水電站勵磁系統(tǒng)原理講義第一頁，共39頁。同步電機運行時，必須在勵磁繞組中通入直流電流，建立勵磁磁場。相應的，將供給勵磁電流的整個裝置稱為勵磁系統(tǒng)

建立發(fā)電機機端電壓：發(fā)電機內電勢Eq=BLV最主要功能：維持發(fā)電機機端電壓恒定、穩(wěn)定，并根據(jù)發(fā)電機所帶負荷情況，相應的調整勵磁電流在并列運行的發(fā)電機間合理分配無功功率增加發(fā)電機的阻尼轉矩，提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性不同工況下，對發(fā)電機實行過勵磁限制和欠勵限制等第1部分勵磁系統(tǒng)的基本作用第二頁，共39頁。同步發(fā)電機的工作原理：原動機帶動轉子旋轉后，給轉子通直流電，形成旋轉磁場，旋轉磁場的磁力線切割定子繞組，產(chǎn)生感應電動勢，建立起機端電壓，當發(fā)電機并網(wǎng)與負載相連時產(chǎn)生電流，發(fā)出電能。勵磁設備的基本任務:給發(fā)電機轉子提供直流電流形成磁場。第三頁，共39頁。勵磁系統(tǒng)的主要技術要求有足夠的強勵頂值電壓。強勵電壓倍數(shù)一般取1.8~2.0具有足夠的強勵電壓上升速度有足夠的調節(jié)容量：保證勵磁電流在1.1倍額定勵磁電流時能長期運行運行穩(wěn)定，工作可靠，響應快速第四頁，共39頁。采用可靠性高、控制性能強的勵磁系統(tǒng)，是保證發(fā)電機安全穩(wěn)定運行并提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的經(jīng)濟而有效的措施。第五頁，共39頁。第2部分勵磁系統(tǒng)的幾種主要類型直流勵磁機勵磁系統(tǒng)：70年代以前；具有專用的直流發(fā)電機第六頁，共39頁。交流勵磁機勵磁系統(tǒng)：80、90年代，直流勵磁機制造容量有限，大型機組采用。俗稱三機勵磁。第七頁，共39頁。無刷勵磁系統(tǒng)：這種勵磁方式?jīng)]有專門的勵磁機，而是從發(fā)電機本身獲取勵磁電流，經(jīng)整流后再供發(fā)電機勵磁，因此又稱為自勵式靜止勵磁自勵式靜止勵磁又可分為自并勵和自復勵兩種方式最具代表性的當屬自并勵勵磁方式，通過接在發(fā)電機出口的整流變壓器（亦稱為并聯(lián)變壓器T）取得勵磁電流，經(jīng)整流后供發(fā)電機勵磁第八頁，共39頁。自并勵勵磁系統(tǒng)：自并勵靜止勵磁系統(tǒng)取代直流勵磁機和交流勵磁機勵磁系統(tǒng)是技術發(fā)展的必然。國內所有的新建水電站和大部分的火電廠都使用自并勵勵磁系統(tǒng)。第九頁，共39頁。自并勵勵磁系統(tǒng)是當今主流勵磁系統(tǒng)。已在大、中型發(fā)電機組中普遍采用。其主要技術特點：接線簡單、結構緊湊，維護方便；取消勵磁機，發(fā)電機組長度縮短，減小軸系振動，節(jié)約成本；調節(jié)性能優(yōu)越，通過附加PSS控制可以有效提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。缺點：在發(fā)電機或系統(tǒng)發(fā)生短路時，由于電壓的大幅下降或消失，導致勵磁電流的下降或消失，而此時本應大大增加勵磁（即強行勵磁）來維持電壓的?？紤]到現(xiàn)代大型電網(wǎng)多采用封閉母線，且高壓電網(wǎng)一般都裝有快速保護（0.1s內切除短路故障），認為有足夠的可靠性，故采用自并勵的機組較多。第3部分自并勵勵磁系統(tǒng)的基本構成第十頁，共39頁。3.1自并勵勵磁系統(tǒng)的主要組成部分第十一頁，共39頁。3.2勵磁變壓器將高電壓隔離并轉換為適當?shù)牡碗妷?，供整流器使用。一般接線組別：Y/d-11。勵磁變的額定容量要滿足發(fā)電機1.1倍額定勵磁電流的要求。勵磁變的二次電壓的大小要滿足勵磁系統(tǒng)強勵的要求。勵磁變的絕緣等級：F級或H級。勵磁變的額定最大溫升：80K或100K。第十二頁，共39頁。3.3可控硅整流橋可控硅整流橋一般采用三相全控可控硅整流橋的方式，實現(xiàn)把交流電轉換為可控的直流電的主要任務，給發(fā)電機提供各種運行狀況下所需要的勵磁電流。第十三頁，共39頁。三相全控橋電路結構SCR循環(huán)導通順序：至少有2個可控硅開通。12－32－34－54－56－16－12……1個工頻周期完成1個換相導通循環(huán)。換相是嚴格按順序的。發(fā)電機轉子相當于大電感。三相全控橋帶電感負載下的二個主要工作狀態(tài)：整流狀態(tài)：交流變直流，能量供給，輸出電壓Ud>0。逆變狀態(tài)：直流變交流，能量反送，輸出電壓Ud<0。第十四頁，共39頁。Ud=1.35U2cosa，a為整流橋觸發(fā)控制角I2＝0.816Id

