国电南瑞发电机励磁系统培训资料.ppt

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1、发电机励磁系统培训 国电南瑞科技股份有限公司 许其品 2012年9月,一、 励磁系统的作用与原理,三、 励磁系统的接口,二、 励磁系统的设计,四、 新一代励磁调节器介绍,1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展,1 励磁系统的主要作用,（1）维持发电机或其他控制点电压在给定水平,维持发电机机端电压 保持一定精度的自动电压调节（能力） 满足必要的快速电压调节性能（能力） 参与全厂几电网的电压控制（性能） 保证电力系统运行设备的安全。 保证发电机运行的经济性。 提高电力系统稳定性。,1 励磁系统的主要作用,1、并列运行的必要条件 并列母线电压相等

2、并列机组的总无功等于各机组无功之和 2、调差的定义 D(%)=(Ug0-Ug)/Ug100%,（2）保证并列运行机组的无功功率有序分配,1 励磁系统的主要作用,3、调差的作用 图1：有差和无差并联 图2：差小和差大的并联 结论：不同容量机组并列调差相同(以机组额定容量为基准值时，不同容量机组的调差曲线应相同)。图3,（2）保证并列运行机组的无功功率有序分配,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,静态稳定性 暂态稳定性 动态稳定性 电压稳定,1 励磁系统的主要作用,发电机输出电磁功率,发电机功角向量图,1 励磁系统的主要作用,单机双回无穷大系统,励磁控制系统对电网稳定性的影响,（3）励磁控制系统

3、对电网稳定性的影响,功角是表征电力系统稳定性重要的量，功角失稳指系统中各发电机之间的相对功角失去稳定性的现象。,系统扰动-发电机输出功率变化-转矩平衡被破坏-发电机转子角摆动 如果发电机转子角的摆动能够平息，则称它是功角稳定的，反之则是功角不稳定的。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,电力系统静态稳定性(Steady Stability)是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。 静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则

4、系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。,（A）提高电力系统的稳定性-静态稳定性,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,如左图所示，采用了自动励磁调节的发电机静态稳定运行的最大电磁功率和最大功率角都有提高。,1 励磁系统的主要作用,电力系统静态稳定性的判据是发电机输出电磁功率对功角的微分dPe/d是否大于0 。,（A）提高电力系统的稳定性-静态稳定性,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,1 励磁系统的主要作用,电力系统暂态稳定性 (Transient Stability)是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持

5、同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。 如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行方式有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间有关。,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,电力系统暂态稳定性的判据是等面积定则。,左图的功率曲线中，当功角从1变化到2时，机械输入功率PT与电气输出功率P3之间的面积正比于转子动能的变化量。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,等面积定则： 减速

6、面积和加速面积如图所示。 如图（a）减速面积加速面积，临界稳定； 如图（b）减速面积加速面积，稳定； 如图（c）减速面积加速面积，不稳定。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,故障切除时间对暂态稳定的影响,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,励磁电压响应速度对暂态稳定的影响,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,提高暂态稳定性的方法就要减小加速面积或增大减速面积。 结论有以下三种方法： 减小继电保护动

7、作时间 提高励磁控制系统励磁顶值电压倍数 提高励磁系统电压响应时间,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,电力系统动态稳定性 (Dynamic Stability)是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增长的振荡或者滑行而失步的能力。 扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂态稳定性)，但可能由于自动调节装置的配置参数不合适或其他因素，后续的振荡周期幅值不断增大并造成失步。动态稳定问题实际上是指系统在受到小的或大的扰动后，在自动调节装置和自动控制装置的影响下，保持长过程运行稳定性的能力。,1 励磁系统的主要作用,（3）励

