毕业论文（设计）发电机励磁系统的选型技术.doc

发电机励磁系统的选型技术刘绍华（湖北 赤壁市 陆水自动化技术研究所 437302）文摘 励磁系统是发电机组重要的辅助设备，本文从励磁方式、励磁调节器、通道结构、励磁变压器、起励灭磁等方面阐述励磁的选择问题。微机型励磁调节器已成为同步发电机励磁调节器的主流，本文还介绍了微机型励磁调节器的主要先进技术。主题词 励磁系统 自并励 微机励磁调节器 励磁变压器  起励 灭磁   励磁系统是发电机组重要的辅助设备，其主要任务是向同步发电机的的励磁绕组提供一个可调的直流电流（电压），控制机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要，同时控制发电机组间无功功率的合理分配，以满足电力系统安全运行的需要，它对提高了电厂的自动化水平，提高发电机组运行的可靠性，提高电力系统稳定性有着重要的作用，因此，正确选择励磁设备也就致关重要。1 励磁方式的选择    在发电机的各种励磁方式中，自并励方式以其接线简单，可靠性高，造价低，电压响应速度快，灭磁效果好的特点而被广泛应用。    随着电子技术的不断发展，大容量可控硅制造水平的逐步成熟，发电机采用自并励励磁方式已成为一种趋势，对于大型机组业界人士也越来越倾向于采用自并励方式。    一般说来，自并励励磁的价格比同容量的直流励磁机还要低，但其调节范围、控制速度、抑制甩负荷时过电压的能力等等性能则是老式励磁无可比拟的。新建的中小型电站，也大多采用自并励方式，取消了常规的直流励磁机，以简化发电机的轴系统，减低厂房高度，减少工程造价，减少噪音，同时提高自动化水平。改造时，由于自并励最为简单经济，通常被优先考虑。    对于在发电机出口或近端短路时自并励的可靠性问题，大型机组已由封闭式母线和快速继电器给予了保证，中小型电站可配以带电流记忆的低电压过电流后备保护来解决。近二十年来，美国、加拿大对新建电站几乎一律采用自并励励磁系统，加拿大还拟将火电厂原交流励磁机励磁系统改为自并励励磁系统。2  励磁调节器   发电机励磁调节器是励磁装置的控制核心，它的发展经历了机电型、电磁型、晶体管分立元件型、模拟运算放大器型以及微机型几个阶段。   目前，我国中小型水电站的励磁大都采用微机调节器，少量采用模拟运算放大器为核心的励磁调节器，老式的分立元件电路已逐步被淘汰。近年来，微机型励磁调节器已成为同步发电机励磁调节器的主流。   模拟运算放大器式励磁调节器，有着调压精度高（ 0.5% - 1%）、调压范围宽（10%-120%）、直观容易熟悉等特点，对于中小型电站来说，在今后的一段时期内仍然具有吸引力。   模拟式励磁调节器也有一些缺点和不足：功能少；调试麻烦，各主要参数需定期校正，维护工作量大；因元件的分散性影响了脉冲的对称性；因电路的积累误差影响到各工况的线性对称等等。随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组及电力系统对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了愈来愈高的要求，致使常规模拟式励磁变得过份复杂甚至力不从心。相应地，励磁控制在理论和实践上也在不断更新、发展和完善，我国从80年代初开始研制微机式励磁调节器，经过10多年的努力，设计、生产和运行方面已积系了丰富的经验，微机式励磁调节器在生产运行中都显示了优良的性能。九十年代以来，微机型励磁调节器在中小型机组也得到了广泛应用得到了迅猛发展和广泛应用。   与模拟式励磁调节器相比较，微机式励磁调节器的优点是：（1）可以实现模拟式励磁调节器难以实现的与动态响应相结合的PID控制规律、PSS电力系统稳定器、非线性控制、自适应控制及模糊控制等控制规律；（2）调节准确、精度高，在线改变参数方便；（3）可靠性高，无故障工作时间长；（4）系统功能组态灵活、操作简单、维修和试验智能化，实现电站综合自动化智能化，实现“无人值班少人值守”（5）通信方便，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。   