MW发电机励磁系统.ppt

1,2,第六章 600MW发电机励磁系统,3,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),4,一、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。,5,二、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(61)式中：Ku稳态顶值电压倍数，又称强励倍数。,6,现代同步发电机励磁系统，强励倍数一般为1.52.0。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。,7,2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(UFmaxUFN)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。,8,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63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tan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/UFN,9,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95UFmax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。,10,三、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。,11,励磁系统：（2600MW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Td0：8.724s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20s,12,13,14,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。,15,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Q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UGf(IQ)特性曲线为发电机的电压调节特性(亦称调压特性)。,16,图为具有下倾直线的发电机电压调压特性。特性曲线UGf(IQ)的倾斜度通常用调差系数表示。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IQNIGNsinN时，发电机电压的相对变化值，,式中；Uo发电机空载电压，UN发电机额定电压。,17,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，0称为正调差特性；发电机端电压随无功电流增大而升高的，0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，0称为无差特性。前两种0的统称为有差调节特性。,18,根据图65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,19,20,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,21,发电机为空载时，UBUG。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，UBf(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。,22,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。,23,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UBf(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。,24,第三节 600MW发电机励磁系统600MW汽轮发电机的励磁电流约为40006000A，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。,25,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。,26,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。,27,表61列出部分进口机组的励磁系统及有关参数，表62列出部分国内外大型汽轮发电机励磁系统主要指标。,28,29,30,一、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。,31,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。,32,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。,33,2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68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。,34,这种无刷励磁系统与图67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。,35,GEC-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。,36,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：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；转子接地故障指示器等。整个励磁机采用密封氢冷。,37,38,二、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610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。,39,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。,40,同轴交流励磁机静止晶闸管整流励磁系统的特点如下：(1)因为发电机励磁电流的调节，是通过自动励磁调节装置，控制发电机转子回路中的晶闸管整流器(SCRl)来完成的，从而避开了交流励磁机的时间常数。所以，这种励磁系统反应速度快，可达较高的顶值电压及电压上升速度，有助于电力系统稳定运行，属于高起始反应的励磁系统。(2)省去副励磁机，缩短了机组长度。但交流励磁机，因总是工作于顶值电压，故其容量较大，且功率因数低、造价较高。大功率晶闸管整流元件成本也贵，所以整个励磁系统投资较大。,41,三、自并励励磁系统 我国从日立、东芝、ABB公司购进的600MW汽轮发电机 均配置自并励励磁系统，其原理接线如图611所示。自并励励磁系统，完全取消了主、副励磁机。发电机的励 磁电流，直接由并联接在发电机端的励磁变压器(EXT)，经静止晶闸管(SCR)整流后供给。由于不能自激，发电机启动后并网前，必须先接人起励电源。,42,自并励方式取消了励磁机，缩短了机组长度，结构简单，因而提高了可靠性。此外，晶闸管整流器(SCR)设在发电机励磁绕组回路内，所以励磁调节的反应速度很快，并可实现逆变快速灭磁。自并励励磁方式的缺点是：其整流装置的电源电压，在电力系统故障时，将随发电机端电压下降而下降，可能影响暂态过程中的强励能力。其中有两个问题值得研究：第一，发电机近区内短路，机端电压突然降低很多时，能否满足强励要求，机组是否会失磁。第二，由于强励减弱，短路电流迅速衰减，带时限的继电保护是否会拒绝动作。,43,国内、外的分析和试验研究表明：在其他条件相同的情况下，自励方式暂态稳定极限，比他励方式约降低2一5，为了使自并励系统和他励晶闸管励磁系统对电力系统暂态稳定有相同的效果，就要求它的强励倍数提高2030；在短路刚开始的0.5s以内，自励方式与他励方式是很接近的，只在短路0.5s以后才发生明显差别。