图解发电机励磁原理.ppt

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1、发电机 励磁系统原理（ 1） 水轮发电厂原理 大坝、水电厂、水轮 机、发电机定子、转 子、励磁系统 水轮发电厂转子 n=60f/P 励磁绕组 （ d轴） 阻尼绕组（ d轴、 q轴） 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 B E=4.44fN 对于发电机来说，励磁就是产生磁通 4.44:有效值系数 F:励磁条件与影响 N:机端电压影响 :与励磁电流关系 G Frequency（ f） Active Power（ P） Reactive Power（ Q） Terminal Voltage（ Ug） Governor调速 Excitation励磁 功角含

2、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 功角 Excitation System Excitation Control System Synchronous Machine Regulator Exciter Synchronous Machine Power System Blockdiagramm according IEEE 励磁系统 励磁控制系统 励磁重要概念 现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁； 发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁； 励磁系统新科技 现在励磁控制系统规律 大多采用传统经典控制

3、理论： PID+PSS 励磁控制系统科研主要内容： 电力系统稳定器 PSS；线性最优控 制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律 （清华大学 ） 。 励磁控制系统新科技 电力系统励磁控制发展过程： PID 控制； PSS 控制 线性最优控制 LO PSS （ Linear Optimal Control） 非线性最优控制 NO PSS （ Nonlinear Optimal Control） 非线性鲁棒控制 NR PSS （ Nonlinear Robust Control） PID励磁控制理念 K VG 控制 K 1 20 s51 80 VG s s s sG 51 1 100 51 80

4、 20)( 如 K=100 Generator U , I f f U , I E E Voltage Regulator AVR 110 V DC 400 V AC Potential Transformers Current Transformers Output of Excitation System Main Exciter 自并励励磁系统 For Example 励磁机他励与自并励 IGBT 他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等； 自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措 施保证强励能力。 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

5、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 调 辅助 整流柜（功率柜） 直流灭磁 灭磁 节 控制 制动整流柜 开关柜 电阻柜 器 柜 （柔性制动） S101 S106+S107 三峡电厂右岸 励磁系统 完全柔性制动系统 THYRIPOL 直流励磁机系统（开关励磁） 同轴 PT LL Q Rc FM K * L FL Q F CT 自动励磁调节器 开关式励磁调节器的优点是： 结构紧凑，体积小，且励磁

6、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。 交流励磁机系统（三机它励） 组成： 交流主励磁机（ ACL）和交流副励磁机（ ACFL）都与发电机同 轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。 也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。 优点： 它励，励磁电源不受系统电源的影响 缺点： 调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡 同轴 自幷励 静止 有刷励磁 静止 无刷励磁系统 旋转 自并励磁系统 励磁装置就是提 供发电机磁场电流 的装置，包括所有 调节与控制元件， 还有磁场放电或灭 磁装置及保护装置

7、励磁控制系统是 包括控制对象的反 馈控制系统 整流器输入开关 的定义：灭磁开关 国标 2倍 +80%=2.5;三峡 2.5+80%=3.125;1000V,OK） 励磁对动态稳定的影响 单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型 （菲利普斯 -海佛曼模型）（ F. P. deMello and C. Concordia. ） 发电机转子运动方程： 、 、 。 K1主要是同步力矩环节； D转 子阻尼环节； K4发电机去磁电 枢反应； K5励磁正负阻尼系数； K2和 K6主要是励磁阻尼力矩环 节。 K5为正，这时 AVR的作用是引 入了一个负的同步转矩和一个 正的阻尼转矩，有利于动态稳 定； 当发电机

8、与系统的外接电抗较 大，并且发电机的输出功率较 高时，系数 K5为负，这时 AVR的 作用是引入了一个正的同步转 矩和一个负的阻尼转矩不利于 动态稳定； 功角稳定比喻 腕中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的 位置。如果这个腕的高度很矮，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。提高腕的高 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

9、变这个腕的坡度，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。 当腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中滚动幅度 大且时间长。动稳定影响到电力系统阻尼，就如同影响这个碗 中的摩擦系数一样，正阻尼就是增大摩擦系数，负阻尼减少摩 擦系数。当这个球在滚动中，如果有一个外力在其上升时帮助 其上升，在其下降时帮助其下降，这个球的滚动幅度就越滚越 大，反之就越滚越小并最终停下来。 PSS的作用就是增加阻尼。 励磁负阻尼比喻：荡秋千 在荡秋千中，我们停止外力，秋千就会在摩擦系数的作 用下慢慢停下；当我们外加使秋千停下来的外力，它 就会马上停下；当我们外加使这个