8、磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,电力系统动态稳定性目前的主要问题是对系统低频振荡的抑制。低频振荡是发生在弱联系的互联电网之间或发电机群与电网之间，或发电机群与发电机群之间的一种有功振荡，其振荡频率在0.1-2.5Hz之间。其主要表现形式有： 系统弱阻尼时，受到扰动功率振荡长久不能平息 系统负阻尼时，系统发生扰动而振荡或系统发生自激 系统振荡模与某种功率波动的频率相同，且由于弱阻尼，引起特殊的强迫振荡 由发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态

9、稳定性,海拂勒-菲力蒲斯小信号模型,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,励磁控制系统对动态稳定的影响 Uf=K5+K6Eq 当K5 0，Mex=DAW+KA 可知： 励磁调节器放大倍数越大， KA越大， Mex幅值越大，负阻尼也越大 励磁调节器响应越快，KA越大， Mex幅值越大，负阻尼也越大,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,励磁控制系统对动态稳定的影响,电力系统的固有自然阻尼小，而使用快速励磁调节器或使用自并激可控硅快速励磁系统，又削弱了系统阻尼，甚至使系统

10、产生负阻尼。为了抑制低频振荡，在励磁系统中加入了电力系统稳定器（PSS）。 电力系统稳定器(PSS)的作用是：利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼抑制低频振荡。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,电力系统稳定器PSS的实现 附加控制输入一个与低频振荡相关的电气量，如-Pe等。经过超前或滞后的相位校正，增益放大，叠加到励磁调节环节，该附加控制分量在发电机中产生一附加转矩，使与同相。从而产生正阻尼，抑制发电机的低频振荡。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,为了抑制低频振荡，增加系统的阻尼在励磁控制

11、系统设计中加入了一个附加控制，称之为电力系统稳定器（PSS）。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,PSS1A型电力系统稳定器传递函数,常用的稳定器输入信号是转速、频率或功率。 T6用于表示了变送器时间常数，稳定器增益KS，信号冲洗(Washout 隔直)由时间常数T5设置。下一方块中A1和A2允许高频扭振滤波器（有些稳定器用）的一些低频效应被计入。随后的2个方块可允许2级领前一滞后补偿，用常数T1到T4设置。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,PSS2A型电力

12、系统稳定器传递函数,常用的稳定器输入信号是转速、频率或功率。南瑞集团电控公司选用的为功率和频率。 函数的结构和作用大致与PSS1A模型相同。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,PSS2A型试验录波曲线,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,PSS2A型试验录波曲线,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,1 励磁系统的主要作用,励磁系统维持电压稳定 电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后所有母线都持续地

13、保持可接受的电压能力。当扰动、增加负荷或改变系统条件造成渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。造成不稳定的主要因素是系统不能满足无功功率的需要。,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（D）提高电力系统的稳定性-电压稳定性,1 励磁系统的主要作用,典型的电压崩溃情况： 负荷中心大型发电机退出运行，一些高压线路严重过载，导致无功缺乏； 重载线路跳闸，导致相邻线路负荷增加，要求额外的无功。 对励磁系统的要求：提供发电机所能提供的最大无功电压调节范围；AVR内无功补偿功能使得恒定电压点向高压侧移动；采用电力系统调节器或者电网二次电压控制。,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（D）

14、提高电力系统的稳定性-电压稳定性,（3）提高电力系统的稳定性-电压稳定,1 励磁系统的主要作用,（D）提高电力系统的稳定性-电压稳定性,1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展,（1）PID算法及其实现,PID调节及其算法,按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器, 是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 比例控制：稳态时可以减少误差，提高精度，不能完全消除静差；动态时增加灵敏度，提高响应速度，但使振荡次数变多，调节时间加长，太大不稳，太小精度和灵敏度低； 积分系数可以提高稳态精度，消除静差，太大振荡次数多，调节次数增加，太

