励磁系统，其励磁电源不同于上述两类，而是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、整流器整流后，供给发电机的励磁绕组。这种励磁系统仍属于一种自励方式。600MW级及更大容量机组的励磁系统，用得最多的是：他励无刷励磁(旋转硅整流)和自并励方式两种。26表6—1列出部分进口机组的励磁系统及有关参数，表6—2列出部分国内外大型汽轮发电机励磁系统主要指标。272829一、旋转硅整流励磁系统1．有副励磁机的无刷励磁系统图6-7为有副励磁机的无刷励磁系统的原理接线图。发电机G的励磁电流，由同轴交流励磁机EX，经硅二极管整流器SR整流后供给，而主励磁机的励磁电流，由永磁发电机(称为副励磁机)输出，经晶闸管整流器SCR整流后供给。30交流励磁机与通常的交流发电机结构不同，其直流励磁绕组(磁极)是在定子上，而作为转子的三相交流绕组，则与硅二极管整流器和发电机的励磁绕组均装在同一转轴上。因此，交流励磁机的输出经整流后，就可直接送人发电机励磁绕组，中间不再需要滑环和电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。31发电机励磁电流的控制，是利用自动电压调整器(AVR)，控制晶闸管SCR的导通角，从而控制了交流励磁机的励磁电流，使其输出发生变化，就可达到控制发电机励磁电流的目的。在这种励磁系统中，由于交流励磁机的励磁电流由永磁发电机提供，因此不需要外界电源来起励，运行独立性好，可靠性高。322．无副励磁机的无刷励磁系统无副励磁机的无刷励磁系统原理接线如图6—8所示。发电机G的励磁电流由交流励磁机EX经旋转硅整流装置供给，而励磁机EX的励磁电流，由接于发电机出口处的励磁变压器EXT，经晶闸管(SCR)整流后供给。电压互感器TV输出电压信号，经自动电压调整器AVR，控制SCR的触发角，以对主励磁机EX的励磁电流进行调整。33这种无刷励磁系统与图6—7系统比较，其优点是取消了副励磁机，缩短了发电机轴长，可节省基建投资。但缺点是不能自激，因为励磁机的励磁电流由发电机出口的励磁变压器作电源，当机组起动后，转速接近额定值时，发电机剩磁产生的电压(称残压)较低，一般约为(1％一2％)UN，可控硅不能开放，还不能使励磁调节器正常工作。所以，在机组起动时，必须给励磁机外加起励电源。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。34GEC-A公司的无刷励磁系统就是这种系统(见图6-8)，其无刷励磁机结构示意如图6-9所示。35其特点是，转动部分是电枢，静止部分是磁极，即电枢铁芯2、电枢绕组3、二极管整流系统均固定在一个铁的护环5的内侧，护环的一侧被封闭起来，作为联轴器板，悬臂式地安装在发电机轴端。交流励磁机的磁极，则固定在励磁机的外端盖上，因此整个励磁机结构不需要额外的轴承。另外，励磁机还装有一些监测保护装置，例如：①旋转二极管熔断器熔断的监测器(见图6-9中6)，当一只二极管开路时，发出报警信号，当同一相第二只二极管又故障时跳开发电机；②转子接地故障指示器等。整个励磁机采用密封氢冷。3637二、同轴交流励磁机静止晶闸管整流励磁系统同轴交流励磁机静止晶闸管整流励磁系统的原理接线如图6—10所示。发电机G的励磁电流，由交流励磁机EX，经静止晶闸管整流器(SCRl)整流，再经电刷和滑环送人。38交流励磁机的励磁，一般采用晶闸管自励恒压方式，通过TV2、VR2、SCR2供给，使发电机在各种运行工况下，励磁机的出口电压总是自动保持在发电机强励顶值电压的水平上。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。39同轴交流励磁机静止晶闸管