因此，只要配合快速保护，完善转子阻尼系统，采用性能良好的励磁调节器和晶闸管整流装置，并适当提高励磁倍数，就足以补偿其缺点。至于带时限断电保护的问题，也可采用一些措施加以解决。一般而言，自并励励磁系统的使用，应根据电厂在电力系统中的位置(如负荷中心或末端)、电网结构、故障情况和保护设置等进行具体分析计算而定。,44,四、GENERREX-PPS励磁系统 GENERREX-PPS励磁系统，是美国GE公司开发的一种新型励磁系统，于1984年应用于400MW汽轮发电机中，现已被该公司选为典型励磁方式而用于汽轮发电机。我国东方电机厂亦在600MW汽轮发电机上全套引用。1励磁系统特点 GENERREX-PPS 励磁系统的励磁电源来自发电机定子槽内的三根附加“P”线棒。P线棒分别置于几何空间相隔120的三面两层为发电机定子绕组)。三根P棒作星形连接，其输出端作为三相励磁电源，接至励磁变压器的一次侧。GENERREX-PPS励磁系统的原理接线如图614所示。就励磁方式而言，此励磁系统仍属自励式励磁系统。,45,46,灭磁系统(一)灭磁的作用和要求 当发电机内部、引出线、与发电机直接连接的主变压器或与发电机出口直接连接的厂用变压器内部发生故障时，虽然继电保护装置能快速地使发电机出口回路的断路器跳开，切断故障点与系统的联系，但发电机励磁电流产生的感应电动势会继续维持故障电流。为了快速限制发电机内部或与其直接相连的变压器内部的故障范围，减小其损坏程度，必须尽快地降低发电机电动势，即需要把励磁绕组电流建立的磁场迅速地降低到尽可能小。发电机磁场迅速降低到尽可能小的过程称为灭磁。,47,在“继电保护和自动装规程”中规定，对系统中的发电机，除需要装设反应各种故障的继电保护装置外，还需装设自动灭磁装置。并规定，当继电保护动作后，立即断开主断路器及自动灭磁开关(磁场开关)。灭磁装置动作后，发电机电动势最后将下降到剩磁电压。实验表明，只要剩磁电压不超过500V(一般情况剩磁电压不大于100一300V)，故障点的电弧便不能维持、而熄灭。,48,对灭磁的要求是：(1)灭磁时间应尽可能短，这是评价灭磁装置的一项重要技术指标。(2)发电机励磁绕组两端的过电压不应超过容许值，其值通常取为转子额定励磁电压的45倍。灭磁时间是指发电机实行灭磁时，发电机端电压由额定值UGN降至5UGN所需的时间。,49,(二)600MW汽轮发电机的灭磁方式 600MW汽轮发电机的灭磁方式，按发电机励磁系统的不同，灭磁方式可分为自然灭磁和可控硅逆变灭磁两种。对采用旋转二极管整流方式的励磁系统(无刷励磁系统)，由于旋转部分不便装设大功率的灭磁开关，故发电机主励磁回路一般不装设任何灭磁装置。发电机要灭磁时，先对交流励磁机磁场进行逆变灭磁，使励磁机的交流输出电压迅速降低，然后跳开交流励磁机的磁场开关(灭磁开关)，发电机的磁场是通过整流二极管的续流作用实现自然灭磁。,50,虽然这种自然灭磁方式的灭磁时间较长(一般为10s左右)，但其安全可靠性已在长期实践中为用户所接受。对采用可控硅整流方式的励磁系统(包括自并励和他励静止可控硅励磁系统)，一般都利用可控硅整流装置实现发电机逆变灭磁。对于逆变灭磁，当逆变进行到发电机励磁绕组中的剩余磁场能量不能再维持逆变时，逆变便结束，通常将剩余的能量向并联的电阻放电，此时磁场电流已很小，直到转子励磁电流衰减到零，灭磁结束。因此这种灭磁方式，在发电机励磁回路中还装设有容量小、阻值较大的灭磁电阻(线性或非线性电阻)。灭磁电阻接入方式不同可构成如下几种灭磁回路：,51,(1)利用灭磁开关(磁场开关)接入线性灭磁电阻(恒值电阻)。其典型灭磁回路见前面图617，灭磁电阻R1通过灭磁开关41接入。其灭磁过程是，首先进行逆变灭磁，经一定时延(一般为2s左右)，励磁绕组磁场能量大部分释放完后，再跳开灭磁开关41(先接入灭磁电阻，后切断励磁电源)，剩余的磁场能量通过灭磁电阻释放完。励磁直流回路中还装设有过电压保护装置，以保护可控硅整流器和磁场绕组。,52,(2)用非线性电阻并联固定接在发电机励磁绕组回路上，不受直流励磁回路中的磁场开关(灭磁开关)控制。发电机正常运行时，非线性电阻上流过小电流；逆变灭磁开始后，因直流侧过电压倍数不高，非线性电阻上也只流过小部分灭磁电流，直至磁场能量释放完。非线性灭磁电阻同时还作为励磁绕组和可控硅整流器的过电压保护。