交流采样技术是九十年代微机励磁取得的重大技术突破之一，它利用微机强大的计算能力，对交流电量进行直接采样，完成电量测量功能，电量测量是励磁快速性、可靠性、多功能性的重要基础组成部分：一方面，交流采样测量的电量齐全、快速，励磁系统对这方面要求犹为重要，测量电量的反映速度是励磁动态指标的基础，只有测量反映速度快，励磁才能及时强励或强减；测量电量齐全是软件调差、励磁欠励限制、过励限制、PSS控制规律、恒无功功率控制、恒功率因素控制的等功能的基础；另一方面，交流采样技术的测量硬件极为简单（仅电量隔离），运行可靠，由于无需对波形进行变换，这样，彻底取消了常规的非交流采样技术的整流滤波、功率变换等波形变换的复杂电路，以往这些环节正是影响可靠性、调试维护的重点难点所在。   影响励磁调节器可靠性、调试维护的重点难点之一还有脉冲移相电路，微机式励磁调节器采用微机软件移相技术，利用软件中断方法进行控制角延时和分相触发方式，软件中断分相、测频，根据频率变化，软件调整延时计数值，可达到与发电机严格同步，这种微机脉冲移相技术，有着其他移相脉冲电路无可比拟的优点：移相的精度、稳定性、对称性有极高精度和稳定性的石英晶体作保证，触发脉冲对称度好，晶闸管输出电压流形非常整齐；移相由微机内部软件完成，有极高的抗干扰能力；硬件仅有同步变换和脉冲放大环节，无电位器，无需调整，大大简化了电路结构。   智能故障诊断是微机励磁的另一大特点。优秀的微机励磁调节器其智能故障诊断功能可以完成数十个故障详细的识辨和避错，如它可以PT断线是那一相，脉冲丢失是那一桥的那一臂，那一连接器没连好等等。故障信号以多种方式告知：以指示灯、故障码方式、语音在现地显示；以串行口方式与监控系统通讯，实现汉字和语音方式告知；重要信号以继电器方式直接作用与相关回路。   多功能是微机励磁的一大优势，除智能故障诊断外，微机励磁可以实现多种控制规律的运行方式、可以通过串行口，与监控系统实现操作和监视，通过串行口，与外接便携式微机实现试验智能化、故障追忆滤波等功能（为不至于使硬件复杂，有利于维护检修，提高可靠性，不宜装置内置仅很少使用的一体化工控机）。3 调节器的通道结构    微机励磁调节器的通道结构也是励磁选型的一个重要内容，目前国内外微机式调节器结构形式主要有单微机、双微机和多微机三种形式。    单微机调节器通道是由单微机及相应的输入输出回路组成一个自动调节通道（AVR）和一个手动调节通道（FCR），这种结构形式在国内外的中小型水电站中广泛采用。单微机系统（含手动通道）方式的问题是自动通道无冗余。对此，国外有些著名公司有不同看法，他们认为单微机系统（含手动通道）已非常可靠，完全能满足平均无故障间隔时间要求。如ABB公司认为双微机中的备用微机通道的可利用率仅为0.003%。   多微机调节器通道目前以多微机构成多自动调节通道，比较典型的是三通道，工作输出采用三取二的表决方式。同样，多微机调节器通道的第三通道可利用率就更低了，相反，由于硬件复杂了，通道切换部分只能是单一的，可靠性往往并不比双微机通道高，甚至有所降低。多微机调节器通道的性价比低。   双微机调节器通道是由双套微机和各自完全独立的输入输出通道构成两个自动调节器通道（AVR）和两个手动通道（FCR）。正常工况下一个通道工作，另一个通道处于热备用状态，当主用通道故障时，备用通道自动无扰动接替主用通道工作。双微机调节器通道是公认的最佳的通道结构，但双微机调节器通道应满足：一、各微机通道都有完全独立的，即各微机通道具有自己的电量隔离、测量、同步回路、脉冲输出、电源、显示等环节；二、各微机通道最少都有自动（AVR）、手动（FCR）运行方式。两个独立微机通道还有一个优点：即便是两个通道都有部件故障，但只要不正好是各通道的相同部件，则可以组合一下，形成一个完整的单通道，以满足发电运行需要。由多微机构成两个自动通道，多个微机间依据不同功能有不同分工，相互间以通讯方式传递跟踪及各种信息的，也是双微机调节器通道。3 励磁变压器的选择   励磁变就设计和结构来说，与普通配电变压器一样，短路电压48。考虑到励磁变必须可靠，强励时要有一定的过载能力，且励磁电源一般不设计备用电源，因此宜选用维护简单、过载能力强的干式变压器。若从降低励磁系统造价来说，采用油浸变压器也是可行的。   