15、小调节时间长； 微分系数可以提高动态放大倍数，产生超前校正的作用，有较好改善动态特性的能力 。太大容易造成不稳定，太小限制放大倍数，动态特性变差。,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,PID调节及其算法,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,并联PID控制调节,以上为输入输出之间微分方程 Kp 一比例系数 Ti 一积分时间常数 Td 一微分时间常数,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,并联式PID算法 对于计算机控制,用差分方程代替微分方程。采用梯形积分来逼近积分,采用后向差分来逼近微分,可得PID数字控制算法。 全量式差分方程为：,2 励磁系统的控制策

16、略,（1）PID算法及其实现,串联PID控制调节,串联PID传递函数,数字化控制系统中,应使用离散法将上式转化为差分方程 ：,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,PID算法的幅频特性示意图,Tb1约为Tc1的510倍 Tb2约为Tc2的15110,2 励磁系统的控制策略,1、发电机励磁系统稳态电压方程和框图 自并励励磁系统简化 方程： 式中： 为开环放大倍数， 为闭环放大倍数,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,开环放大倍数与电压调节精度的分析,2、当发电机空载时 如果 ： 误差为：,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,开环放大倍数与电压调节精度的分析

17、,有 水轮机：Xd1.0左右 开环放大应大于200 汽轮机：Xd1.5 2.2 开环放大应大于300,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,开环放大倍数与电压调节精度的分析,（2）励磁系统限制与保护,2 励磁系统的控制策略,原因：1) 当系统发生短路等故障情况下提供机组可能的最大无功出力。 依据：2) 限制是以发电机转子绕组容许发热极限曲线为限制条件。 图一 反时限图 3)强励反时限方程设计依据 If是强励时励磁电流，IL是长期运行最大励磁电流，C是最大热量累计：33.75,强励反时限限制原理,（2）励磁系统限制与保护,2 励磁系统的控制策略,条件： 1) 在原动机出力不变的情况下

18、，由于人为的改变励磁电流大小，并致机组无功的增加。 2)在原动机出力不变的情况下，由于系统电压的变化，导致机组无功的增加。将引起同步发电机定子电流和相位的变化，进而导致定子过度发热。 3)原理及方程式,过励延时限制,（2）励磁系统限制与保护,2 励磁系统的控制策略,静稳极限功率圆 不考虑AVR的作用，=90时有： 圆心在Q轴上 半径长度为 最大进相无功为,（2）励磁系统限制与保护,2 励磁系统的控制策略,欠励磁运行可能导致二种结果： 由于励磁不足导致静态稳定的破坏 由于励磁不足并臻发电机定子端部过度发热，吸收无功，导致端部合成磁通越来越大。,欠励瞬时限制,（2）励磁系统限制与保护,2 励磁系统

19、的控制策略,发电机空载机端电压是与绕组的匝数及所链的磁通成正比的，即U=4.44fW, 因匝数是固定的，所以磁通是与V/F成正比的，因此当频率降低时，由于机端电压保持恒定，磁通会增大，与发电机相连的厂用变、升压变等磁通也会增大，造成铁心发热，以致损坏。因此需要对于V/F进行限制。,伏赫限制,同步发电机安全可靠的灭磁，不仅关系到励磁系统本身安全，而且直接关系到整个电力系统安全运行。 发电机组正常停机时：逆变灭磁。 发电机组事故停机时：事故停机灭磁，即当发电机发生内部故障，在继电保护动作切断主断路器时，要求迅速地灭磁； 在发电机发生电气事故时，灭磁系统应迅速切断发电机励磁回路，并将储藏在励磁绕组中

20、的磁场能量快速消耗在灭磁回路中。,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,由于单机组容量越来越大，灭磁能量也越来越大，耗能型灭磁已经不能满足灭磁的需要，所以目前主要采用的为移能型灭磁。,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,直流磁场断路器灭磁,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,交流开关灭磁/交流灭磁,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,交直流冗余/混合灭磁,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,灭磁时间应尽可能地短暂； 灭磁反电压不超过规定的倍数； 灭磁装置的电路和结构型式应简单可靠； 磁场断路器应有