,53,(3)利用并联固定接在直流励磁回路中电阻值较大的(励磁绕组电阻的数十倍)线性或非线性电阻作灭磁电阻，而且在直流励磁回路中不装设磁场开关，把磁场开关装设在可控硅整流器的交流侧。逆变灭磁开始后，一般经23s跳开交流侧的磁场开关，即可完成灭磁。逆变灭磁的性能与发电机的励磁方式有关，对于他励方式可控硅整流的励磁系统，可控硅逆变灭磁能迅速完成；对于自并励方式可控硅整流的励磁系统，当发电机内部或外部发生短路时，将使发电机端电压下降，亦即励磁电源电压降低，则可控硅整流的励磁系统逆变状态下的灭磁速度也降低。因而造成逆变灭磁过程的延缓，在这种情况下，应配合其它灭磁方法同时灭磁。,54,自动励磁调节器(AVR)自动励磁调节器AER或自动电压调节器AVR，基本任务是检测和综合励磁控制系统运行状态的信息，控制励磁功率单元的输出。自动励磁调节器有模拟型和数字型两类。数字型微机励磁调节器性能优良，发展迅速，有广阔的应用前景。,大型机组均采用半导体励磁调节器，包括：调差单元、测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元、辅助控制单元等；其中为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改变励磁控制系统动态性能而设置了，励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制器等，,励磁调节器的组成框图,55,一、自动励磁调节装置作用 自动励磁调节装置，是自动励磁控制系统中的重要组成部分，励磁调节器检测发电机的电压、电流或其他状态量，然后按给定的调节准则对励磁电源设备发出控制信号，实现控制功能。其原理框图见图620。,56,自动励磁调节器最基本的功能，是调节发电机的端电压。调节器输入TV二次电压量，它代表被调量一发电机端电压，与给定值(基准值或称参考值)进行比较，得出偏差值AU，然后按AU的大小输出控制信号，改变励磁机输出的晶闸管整流器的触发角，以调节发电机的励磁电流，使发电机端电压达到给定值。由励磁调节器、励磁电源装置和发电机构成的励磁控制系统，通过反馈控制(又称闭环控制)，达到发电机输出电压自动调节的目的。自动励磁调节器的基本任务是，实现发电机电压的自动调节，所以通常又简称其为自动电压调节器AVR(Automatic voltage regulator)。,57,三、半导体励磁调节器原理 随着自动装置元器件的不断更新，励磁调节器经历了机电型、电磁型、半导体型及数字型等发展阶段，励磁调节器的任务，也从单一的电压调节功能，发展为目前的具有多种综合功能。目前新投运的大、中型机组上，广泛采用半导体型自动励磁调节器。此外，数字型励磁调节器也已在大容量机组上应用。(一)半导体励磁调节器构成 半导体励磁调节器的型式很多，但它们的基本框图却很相近。图621是他励交流励磁机系统中所采用的半导体励磁调节器的基本框图(虚线框内)。,58,励磁调节器的基本部分由调差、测量比较、综合放大和移相触发(触发可控硅)四个基本单元构成。每个单元再由一至若干个环节组成。,59,1调差(无功补偿)单元 调差单元的作用是，使发电机的调压特性曲线UGf(IQ)具有必要的调差系数，以保证并列运行机组间无功功率稳定合理地分配。它执行UGUGRIsin 运算，输出补偿后的交流电压UG(I0时，UG=UG)，送至测量比较单元。,60,2测量比较单元 测量比较单元的作用是测量发电机电压并换为直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。电压偏差信号输入到综合放大单元。测量比较单元由电压测量和比较整定环节组成，其框图如图627所示。电压测量环节包括测量整流电路、滤波电路，有的还加有正序电压过滤器。正序电压过滤器的作用是在发电机电压不平衡时，输出一个对称的反映电压水平的正序电压，供调节器作为判别电压水平的准则，以提高测量单元的灵敏度。,61,3综合放大单元 综合放大单元对测量单元输出的信号起综合和放大的作用。为了得到调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置送来的信号，如励磁系统稳定器信号、最小励磁限制信号、最大励磁限制信号等，如图6-22所示。综合放大后的控制信号输出到移相触发单元。,62,4移相触发单元 移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节，如图6-23所示。