10、秋千荡起来的外力， 它就越荡越高。 电力系统的动稳就像荡秋千一样，励磁负阻尼，就产生 一个使秋千荡起来的外力，励磁正阻尼产生一个使秋 千停下来的外力。 比较这两个外力，主要的问题就是作用在秋千上的时间 不同，由于发电机转子的电感，励磁对秋千所产生的 外力总是滞后，正是这种滞后效应造成励磁负阻尼。 如果我们用 PSS的超前环节来校正这个滞后作用，励 磁的负阻尼就变为正阻尼，这就是 PSS的原理。 励磁产生负阻尼的原因 阻尼（正、零、负） VS惯性 动态稳定 可以理解为 机电振荡的阻尼问题 。 AVR造成阻尼变弱 、 甚至变负 （ K5变负 )。 在 定的运行方式及励磁系统参数下， AVR在维 持

11、 Ug恒定的同时，会产生负的阻尼作用 。 扰动前后： P 1 摆动 阻尼 2 稳定 传统励磁：低增益慢速（没有能力管闲事） Ug AVR 作用小、反应慢 Uf小 If小 P（力矩 象限不明） 对 影响极小。 现代励磁：高增益快速（管闲事帮倒忙） Ug AVR 作用大、反应快 Uf大 If大 P（力矩 第二象限） 产生负阻尼使原来的阻尼变小，对 负面影响。 AVR+PSS:高增益快速 +附加控制系统（管闲事帮正忙） Ug AVR 作用大、反应快 Uf大 If大， P（力矩第 一象限） 产生正阻尼使原来的阻尼变大，对 正面影响。 电力系统低频振荡 本机振荡模式 地区性振荡模式（ local mod

12、el）： 频率一般在 0.5 2.0Hz； 区 域 间 振 荡 模 式 （ interarea model、 tieline model） ： 频率一 般在 0.1 0.5Hz） 。 小系统： 0.5 2.5Hz； 大系统： 0.2 2.5Hz； 全国联网： 0.1 2.0Hz； 解决励磁产生负阻尼，造成系统产生低频振荡的方法是附加控 制，即电力系统稳定器，线性最优励磁控制器，各种智能控制器 。 依据 F.D.迪米洛和 C.康柯迪亚理论设计的电力系统稳定器 (Power system stabilizer)，简称 PSS，即为抑制系统低频振荡和提高电 力系统动态稳定性而设置的。 电力系统稳定器

13、原理 建立 平面坐标系 T1：励磁产生的电磁力矩 T2： PSS产生的电磁力矩 PSS:附加励磁控制信号 AVR(PID) PSS产生的电磁力矩 PSS输入信号 、 、 Pe、 P、 f 测量轴转速 ，测量和处理比较复杂 , 轴系扭转的处理更加困难，使用较少 测量过剩功率 P， 测量和处理更加复杂 ,输入信号多，使用也少 测量电功率 Pe，在 假定机械功率不变的情况下，可以得到过剩功率 P，使用广 泛， 效果不错。但在原动机功率变化时会出现反调现象。 测量机端电压频率 f， 克服了 测量处理上的困难，但由于发电机电抗的影 响， f与频差 不完全一致，因而效果上稍差 。 PSS模型简介 输入量、

14、优缺点、反调 加速电功率型 PSS PSS1A PSS2A PSS2B 投退 PSS负载阶跃试验录波 时域分析 国外发生“低频振荡” 实 例 96年 8月 10日，当天美国 WSCC处于水电大发 , 向南输送很重的负荷 . 由于一条 500Kv联络线故障断开 , 潮流转移使得局部地区电压偏低 , 此时一个水电厂 13台机组由于励磁误动而相继断开，系统出现了 0.24Hz左右的增幅低频振荡，使系统失去稳定 ,解列成数个小系统。 值得特别注意的是加拿大 Powertech Lab Inc.公司事后作的仿真研究 证明，如果把南加卅 (系统受端 )一台机组 PSS参数重新调整，另一台 机组的 PSS由

15、退出状态改成投入状态，则上述负阻尼增幅振荡不会 出现。上图为实际录波曲线，下图为仿真曲线。 国内发生过许多次“低频振荡” （ 1） 1998年 7月，川渝电网二滩电厂机组与系统发生低频振荡，导致 机组跳闸，见图 4 3。其后，因过磁通限制动作，错误地将 PSS退 出（系调节器设计逻辑所致），又发生过多次低频振荡，但未造成 系统事故。 国内发生过许多次“低频振荡” （ 2） 2003年 2月 23日、 3月 6日和 3月 7日的上午 7时至 8时间，在南方电 网的云南至天生桥（罗马线）、天生桥至广东、广东至香港的联络 线上，出现过 5次低频振荡。图 4-4为 2月 23日的罗马线功率的录波图。 经过分析和研究，这些低频振荡都是励磁系统的负阻尼作用引起的， 在当时的运行方式下，罗马线功率大于 630MW时，就会出现低频增 幅振荡。分析和研究还表明，只要在相应的机组上配置电力系统稳 定器，就可以制止这种低频振荡的发生。 国内发生过许多次“低频振荡” （ 2）