21、足够的分断发电机转子电流能力； 灭磁系统要有足够的能容。,2 励磁系统的控制策略,灭磁设计的原则,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,常值电阻灭磁： 由上式可得灭磁电流的解析表达式： 其中：,线性灭磁,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,结论：当 时，Tm是Tdo的1/K倍，因此增大K值得有利于灭磁时间的缩短，灭磁过程中转子两端的反电动势按时间常数Tm呈指数规律衰减。,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,从以上线性电阻灭磁分析我们可以得到： 灭磁电阻阻值大，有利于加快灭磁电流衰减，但不利于转子过电压控制。 灭磁电阻阻值小，不利于缩短灭

22、磁时间，但有利于转子过电压控制。 随着灭磁电流的衰减，转子灭磁电压是变化的。,非线性灭磁,（3）发电机灭磁基本原理及分类,2 励磁系统的控制策略,非线性灭磁的思路： 使得转子反电动势（灭磁电压）保持不变。 选择一个器件：当开始灭磁电流较大时，它的电阻值较小；随着灭磁电流的衰减，电阻值逐渐变大，使其可变电阻与衰减电流的乘积尽可能保持常数。,（3）发电机灭磁基本原理及分类,1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展,3 励磁系统的调节性能,定义：发电机调压精度，指在自动电压调节器投入，调差单元退出，电压给定值不进行人工调整的情况下，发电机负载从额定视

23、在功率值变化到零以及环境温度、频率、功率因数、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，并用发电机额定电压的百分数表示。 要求：励磁系统应保证发电机机端调压精度优于0.5%。,（1）调压精度,静差率定义：发电机电压静差率（负载变化时的调压精度） ，指在自动电压调节器的调差单元退出，电压给定值不变，在额定功率因数下，负载从额定视在功率值减到零时发电机端电压的变化率。 发电机电压静差率按下式计算： E(%)=(Ug0-Ugn)/Ugn100% 式中 Ug0 -视在功率值为零时的发电机端电压 Ugn -额定视在功率值时的发电机端电压,3 励磁系统的调节性能,（1）调压精度,

24、3 励磁系统的调节性能,调节时间定义：指从给定阶跃信号到发电机机端电压值和稳态值的偏差不大于稳态值的2%所经历的时间。 式中 Ugmax发电机机端电压最大瞬时值； Ugs发电机机端电压稳态值； Ugor发电机机端电压起始值 对于空载起励情况，Ugor为零； 对于甩负荷情况，Ugor为发电机甩负 荷前机端电压值； Ts调节时间；Mp超调量。,（2）调节性能,超调量定义：超调量 Overshoot 指阶跃响应中被控量的最大值与最终稳态值之差,3 励磁系统的调节性能,（2）调节性能,振荡次数定义：振荡次数 Number of oscillation 指被控量第一次达到被控量与最终稳态值之差的绝对值小

25、于2%的最终稳态值时，被控量的波动周期次数。,3 励磁系统的调节性能,（2）调节性能,3 励磁系统的调节性能,定义：励磁系统电压响应时间，是指从施加阶跃信号起，励磁电压达到顶值电压与额定励磁电压差的95%的瞬间的时间。 式中 UfUfn=0.95(Ufc-Ufn)； Ufc最大励磁电压； Ufn额定励磁电压 要求：励磁系统电压响应时间不大于0.1s。,（3）电压响应时间,3 励磁系统的调节性能,定义：灭磁时间，是指从施加灭磁信号起，发电机励磁电流衰减到5%空载励磁电流以下的那一刻的时间。,（4）灭磁时间,1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展