当励磁变压器安装在户外时，由变压器副方到整流桥之间的馈线，由于有电抗压降，不宜太长，特别是在励磁电流很大的情况下，这一点必须考虑。还有不宜用单芯铠装电缆，而应选用橡皮电缆。因为单芯铠装电缆通以交流电时，在钢甲中需要感应较高的电压以及不能忽略的电流，并对通信电缆造成干扰。   三相励磁变的选择计算如下； 计算变压器的变比和容量用到以下参数：(安徽港口湾电厂实际值) 发电机额定励磁电流Ifn1118A 发电机额定励磁电压Ufn174V 强励倍数Kc2 可控硅最小控制角min10。 变压器漏抗Xk一般取4一8 馈电回路电压降之和U：一般为24V 按照可控硅全控桥整流计算方法计算励磁变低压侧Us： 1.35 Us COSmin = Kc Ufn + 3Kc Ifn Xk / + U 由于在初设时Xk无法确认，U也为估计值，因此可以把回路中总的电压损失估计为15。 由COSminCOS0。=1 则：上式可变为Us  Kc ×Ufn (85×1.35)2×364(85×1.35)303V实际取励磁变副边电压Us320V 发电机出口电压为10.5KV，所以励磁变变比为10500V320V。 励磁变压器也可以由直流侧电流折算，取裕度系数为1.15，则副边电流为： Is1.15×0.816×Ifn1.15×0.816×44691049A 实际取励磁变副边电流Is1050A 由Is、Us可以计算出励磁变容量： S1.732×Is×Us1.732×320×1050582KVA 实际变压器容量S630kVA，留有一定的容量。4 起励和灭磁   励磁系统的起励和灭磁性能如何是发电机能否正常开机建压和灭磁停机的关键。   当发电机被拖动至额定转速时，发电机转子铁芯剩磁可能使发电机电压升至额定电压的1一2，对于励磁变接于机端的方式，并接在发电机机端的励磁变压器的残压太低，或者励磁调节器由于同步电压太低，无法形成触发脉冲，励磁回路无法导通，这就需要采取措施，其中最常见的办法就是外加起励电源，供给初始励磁，待发电机电压升到一定值时自动退出。   在选择起励方式时，可以把它励方式和残压起励方式结合起来，既可以保证起励的可靠性，又可以降低外加起励电源的容量，这样所需它励电流很小，仅为几安培，对厂用直流系统没有冲击。    机组灭磁，多采用带三相全控桥逆变灭磁，三相全控桥的优点则是可以实现逆变快速灭磁，即由控制信号使全控桥的控制角由小于90度的整流状态突然退到大于90度的最小逆变角，进入逆变状态，迅速灭磁。它具有简单、快速、经济的特点。故障时，可联动跳灭磁开关实现快速灭磁。实际上不必每次都跳灭磁开关。这样，减轻了灭磁开关的负担，延长了使用寿命。灭磁电阻通常用线性电阻灭磁，对于机组容量大于20MW发电机组，采用ZHO非线性电阻，在机组故障时实现快速灭磁。5 结语   随着中小型水电站自动化程度的不断提高，微机型励磁调节器已成为同步发电机励磁调节器的主流。目前，对500千瓦及以上的中小型机组，不论是新建设计还是技术改造，对于励磁甚至到了“言必称微机”的程度。然而，微机励磁在我国只有十多年工业运行的历史，近年来试制微机励磁装置的单位日益增多，有少数产品（PLC的、微机的）设计技术简单，没有采用交流采样、软件化脉冲移相技术，没有发挥微机自身的优势，硬件复杂、功能少；有的单位把高档的PLC、含触摸屏的工控机、加上普通整流、电量变送器、波形比较式脉冲移相等极为普通技术的，形成表面高档实质低档的产品，难免出现诸多问题，因此，在选用励磁装置时，应慎重考察，比较励磁装置在快速性、可靠性、多功能性等方面采用的技术措施及技术的成熟性、运行业绩和生产规模，优先考虑通过国家技术部门鉴定的产品。参考文献：1滕海保 “蚌埠闸水电站励磁系统的改造”，小水电、2001，第四期2樊俊、陈忠、涂光瑜，同步发电机半导体励磁原理及应用，水利电力出版社    1991.333 刘绍华 等 “励磁装置的微机录波技术研究及在长顺水电站的应用”，湖北水力发电，2000，4.水利部产品鉴定证书98鉴字021号-LSW系列全数字微机励磁装置鉴定证书， 1998年 5. 机械部中小水电设备质检中心，一九九七年第四季度中小型水轮发电机励磁装置产品质量国家监督抽查工作总结报告 Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.