移相触发单元以同步信号为基准，根据输入控制信号USM的大小，改变输送到晶闸管的触发脉冲相位，即改变控制角，从而调节发电机的励磁电流。为了使触发脉冲能可靠地工作，还需要采用脉冲放大环节。可控整流电路要求在晶闸管每次承受正向电压的某一时刻，向它的控制极送出移相触发脉冲，以触发角使晶闸管导通。晶闸管触发单元的同步电压信号与主电路电源间应具有一定的相位关系，能保证触发脉冲按要求的相位发出。该同步电压信号是由同步变压器获得。,63,励磁调节器的基本特性 励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。常用的励磁调节器是比例式励磁调节器，它的主要输入量是发电机端电压UG，其输出用以控制励磁功率单元，以调节发电机的励磁电流IF。励磁调节器的简化原理框图(不包括调差单元)如图630所示。图中K1、K2、K3、K4分别表示各单元的增益。,64,励磁调节器的静态工作特性由各组成单元的工作特性(输出与输入的关系合成。合成后的励磁调节器静态工作特性IFf(UG)如图63l所示。由图可见，励磁调节器在ab线段范围内工作，UG升高，励磁电流IF急剧减少；UG降低，急剧增加。据此，可达到维持发电机端电压在某一水平的目的。励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的重要指标之一。,65,(三)发电机调节特性其调节特性是指发电机端电压UG与定子电流无功分量IQ之间的关系，即UGf(IQ)。如果不设调差单元，测量比较单元直接测量发电机端电压，只按电压偏差(测量值与基准值之差)进行比例调节，则发电机的调压特性UG=f(IQ)为略有下倾的直线，无功电流变化时，发电机端电压UG可保持近似恒定不变，其自然调差系数。很小。其值是随励磁控制系统放大倍数K的增大而减小的。对半导体励磁控制系统，放大系数K较大，。一般在1以内。由前所述，为了使并列运行的各机组间无功负荷得到合理分配，要求设置调差系数。,66,为了使并列运行的各机组所带的无功负荷得到稳定地分配，要求并列在发电机电压母线上的机组，其=3一5，通过升压变压器并列在高压母线上的机组，其一般取负值。为了达到这些目的，在励磁调节器中都设置有调差单元，使发电机调压特性的调差系数可在土5或更大的范围(土10)内调整，以满足各种运行要求。发电机的调压特性曲线，可通过励磁调节器测量比较单元中的电压设定值(基准电压)的调节而使其向上或向下平移，达到电压或无功调节目的。,67,(四)调差单元接线及工作原理 调差单元的基本工作原理是，在励磁调节器测量比较单元的输人侧，不是直接输入(经电压互感器)发电机电压UG，而是输入一个经无功电流补偿后的发电机电压UG，调差单元接在发电机出口电压互感器TV和电流互感器TA的二次侧，其接线方式使调差单元输出电压幅值与电流的无功分量有关，即,68,其电压输出=（sin）接到测量比较单元。这样，自动励磁调节器为保持 恒定，当无功电流变化时，机端电压发生了变化，如图，改变R，可以改变了。,69,70,从图634(a)可以看出，发电机负荷功率因率cos=1时，加于测量单元的三相电压仍为一等边三角形。调差单元输出的三相电压与输入端的三相电压在幅值上相差无几，调节器所测量到的电压大小基本上与有功电流无关(cos1时，只有有功电流分量)。,71,当cos=0(发电机带纯无功负荷)时，从图634(b)可见，加到测量单元的三相电压仍为一等边三角形，测量到的电压幅值为发电机电压互感器二次侧电压与无功电流所产生的附加电压的代数和，这样，测量单元测量到的电压大了一些，经调节器的作用，发电机端电压下降。,72,通常，发电机既带有功负荷又带无功负荷，lcos0，这时定子电流可分解为有功电流分量和无功电流分量。参见图(c)。幅值主要随发电机定子电流的无功分量而变化，随无功分量的增大而增大，使测量单元感受到电压“UG”上升，调节器减小励磁，降低发电机电压，因而增大了调差系数。上述分析结果是，发电端电压随感性无功负荷电流的增大而下降，调差系数随调差电阻增大而增大。,73,调差单元对发电机调差特性的影响 图中直线1为励磁控制系统的自然调差特性(。)，IQR只是调差单元对调压特性的影响，它与特性1综合后就形成直线2的正调差特性。