1、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用第二章第二章靜態(tài)勵磁靜態(tài)勵磁 一、勵磁調(diào)節(jié)的作用 二、半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng) 三、無刷勵磁同步電機 四、靜止勵磁系統(tǒng) 五、自動勵磁調(diào)節(jié)器 六、輔助電路 七、南瑞PCS-9400微機勵磁系統(tǒng)一、勵磁調(diào)節(jié)的作用電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機是重要組成部分，勵磁系統(tǒng)則是保證同步電機良好運行性能的核心。它的特性好壞直接影響同步電機運行的可靠性與穩(wěn)定性。一、勵磁調(diào)節(jié)的作用1、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力（快速）當系統(tǒng)受到小、大的干擾、電機變速，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定將受到不利影響。2、維持電力系統(tǒng)的電壓水平（穩(wěn)定）電壓恒定是供電質(zhì)量的一個重要標志。電網(wǎng)負載增大，

2、發(fā)電機端電壓下降，自動勵磁調(diào)節(jié)使端電壓維持一定水平。3、提高同步電機的功率極限和電力系統(tǒng)傳輸功率的能力（能力）能適應(yīng)同步電機：起動、投勵、牽入同步不同階段按需要對勵磁自動調(diào)節(jié)；對系統(tǒng)進行無功補償時，調(diào)節(jié)勵磁有一定進相能力；負載輕重、性質(zhì)不同，勵磁調(diào)節(jié)有靈活運行方式，確保供電系統(tǒng)的節(jié)能效果。電力系統(tǒng)容量、規(guī)模增大帶來新的問題1、單機容量增大，勵磁功率顯著增加現(xiàn)代發(fā)電機勵磁功率至少0.4%左右同軸高速直流勵磁機，容量超過500千瓦就有困難。2、直流輸出電流通過滑環(huán)送到轉(zhuǎn)子繞組滑環(huán)電流超過8001000A時，滑環(huán)容量有限制，增加環(huán)數(shù)，增大外形尺寸，成本困難增大3、電網(wǎng)超高壓、大容量、遠距離，穩(wěn)定是重

3、要課題需要快速響應(yīng)、高勵磁倍數(shù)，振蕩時正阻尼勵磁系統(tǒng)。容量功率因數(shù)轉(zhuǎn)速勵磁功率24萬千瓦0.9142轉(zhuǎn)/分水輪機2350千瓦60萬千瓦0.93000轉(zhuǎn)/分汽輪機2650千瓦二、半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)（一）他勵方式1、交流勵磁機磁場旋轉(zhuǎn)加靜止硅整流器2、交流勵磁機磁場旋轉(zhuǎn)加靜止可控硅整流器3、交流勵磁機電樞旋轉(zhuǎn)加旋轉(zhuǎn)硅整流器4、交流勵磁機電樞旋轉(zhuǎn)加旋轉(zhuǎn)可控硅整流器還有直流勵磁機三次諧波繞組勵磁方式，發(fā)電機負載增大，功率因數(shù)降低，諧波大，電力系統(tǒng)短路，諧波電勢大，強勵，具有正反饋調(diào)節(jié)作用，小機組適合。無刷勵磁二、半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)（二）自勵方式接在發(fā)電機出口或廠用電母線上，勵磁電源取自發(fā)電機本身（或所在電力系

4、統(tǒng)）除并聯(lián)勵磁變壓器還有與發(fā)電機定子電流串聯(lián)的勵磁變壓器，構(gòu)成自復(fù)勵形式1、直流側(cè)并聯(lián)自復(fù)磁2、直流側(cè)串聯(lián)自復(fù)磁3、交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)磁4、交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)磁二、半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)（三）組成1、勵磁系統(tǒng)主電路勵磁電源主整流器滅磁電路過流過電壓保護電路2、自動勵磁調(diào)節(jié)器（ZLT）測量比較綜合放大觸發(fā)移相3、輔助單元限制器、補償器、穩(wěn)定器、起勵單元三、無刷勵磁同步電機他勵半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)：交流勵磁機與主電機同軸輸出電流經(jīng)整流裝置（靜止硅整流）直接、無刷供給主機勵磁電路而交流勵磁機的勵磁電流由中頻勵磁機（500HZ）經(jīng)可控硅整流供給，靠調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁電壓實現(xiàn)，有時滯，為加快響應(yīng)，交流勵磁的頻率設(shè)計高一些，