26、,（1）直流励磁机励磁方式,4 励磁方式和发展,（2）三机交流励磁机励磁方式,4 励磁方式和发展,（3）无刷励磁机励磁方式,4 励磁方式和发展,（4）二机交流励磁机励磁方式,4 励磁方式和发展,（5）自并激励磁方式,4 励磁方式和发展,一、 励磁系统的作用与原理,三、 励磁系统的接口,二、 励磁系统的设计,四、 新一代励磁调节器介绍,励磁控制系统设计原则,安全、简单、可靠、动态特性优良,1、励磁系统的相关标准,3、励磁系统技术的发展,2、励磁系统设计,GB755-2000旋转电机定额和性能 IEC2A-汽轮发电机励磁系统技术条件 IEC-(秘593-1982) 关于同步电机励磁系统的若干规定

27、GB/T7409.3-大中型同步发电机励磁系统技术条件 DL/T650-1998大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 GB6450-86干式电力变压器 GB/T7064-2002透平型同步电机技术要求 SD270-88汽轮发电机技术条件 GB4208-93外壳防护等级（IP代码） JB/T7828-1995继电保护及其装置包装贮运技术条件,相关标准,1 励磁系统的相关标准,1、励磁系统的相关标准,3、励磁系统技术的发展,2、励磁系统设计,（1）励磁变压器的设计,2 励磁系统设计,式中：U2励磁变压器二次侧额定线电压； min为励磁系统强励时晶闸管触发角，计算中取为4-10： KU为励磁系统

28、电压强励倍数； Ufn发电机最大容量时励磁电压： KI为励磁系统电流强励倍数； Ifn发电机最大容量时励磁电流； XT为由励磁变压器至整流桥交流输入端之间的每相换向电抗； RT为 励磁变压器短路阻抗中电阻分量； RL为 励磁主回路线路电阻； USCR为导通两臂的晶闸管元件正向压降,：,式中,2 励磁系统设计,（1）励磁变压器的设计,：,式中：U2励磁变压器二次侧额定线电压 I2发电机最大容量时励磁电流,2 励磁系统设计,（1）励磁变压器的设计,（2）功率柜设计,散热器的选用,铝散热器 最小热阻做到0.035 K/W-0.04 K/W(风速5米/秒)左右，在停风状态下，最小能做到0.15K/W-

29、0.25K/W ，在停风后仍能维持较大的出力。 铜散热器 热阻最小能达到0.03K/W，同样风速同样热阻时，铜散热器的体积较铝散热器要小，因此对空间紧张的布置环境用铜散热器较好。缺点是重量大、造价较高，且停风后远不如铝散热器的小，一般要大2-3倍。,热管散热器 在强迫风冷条件下热阻较铝和铜要小得多，自冷时的热阻较铝和铜也小，特别适应于停风运行场合。缺点是体积大，需要有较宽松的环境。,2 励磁系统设计,功率柜出力设计,可控硅整流桥出力Id的限制条件是：整流桥中的各元件在运行中的结温不超过125。 影响结温Tj的因素包括：元件的发热功率P；元件的结壳之间的热阻Rjc；壳与散热器之间的热阻Rchs，

30、散热器的热阻Rhs，环境温度TA等. 其中发热功率P，与整流桥输出的总电流Id，元件的门槛电压VT，元件的斜率电阻RT有关，即P= f（VT， RT ，Id）。,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计,主回路交直流 侧设置隔离刀 闸，便于测试 及维护并可在 线故障检修,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计,晶闸管整流装置主回路,安装检修方便: 阻容和可控硅均能沿导轨拉出；每台风机可以单独更换，位置便于拆装；可以在并联母线带电时完成部分检修工作。 绝缘性能优良: 装置内部三相电源间采用高性能高强度阻燃聚碳酸脂板与环氧树脂（EP）玻璃纤维层压板隔离；共阴极组正极和共阳极组负极分上下层布置，相临部分同电位