如果将中间电流互感器引到调差电阻的极性进行调换，这时调差环节的输出电压(Ua、Ub、Uc将比发电机电压互感器二次侧电压低些，通过励磁调节器的作用增加励磁，升高发电机电压，使电压调节特性向上倾斜，即具有负的调差系数。,74,5励磁调节器限制和保护单元 为了避免机组起励升压过程中发生超调，采用起励超调限制(或称空载励磁限制)；为了避免在系统电压或频率长期低落之下励磁电流超过额定值而引起励磁绕组过热，采用励磁过载延时限制与低频过励限制。此外，对于高顶值的励磁系统，常采用瞬时过励限制(或称最大励磁限制)；为了避免在进相运行工况下欠励过份而引起失步，常采用欠励限制(或称最小励磁限制)。有的调节器上还设有电力系统稳定单元。当然，并不是所有的半导体励磁调节器都必须具备上述所有的辅助单元，而是有选择地配置。,75,(1)空载励磁限制 空载励磁限制主要是避免起励升压过程中电压较低，励磁调节器产生不必要的强励及电压上升过程的超调量。一般作法是在机组并网之前，将发电机的励磁电流限定在对应于额定转速下的空载励磁电流附近，如果励磁调节器测量单元的手动整定电位器原处于整定电压Uset1.1UN的位置时，由于空载励磁限制的作用，发电机电压将被限制在1.1UN。只有手动整定电位器处于Uset1.1UN位置时，励磁调节器的测量单元才能控制发电机的电压。在发电机并网之后，空载励磁限制单元便自动退出工作。,76,2、励磁过负荷延时限制 是为了发电机转子励磁绕组长期过载而采取的限制励磁的措施。一般当系统电压突然下降时，自动励磁调节器应迅速将发电机励磁增至顶值，进行强励，以保证发电机并联运行的稳定性。短时的强励，不致使转子温度升高达到威胁转子绕组绝缘的程度：但是，如果经历了允许的强励时间(按转子温升限制1020s左右)之后，若强励电流还不能自动降下来，则励磁过载延时限制环节动作，退出强励，自动将励磁电流限制到发电机转子温升所容许的电流值附近，故这种励磁限制也称“延时励磁限制”。其延时又分定时限和反酌限两种，是避免长时间强励造成转子绕组损坏的一种保护措施。,77,(3)最大励磁限制(瞬时过励限制)有的励磁系统，为了获得高起始响应速度，常采用提高转子励磁顶值电压而限制励磁电流超过容许值的强励办法，这就需要采用瞬时(非延时)过励限制，以限制强励电流的最大值。但为了提高励磁系统的可靠性，采用了三级瞬时电流限制：第一级整定值等于强励倍数(励磁机的强励顶值电流与额定励磁电流之比)。第二级整定值等于强励倍数的1.05倍。第三级整定值等于强励倍数的1.1倍。,78,三级限制定值逐级升高，后级保护前级，第三级动作，延时0.2s，跳发电机灭磁开关。如果这个系统，因限制电路故障，不能限制强励电流时，则在很短的时间内，励磁机的励磁电流，就会接近其额定励磁电流的30倍，发电机及其励磁系统就会严重损坏。(2)最小励磁限制。当发电机进相运行时，其安全运行范围受静稳定极限和定子端部漏磁发热的限制。最小励磁限制器就输出正电压，通过综合放大单元，自动维持励磁电流大于最小励磁电流。,79,(5)V/Hz限制(又称Uf，电压频率限制)发电机及变压器在空载、甩负荷、机组启动期间，可能会出现电压过高或频率过低的现象，二者均会使发电机和变压器的铁芯饱和而引起发热。V/Hz限制器检测机端电压与频率的比值，当机端电压升高或频率降低超出允许值时，V/Hz限制器输出负电压，通过综合放大单元的负竞比门电路，使发电机的端电压降低，以保证发电机和变压器的安全。,80,某600MW机组的励磁调节器，不但设有VHz限制，而且还设有VH2保护。限制的效果是：当发电机电压上升时，限制发电机的电压，不会升高到使VHz比值超过给定限值，当发电机转速下降时，限制器使发电机端电压下降。VHz保护的设定值是：1.1倍额定VHz值，动作后报警，并延时55s跳发电机灭磁；定值为1.2倍额定VHz值时，动作后报警，并延时6s跳发电机灭磁。另外，励磁调节器还具有测量信号丢失保护和强励报警等。,81,四、安全稳定运行限制器 综合上述励磁调节器原理，实际上是个安全稳定运行限制器。它的目的是维护发电机的安全稳定运行，避免由于保护继电器动作而造成的事故停机。如图6-31所示的同步发电机典型PQ曲线图和对应的运行极限。,安全稳定运行限制器提供的限制功能有：过励限制器；最大励磁电流限制器；过励侧定子电流限制器；欠励限制器；PQ限制器；欠励侧定子电流限制器；最小励磁电流限制器；VHz限制器。