5、減小時間常數(shù)。交流副勵磁機可采用復(fù)勵、外部電源起勵等方法。三、無刷勵磁同步電機1、取消勵磁系統(tǒng)中滑動接觸部分，少檢修、維護2、能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，減少額外的防護措施3、單機容量增大、電流上萬安培，勵磁電壓高達600伏以上，必須采用無刷勵磁4、控制功率大大減小，簡化控制、保護線路5、有較好的獨立性，性能穩(wěn)定但發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流、電壓、溫度等不便測量，故障監(jiān)測、滅磁困難，許多問題需要解決。無刷勵磁是今后的發(fā)展方向無刷勵磁系統(tǒng)的組成1、交流勵磁機（JL）一臺旋轉(zhuǎn)電樞式的交流發(fā)電機2、旋轉(zhuǎn)整流器（GZ）旋轉(zhuǎn)二極管或可控硅整流器3、交流勵磁機的勵磁源三機組時為永磁發(fā)電機（YL）經(jīng)整流后4、檢測單元（2）用以測

6、量發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流、電壓、溫度等5、故障報警及保護部分kzYLJLGZZLTLHFYH2旋轉(zhuǎn)二極管式無刷勵磁系統(tǒng)原理接線圖（三機組式）無刷勵磁系統(tǒng)的性能和特點 1、無炭刷和滑環(huán)，維護工作量可大為減少。 2、發(fā)電機勵磁由勵磁機獨立供電，供電可靠性高。并且由于無刷，整個勵磁系統(tǒng)可靠性更高。 3、發(fā)電機勵磁抑制是通過調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁實現(xiàn)的，因而勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。為提高其響應(yīng)速度，除勵磁機轉(zhuǎn)子采用疊片結(jié)構(gòu)外，還可采用減小繞組電感、取消極面阻尼繞組等措施。另外，在發(fā)電機勵磁控制策略上還采取相應(yīng)措施增加勵磁機勵磁繞組頂值電壓，引入轉(zhuǎn)子電壓深度負反饋以減小勵磁機的等值時間常數(shù)。無刷勵磁系統(tǒng)的性能和特

7、點 4、發(fā)電機轉(zhuǎn)子及其勵磁電路都隨軸旋轉(zhuǎn)，因此在轉(zhuǎn)子回路中不能接入滅磁設(shè)備，發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路無法實現(xiàn)直接滅磁，也無法實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的常規(guī)檢測(如轉(zhuǎn)子電流、電壓，轉(zhuǎn)子絕緣，熔斷器熔斷信號等)，必須采用特殊的測試方法 5、要求旋轉(zhuǎn)整流器和快速熔斷器等有良好的機械性能，能承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力。 6、因為沒有接觸部件的磨損，所以也就沒有炭粉和銅末引起的對電機繞組的污染，電機的絕緣壽命較長。無刷勵磁中一些問題1、機組的時間常數(shù)要小采取辦法：a.讓交流勵磁機電樞電勢有較高頻率增加極對數(shù)b.減小交流勵磁機的換相電抗c.減小交流勵磁機繞組的電感2、交流勵磁極對數(shù)不宜為主發(fā)電機磁極對數(shù)的整數(shù)倍（1.5倍）避免短路

8、時熱量集中在幾個管上3、電樞繞組六相甚至更多，整流后在直流側(cè)并聯(lián)，減少紋波4、旋轉(zhuǎn)二極管不裝快熔、過電壓抑制電路，增大電流與反相電壓儲備5、散熱器簡單、牢固、耐熱、足夠強度（線速度5米/秒）四、靜止勵磁系統(tǒng) 靜止勵磁系統(tǒng)中發(fā)電機的勵磁電源不用勵磁機，而由機端勵磁變壓器經(jīng)整流裝置供給。這類勵磁裝置采用大功率晶閘管元件，沒有轉(zhuǎn)動部分，故稱靜止勵磁系統(tǒng)。 由于勵磁電源是發(fā)電機本身提供，故又稱為發(fā)電機自并勵系統(tǒng)。 四、靜止勵磁系統(tǒng) 靜止勵磁系統(tǒng)如下圖所示。它由機端勵磁變壓器供電給整流器電源，經(jīng)三相全控整流橋直接控制發(fā)電機的勵磁。它具有明顯的優(yōu)點，被推薦用于大型發(fā)電機組，特別是水輪發(fā)電機組。國外某些公司