31、；与大地间采用SMC (不饱和聚酯玻璃纤维增强模塑料)模压件，聚碳酸脂板，以及空气距离隔离。所用主要绝缘材料阻燃性均能达到UL94V-0级（阻燃自熄），耐热等级均能达到E级（范围超过-40C到+120C）。,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计功率柜工艺结构特点,并联阻容过电压吸收回路 高压低损耗防火防爆电容 吸收回路置于冷却风道内 阻容元件采用金属结构件电气连接 采用自建的精确化可控硅模型用于全工况 过电压吸收仿真校核,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计过电压吸收回路设计,整流柜对称布置，确保交流阻抗近似相等 晶闸管元件参数严格筛选 并联元件的通态伏安特性偏差 并联元件开通时间参数 采用门极强

32、触发及增加触发脉冲的宽度 均流系数0.9 其他措施,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计均流设计,晶闸管元件额定电压选择 ： 式中：VRRM为晶闸管反向可恢复电压 VDRM为晶闸管正向可恢复电压 U2为励磁变压器副边二次侧额定电压,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计晶闸管额定电压选择,晶闸管通态平均电流计算： 1)正常工作情况下 2)退一柜 3)退两柜 4)短时强励,2 励磁系统设计,式中：n为系统整流桥数目 Ki0、1、2、3为不同工况下整流桥并列运行的均流系数 m为整流桥数目 Kif为电流强励倍数,（2）功率柜设计晶闸管平均电流计算,晶闸管元件结温计算 ：,最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT

33、计算: 通态损耗： 式中：ITAV通过晶闸管的平均电流 VT为晶闸管导通时的门槛电压 RT为晶闸管的斜率电阻,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计晶闸管结温计算,晶闸管元件结温计算 ：,最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 晶闸管开通损耗： 式中：为晶闸管控制角 LK为单相回路交流侧电感 np为并联支路数 Pon晶闸管每次的开通损耗 f是晶闸管的开关频率,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计晶闸管结温计算,晶闸管元件结温计算 ：,最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 晶闸管关断损耗： 式中：为换流重叠角 Poff晶闸管每次的关断损耗,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计晶闸管结温计算,晶闸管

34、元件结温计算 ：,最大连续运行工况单只晶闸管损耗PT计算: 总损耗： 晶闸管的结温： 式中：R是总热阻 Rjc是结到壳的热阻 Rchs是壳到散热器的热阻 Rhs是散热器的热阻,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计晶闸管结温计算,晶闸管快熔选择计算 ：,快熔标称电压 快熔额定电流,2 励磁系统设计,（2）功率柜设计晶闸管快熔选择,1、灭磁方案的确定 确定灭磁电阻 确定灭磁最大残压 确定灭磁方案 确定灭磁主回路 2、灭磁仿真计算 确定灭磁电阻容量 根据最大分断能力要求选择磁场断路器,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,2.1 同步发电机派克(Park)方程组 为了进行分析，计及发电机转子上阻尼绕组效

35、应时，在d，q坐标轴下的Park电压方程如下 ： (1),2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,用实 际物理量 (有名值) 写出的在 d，q 坐标下的磁链： (2),2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,将式（2）代入式（1），可得(3)： (3),2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,是Simulink习惯用的微分算子 ,同步速时有 ,在方程(3)中所有定、转子的电量都用物理量(有名值) ，只是在定、转子量间引入了磁链转换因数K。注意为了区分直轴互感定子侧和转子侧不同的有名值，用Lad代表定子侧直轴互感，用Lad代表转子侧的。用Laq, Laq分别定,转子侧交轴互感. 应当指出，这里阻尼绕组的i1

36、d ,i1q,是已被换算到磁场绕组的电流，由于阻尼绕组中实际电流无法测量，这样做足以反映出它们所起的作用.,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,2.2 求解微分方程的仿真 用 MatlabSimulink 解微分方程组，下图表示求解发电机起励、空载、突然三相短路、灭磁用Simulink总结构图，它包括了式(3)。,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,S=p=d/dt 是Simulink习惯用的微分算子 , 同步速时有p=2f, 在方程 (11)(15) 中所有定、转子的电量都用物理量(有名值) ，只是在定、转子量间引入了磁链转换因数K。注意为了区分直轴互感定子侧和转子侧不同的有名值，用Lad代