,82,83,84,关于电力系统稳定器-PSS(PowerSystemStabilizer)随着电力系统网络互联、单机容量增大、采用快速励磁，使电力系统呈现弱阻尼或负阻尼，因此，许多电力系统出现了每分钟几个至几十个周波的频率很低的自发性系统振荡，这种现象称为低频振荡。当振荡严重时会破坏互联系统之间的并列运行，造成大面积停电。在研究同步发电机电磁转矩时，一般将电磁转矩分解为两个分量，即同步转矩分量和阻尼转矩分量。（同步转矩与同相位，阻尼转矩与同相位。）如果同步转矩不足，将发生滑行失步；阻尼转矩不足，将发生振荡失步。,85,为改善系统动态品质、增加系统阻尼、可采取以下措施：减小AVR放大倍数或限制联络线输送的负荷功率。励磁系统放大倍数KA的作用使 恒定，有助于增大同步转矩，即允许增大它的输出功率。要维持同步发电机输出电压的精度，励磁系统应该有足够的放大倍数。但KA的增大，会抵消同步发电机的固有阻尼，甚至可能变为负阻尼，使系统运行不稳定。,86,增加正阻尼：采用电力系统稳定器PSS控制、最优励磁控制、静止补偿器控制、调速器控制、直流输电调制控制等控制方法。在励磁控制系统中引入电力系统稳定器提供附加信号(如或P)的二阶超前校正环节。实际运行表明，它能有效克服多机间和互联系统间由于阻尼不足，包括负阻尼而产生的低频振荡。,87,电力系统稳定器(PSS)的信号接入励磁系统，如图2-8所示。电力系统稳定器由传感单元和信号测量单元组成。信号测量单元一般包括相位补偿、信号复归和放大限幅环节，输入信号由输入电功率、频率或轴速度等参量组成二阶超前相位补偿环节，用来阻尼转子角振荡，而对转子绕组和励磁调节器的固有滞后相位进行补偿，,88,自并励励磁系统自动励磁调节器的主要的指标有：励磁顶值电压 UDL=23UIe 励磁顶值电流 IDL=2-3IIe 电压响应比 3.5Vs 允许强励时间 20s 快速响应时间 0.1s,89,高起始响应 0.1s内达到顶值电压与额定励磁电压的95 暂态增益 40倍 自动电压的整定范围 5130UIe 手动电压的整定范围 0130UIe 调节精度 02 调差率范围 土20连续可调,90,AVR尚应有以下保护和调节功能：交流采样。100冗余(两个独立的自动和手动调节通道)。恒电压、恒无功功率、恒功率因数的自动调节单元。通信接口，除有触点输出外，尚应有通信接口。电源。AVR要有两个以上独立电源。PSS保护有欠励、过励、强励、U/f 限制、过电压保护及TV断线保护、转子瞬时和延时过电流保护、SCR元件的熔断器熔断、停风信号等。AVR自检自诊断及抗干扰电磁兼容等。,91,(4)灭磁和过电压保护。励磁系统配置灭磁断路器、灭磁电阻和过电压保护元件。灭磁断路器除满足励磁电流和励磁电压的要求外，还要求可靠的分断能力及灭弧功能。有两个以上断口、灭磁和过电压保护的非线性电阻，通常采用ZnO电阻。(5)起励回路。励磁装置有起励电源，可由厂用电系统380V经整流电源供电，也可由蓄电池提供。一般启动电源为5-10的空载励磁电流。(6)自激励系统的配套设备有：自动电压调整器柜 1块 功率整流器柜 2-3块 灭磁断路器和灭磁电阻柜 12块 启动装置 1块(也可在灭磁开关柜内)励磁变压器 1个,92,思考题1发电机自动调节励磁装置的作用是什么?对其基本要求有哪些?2自并励励磁系统的主要构成及其优缺点?3同步发电机的自动调节励磁装置由哪几部分组成?各起什么作用?,93,复习思考题六6.1 励磁系统的主要作用有哪些?6.2 强行励磁顶值电压倍数、励磁电压上升速度和励磁电压上升响应时间是什么概念?6.3 高起始响应励磁系统的基本要求有哪些?6.4 什么是发电机的调压特性?为什么能够分配机组间无功功率?6.5 大容量汽轮发电机的励磁可分为哪几大类?6.6 背画旋转硅整流励磁系统图，并描述它们的原理。6.7 背画同轴交流励磁机静止可控硅整流励磁系统图，并描述它们的原理。6.8 背画自并励励磁系统图，并描述它们的原理。6.9 什么叫灭磁?对灭磁有哪些要求?6.10 什么叫逆变灭磁?如何逆变灭磁?6.11 自动励磁调节器最基本的功能是什么?有哪些输入信号?6.12 什么叫自动励磁调节器的调差系数、调节精度、调节灵敏度?6.13 空载励磁限制、励磁过载延时限制、最大励磁限制、最小励磁限制、VH2限制各有什么意义?,94,本章结束点此进入下一章,