9、把這種方式列為大型機組的定型勵磁方式。我國已在一些機組上以及引進的一些大型機組上，采用靜止勵磁方式。靜止勵磁系統(tǒng)的特點 1、除滑環(huán)外，沒有旋轉(zhuǎn)部件，加工工藝性好，避免了旋轉(zhuǎn)部件引起的故障 2、可縮短機組軸系長度，對于大型汽輪發(fā)電機，與交流勵磁機-整流器勵磁系統(tǒng)相比較，一般可縮短2.5m以上，提高了軸系運行的穩(wěn)定性。 3、結(jié)線簡單，除滑環(huán)外都是靜止設(shè)備，維護方便。 4、勵磁電源直接由可控硅整流裝置提供和調(diào)節(jié)，反應(yīng)速度快，屬于高起始響應(yīng)勵磁系統(tǒng)。靜止勵磁系統(tǒng)的特點 5、機組甩負荷時靜態(tài)勵磁系統(tǒng)機組的過電壓低。 6、勵磁電源取自發(fā)電機端，使電源失去獨立性，為了克服這個缺點給暫態(tài)穩(wěn)定性造成的威脅，就必

10、須對主開關(guān)的故障切除時間和重合閘速度提出嚴格的要求。 7、由于有滑環(huán)和電刷，因此它所能配用的發(fā)電機容量將受到滑環(huán)通流極限的限制?；h(huán)和電刷引起的炭灰和噪聲會造成環(huán)境污染，也會造成滑環(huán)等帶電部分絕緣性能下降。 8、由于勵磁電源的不獨立性，一般不宜在單機單網(wǎng)等弱小電網(wǎng)或自備電廠中采用。但在實際選用時，還需經(jīng)過嚴密的計算和研究來判斷采用這種系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。靜止勵磁系統(tǒng)的一些問題 1、靜止勵磁系統(tǒng)的頂值電壓受發(fā)電機端和系統(tǒng)側(cè)故障的影響，在發(fā)電機近端三相短路而切除時間又較長的情況下，不能及時提供足夠的勵磁，以致影響電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。 2、由于短路電流的迅速衰減，帶時限的繼電保護是否能正

11、確的動作。五、自動勵磁調(diào)節(jié)器（一）對調(diào)節(jié)性能的要求1、符合系統(tǒng)要求的強勵能力和一定勵磁電壓上升速度（電壓響應(yīng)比）2、具有較高的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性3、較快的反應(yīng)速度4、失靈區(qū)小，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，通用性強五、自動勵磁調(diào)節(jié)器（二）勵磁調(diào)節(jié)器組成1、電壓測量比較單元2、綜合放大單元3、移相觸發(fā)單元移相觸發(fā)綜合放大測量比較同步信號附加信號基本電壓UF去可控硅自動勵磁調(diào)節(jié)器（ZLT）的組成五、自動勵磁調(diào)節(jié)器（二）勵磁調(diào)節(jié)器組成測量比較單元組成框圖比較整定正序過濾器調(diào)差I(lǐng)F擾動UFUb濾波整流電壓測量五、自動勵磁調(diào)節(jié)器（二）勵磁調(diào)節(jié)器組成綜合放大單元的組成放大信號綜合穩(wěn)定器輔助裝置UFUk限制器補償器

12、五、自動勵磁調(diào)節(jié)器（二）勵磁調(diào)節(jié)器組成移相觸動單元的組成脈沖放大同步同步信號脈沖形成移相六、輔助電路1、校正（或補償）單元2、限制單元3、穩(wěn)定單元4、其它電路：勵磁系統(tǒng)監(jiān)視電路、過電流保護電路起勵電路、手動/自動切換電路七、七、南瑞PCS-9400微機勵磁系統(tǒng)國內(nèi)發(fā)展狀況 近年來300MW、600MW及以上發(fā)電機組大量建設(shè) 600MW及以上機組勵磁系統(tǒng)目前被個別國外廠商壟斷大大限制了我國600MW及以上機組整體成套的能力售后服務(wù)響應(yīng)慢、備品備件受限制、生產(chǎn)受影響功能配置與國內(nèi)電網(wǎng)安全運行要求不適應(yīng)設(shè)備費用高（國產(chǎn)設(shè)備的23倍），售后服務(wù)費用更高七、七、南瑞PCS-9400微機勵磁系統(tǒng) 在分析了