37、表定子侧直轴互感，用Lad代表转子侧的。用Laq, Laq分别定,转子侧交轴互感. 应当指出，这里阻尼绕组的i1d ,i1q，是已被换算到磁场绕组的电流，由于阻尼绕组中实际电流无法测量，这样做足以反映出它们所起的作用,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,灭磁时, 图中的磁场开关FB断开,灭磁电阻R投入, 发电机磁场方程变为： 其中 =Ux是非线性电阻 R上的电压降. 假定 =1, R就成为线性电阻，对非线性电阻ZnO， =0.046， SiC =0.28-0.42, k值的选择取决于灭磁时允许的反向电压,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机三相突然短路时，转子电流及通过线性电 阻和ZnO

38、电流的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机三相突然短路时，灭磁电阻电压的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机三相突然短路时，线性灭磁电阻、阻尼绕组、转子和ZnO吸收能量的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机空载误强励时，励磁电流、d轴阻尼绕组电流及灭磁电阻电压的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机空载误强励时，灭磁电阻、转子电阻及d轴阻尼绕组吸收能量的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机空载误强励时，励磁电流、d轴阻尼绕组电流及灭磁电阻电压的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,发电机负载误强励时，灭磁电阻

39、、转子电阻及d轴阻尼绕组吸收能量的仿真波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,磁场断路器的选择 磁场断路器额定工作电压： 应大于转子上的最大工作电压 ； 磁场断路器额定工作电流： 应大于转子最大长期连续工作电流； 磁场断路器开断电流能力： 应大于转子强励电流和短路电流； 磁场断路器开断电压能力： 应大于灭磁电阻上电压和可控硅整流桥输出电压之和。,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,灭磁主回路图,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,跨接器由机械跨接器M10、电子跨接器组成； 采用线性电阻灭磁； 过压非线性电阻触发模块主要器件采用BOD； 过压非线性电阻采用ZnO电阻。,2 励磁系统设计,（3）

40、灭磁柜设计,左图为三峡机组灭磁系统示意图。正常停机采用逆变灭磁方式，逆变结束后仅跳开交流开关S102。 事故停机采用投灭磁电阻跳磁场断路器的放电灭磁方式，先跳直流磁场断路器S101，后跳交流开关S102，即直流灭磁为主，交流灭磁为辅。,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,直流磁场断路器2CEX,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,磁场断路器弧压实验波形,2 励磁系统设计,（3）灭磁柜设计,2 励磁系统设计,（4）转子过电压保护设计,四通道配置含独立手动 高性能硬件配置 全面的软件控制及通讯 电磁干扰通过严酷4级,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计总体配置

41、,采用并联PID+PSS控制模型 满足IEEE 421.5及GB7409等相关标准 符合电力系统安全稳定计算程序的模型设计,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,采用余弦移相，移相角范围10至150。,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,调节器配置PSS功能，有效抑制有功功率低频振荡。 PSS1A模型反馈信号为电功率信号，如下图所示：,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,PSS2B模型：附加的双输入反馈信号为机组有功功率、机组频率的组合，数学模型如下图所示：,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,运行控

42、制方式 u 恒机端电压闭环方式 u 恒转子电流闭环方式 u 试验开环运行方式 u 恒无功闭环方式（选用） u 恒功率因数运行（选用） u 系统电压跟踪方式（选用）,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,限制和保护功能 欠励瞬时限制 最大励磁电流限制 无功过励延时限制 最小励磁电流限制 过励(强励)限制 PT断线保护功能 V/F限制 硅柜限制 最大/最小触发角限制 顶值电流限制,2 励磁系统设计,（5）励磁调节器设计控制软件,支持远程诊断 支持OPC技术 接口标准化且对外开放 数据变量智能扩充 逻辑变量组态设计 通讯基于IEC61970-103 多通道采样示波器功能,人机交换系统结构,