13、國外諸大公司：ABB、 GE 、西門子等產(chǎn)品情況后指出： 開發(fā)新的微機勵磁系統(tǒng) 替代進口設(shè)備，打破國外的壟斷 增強大型機組完全國產(chǎn)化成套能力 豐富繼保產(chǎn)品品種，完善自動化產(chǎn)品鏈，為電力系統(tǒng)建設(shè)提供成套解決方案、七、七、南瑞PCS-9400微機勵磁系統(tǒng) 可靠性要求 大機組單機容量大，對電網(wǎng)的影響大，可靠性要求更高 技術(shù)先進性要求 高的調(diào)節(jié)品質(zhì)，好的動態(tài)響應(yīng)指標，完善的功能配置 制造工藝要求 大機組勵磁電壓高、電流大、容量大、設(shè)備數(shù)量多，結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝要求更高 使用和維護要求使用和維護要求 使用方便、維護簡單七、七、南瑞PCS-9400微機勵磁系統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)裝置 提高可靠性策略提高可靠性策略 硬

14、件結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁兼容措施、制造工藝選擇 提高先進性策略 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、CPU及硬件資源配置、核心勵磁軟件設(shè)計、對外通訊設(shè)計 提高可維護性策略 友好的人機界面和交互功能、便利的檢修和維護、防誤操作功能七、七、南瑞PCS-9400微機勵磁系統(tǒng)功率整流裝置 大功率整流裝置的主回路配置方案 大功率整流裝置并聯(lián)運行時的均流方案滅磁裝置 多種滅磁方案的分析研究，研制適合大型發(fā)電機組的可行、可靠的滅磁方案新型調(diào)節(jié)裝置的核心硬件結(jié)構(gòu)(1)DSP + FPGA + ARMDSP + FPGA + ARM DSPDSP 勵磁計算核心勵磁計算核心 獨立的勵磁控制子系統(tǒng) 內(nèi)內(nèi) 層層 FPGAFPGA 控制接口控制接口

15、 ARMARM 通訊核心通訊核心 獨立的通訊子系統(tǒng) 中層間中層間 人機接口 外外 層層三層次三層次的硬件系統(tǒng)，能夠保證核心的安全，不受外部影響，提供足夠強的對外通訊能力、足夠靈活和方便的人機交互接口新型調(diào)節(jié)裝置的核心硬件結(jié)構(gòu)(2)硬件的有關(guān)參數(shù)和特點 DSP 125MHz，專用硬件乘法器，計算能力很強，計算速度很快，在確定的時間周期內(nèi)能夠完成更多的工作量 FPGA 20萬門集成單元；實現(xiàn)硬件電路可編程；脈沖形成及檢測、頻率與相位檢測、雙機通訊及雙機切換控制等功能集成功能集成在一個芯片中，簡化了電路，提高了可靠性 ARM 120MHz，實現(xiàn)包括以太網(wǎng)以太網(wǎng)在內(nèi)的多種通訊方式，為調(diào)節(jié)裝置提供多種通

16、訊接口，以太網(wǎng)通訊，數(shù)據(jù)量大，通訊協(xié)議靈活豐富新型調(diào)節(jié)裝置的核心硬件結(jié)構(gòu)(3)實時全數(shù)字精確同步實時全數(shù)字精確同步交流采樣技術(shù) 實時的全數(shù)字的同步交流采樣，每10度采樣一次，獲取充分的信息量，充分保證交流采樣的精度和穩(wěn)定性 所有輸入模擬量通道相互獨立，無共用回路相互獨立，無共用回路 所有通道采樣精確同步啟動精確同步啟動新型調(diào)節(jié)裝置的核心硬件結(jié)構(gòu)(4)基于FPGA的精確同步測頻精確同步測頻及精確移相觸發(fā)精確移相觸發(fā)技術(shù) 在FPGA芯片上編程定義輸入輸出接口功能，獨立于CPU，實現(xiàn)了輸入輸出與調(diào)節(jié)計算的并行處理并行處理，實現(xiàn)與外部回路精確同步 在FPGA芯片上編程實現(xiàn)同步信號和定子電壓信號頻率的精