43、（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计,组态式拓扑界面 控件丰富 全中文显示 人机界面友好,软件主界面,（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计, 数据显示 参数设置 检测与报警,界面显示修改,（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计,具备查询功能 存储记录1000条,故障日志模块,（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计,直观显示参考曲线 直观显示当前工况 四点拟合曲线设置,过欠励设置,（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计,24通道高速采集 实时波形显示 图形分析功能,采样示波器,（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计,多种变量循环录波 具备自动分

44、析功能 自动存储录波数据,在线录波分析,（5）励磁调节器设计监控软件,2 励磁系统设计,1、励磁系统的相关标准,3、励磁系统技术的发展,2、励磁系统设计,PSS的深化研究,研究能够在更宽频段提供正阻尼的PSS，如PSS4B 广域PSS的研究,3 励磁系统技术的发展,协调控制技术的研究,大型机组群励磁系统统一协调控制技术 励磁调速综合协调控制技术,3 励磁系统技术的发展,适用于智能电站的励磁控制技术,冗余容错及自诊断设计技术 励磁系统自身不同控制策略间的协调控制技术 同一电站不同机组之间协调控制技术,3 励磁系统技术的发展,基于高压侧电压控制的励磁控制技术研究,研究基于高压侧电压控制的励磁系统核

45、心控制技术，分析高压侧电压控制的主环控制策略以及附加控制技术，结合AVC控制技术，确定高压侧电压控制的励磁控制模式。,3 励磁系统技术的发展,电力系统次同步振荡对励磁系统的影响研究,研究串补接入和高压直流输电引起的次同步振荡的原理，找出励磁系统、尤其是快速励磁系统对其的影响机理，给出相应的数学模型和控制方法，来抑制汽轮发电机可能会发生的次同步振荡现象。,3 励磁系统技术的发展,一、 励磁系统的作用与原理,三、 励磁系统的接口,二、 励磁系统的设计,四、 新一代励磁调节器介绍,励磁系统的接口,研究串补接入和高压直流输电引起的次同步振荡的原理，找出励磁系统、尤其是快速励磁系统对其的影响机理，给出相

46、应的数学模型和控制方法，来抑制汽轮发电机可能会发生的次同步振荡现象。,一、 励磁系统的内部接口,二、 励磁系统的外部接口,以自并激励磁系统为例，解释励磁系统内部的接口。 常规的自并激励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过电压保护与灭磁装置等组成。其接线原理图如下：,励磁系统的内部接口,励磁系统的内部接口,励磁变压器,励磁调节器,整流柜,灭磁电阻柜,灭磁开关柜,转子电流,功率柜故障 同步信号,触发脉冲 启停风机,过压动作,停机令,励磁三相交流电源,起励信号,输出直流电压,励磁系统的内部接口,模拟量接口,励磁系统的内部接口,励磁系统的内部接口,开关量接口,励磁系统

47、的内部接口,脉冲信号接口,调节器 NES,开关柜 FLK,机端电压PT,机端电流CT,开入量,故障、限制、告警 电源掉电监测,485通信输出模 拟量、开关量,分合开关,开关分合闸信号,变送器输出励磁 电压和励磁电流,励磁系统的外部接口,励磁系统的外部接口,模拟量输入接口,励磁系统的外部接口,模拟量输出接口,励磁系统的外部接口,开入量接口,最多有14路开出可以根据现场需要自定义,励磁系统的外部接口,开出量接口,此外,励磁系统还有与外部的CANBUS、485或232通讯接口，通讯协议MODIBUS。,励磁系统的外部接口,开出量接口,一、 励磁系统的作用与原理,三、 励磁系统的接口,二、 励磁系统的设计,四、 新一代励磁调节器介绍,硬件的可靠性得到进一步的提升,软件的功能及冗余容错能力进一步加强,装置整体功能更加丰富、性能更加优良。 设计理