17、確測量 在FPGA芯片上編程實現(xiàn)數(shù)字移相及觸發(fā)脈沖的形成，無專門的硬件回路 在FPGA芯片上編程實現(xiàn)雙通道切換邏輯全方位的電磁兼容措施 全金屬機箱，全封閉設(shè)計抗電磁輻射干擾 各供電電源輸入均有進線濾波器，各電源分支回路、信號輸入均有抗干擾器件抗傳導(dǎo)干擾 硬件按功能劃分成多模塊，各模塊間相對獨立，模塊內(nèi)不同電壓等級電路嚴格隔離，分開布置；強弱電之間在電氣聯(lián)系上有隔離措施、在空間分布和布置上有不同區(qū)域劃分抗耦合干擾 緊湊的多層電路板，表面貼裝工藝，插件、裝置及機柜的嚴格接地措施保證裝置的總體抗干擾水平完善提高的功能配置(1)調(diào)節(jié)與控制 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制功能 串聯(lián)串聯(lián)PIDPID調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律 附加控

18、制 PSSPSS附加控制附加控制 調(diào)差附加控制 運行方式 發(fā)電機電壓閉環(huán) 勵磁電流閉環(huán) 定角度控制 開機升壓方式 零起升壓起勵 程控軟起勵程控軟起勵 定電壓給定值起勵定電壓給定值起勵限制與保護限制功能 最大勵磁電流限制 勵磁過流過熱限制勵磁過流過熱限制 無功過勵限制 滯相定子過電流限制滯相定子過電流限制 最小勵磁電流限制 無功欠勵限制 進相定子過電流限制進相定子過電流限制 V/FV/F限制限制保護功能 PTPT斷線保護斷線保護 空載過電壓保護 過勵保護過勵保護 欠勵保護欠勵保護 V/FV/F保護保護完善提高的功能配置(2) 故障檢測 同步信號故障檢測 PTPT信號斷線檢測信號斷線檢測 電源故障

19、檢測 脈沖丟失檢測 脈沖計數(shù)檢測脈沖計數(shù)檢測 告警檢測 同步信號相位不對稱 同步信號測頻錯誤 定子電壓信號相位不對稱 定子電壓信號測頻錯誤容錯功能 模擬量測量容錯 定子電壓測量容錯 定子電流測量容錯 勵磁電流測量容錯 有功功率測量容錯 無功功率測量容錯 開關(guān)量輸入容錯 勵磁啟停信號輸入容錯 勵磁增減信號輸入容錯 出口開關(guān)信號輸入容錯 發(fā)電機工況容錯發(fā)電機工況容錯完善提高的功能配置(3)輔助功能通訊及人機接口輔助分析系統(tǒng) 故障定位系統(tǒng) 超前預(yù)警系統(tǒng)試驗或故障自動錄波試驗或故障自動錄波事件順序記錄事件順序記錄液晶顯示加鍵盤人機接口液晶顯示加鍵盤人機接口后臺工控機人機接口PCS-9400發(fā)電機勵磁系

20、統(tǒng)PCS-9400發(fā)電機勵磁系統(tǒng)PCS-9400發(fā)電機勵磁系統(tǒng)PCS-9400A自并激靜止勵磁系統(tǒng)G GRCS-9410A調(diào) 節(jié) 器RCS-9420RCS-943XE ET TT TV VT TA APCS-9400B兩機它勵系統(tǒng)E EX XG GRCS-9420RCS-9420RCS-943XRCS-9410B調(diào)節(jié)器T TA AT TV VE ET TT TA ARCS-9411A恒壓調(diào)節(jié)器T TV VPCS-9400C三機勵磁系統(tǒng)（1）EXEXGPEXPEXRCS-9410C調(diào)節(jié)器RCS-9420RCS-9421TVTVTATARCS-943XPCS-9400C三機勵磁系統(tǒng)（2）EXEXGETETRCS-9410C調(diào)節(jié)器RCS-9420RCS-9421TVTVTAT