Ud、Id－－直流輸出側電壓、電流；U2、I2－－交流輸入側線電壓、相電流；三相全控橋電路要點三相全控橋帶電感負載下的二個重要關系公式：

觸發(fā)控制角的理論范圍0~180°，超出此范圍外的觸發(fā)信號就會造成混亂。觸發(fā)控制角的角度控制是嚴格的，一般實用范圍：10～150°

0～90°：整流狀態(tài)；90～180°：逆變狀態(tài)。逆變狀態(tài)時為什么是負的？電流方向與原來一致，而電壓方向反，因此功率傳送方向會反轉，從整流態(tài)到逆變態(tài)，完成能量消耗。自并勵情況、發(fā)電機空載狀態(tài)下，可實現(xiàn)逆變滅磁。轉子電流通過發(fā)電機、勵磁變及轉子回路的電阻消耗。滅磁時間較長，10s左右。第十五頁，共39頁。三相全控橋電路的三種典型波形α=00:

自然換相點，

二極管整流，

AC變DC

α=0～900:

整流狀態(tài)，

AC變DC

α=1500:

逆變狀態(tài)，

DC變AC第十六頁，共39頁。可控硅流過電流，會在可控硅兩端產(chǎn)生電壓降（一般1～2V），造成可控硅發(fā)熱，溫度升高?？煽毓鑳炔康淖畲蟪惺芙Y溫（PN結）是125℃?？煽毓枭岱椒ǎ嚎煽毓鑹貉b散熱器，并啟動冷卻風機進行風冷散熱。三相全控橋的散熱第十七頁，共39頁。3.4滅磁系統(tǒng)

滅磁，即是快速把轉子電感中儲存的大電流釋放掉，以保證發(fā)電機安全運行，保護機組和其它設備安全。轉子電感是大的儲能元件，電感中的電流是不能突變的。儲存能量為：

滅磁系統(tǒng)由滅磁開關、滅磁電阻及滅磁回路開通控制單元組成。滅磁，就是把轉子中儲存的能量轉移到滅磁電阻中，來消耗掉。第十八頁，共39頁。滅磁系統(tǒng)的構成原理圖QFG——滅磁開關FR——SiC電阻CT——過電壓動作檢測器V61——可控硅V62——可控硅A61——可控硅觸發(fā)器第十九頁，共39頁。發(fā)電機正常運行中，勵磁電壓比較小，控制單元不能觸發(fā)可控硅開通，滅磁電阻回路中沒有電流通過。當滅磁開關分斷后進行滅磁時，轉子電感兩端出現(xiàn)較大的反向電壓，同時控制單元快速接通反向可控硅觸發(fā)回路，把滅磁電阻接入、滅磁電阻回路開通，轉子電流就可以快速轉移到滅磁電阻回路，通過滅磁電阻把電流轉換為熱量釋放。滅磁系統(tǒng)的基本工作原理第二十頁，共39頁。

滅磁開關滅磁開關的基本作用：控制轉子繞組中勵磁電流的接通、分斷；滅磁開關分斷后，配合滅磁電阻完成滅磁的任務。耗能型滅磁開關——滅磁開關分斷勵磁回路后，利用開關斷口將滅磁能量形成的電弧引入滅磁開關的滅弧室內燃燒，使電弧能量消耗完畢，實現(xiàn)滅磁。滅磁能量有限。很少采用。典型產(chǎn)品：國產(chǎn)DM2型。移能型滅磁開關——滅磁開關分斷勵磁回路后，將轉子電流轉移到滅磁電阻上消耗或吸收，開關本身基本不吸收滅磁能量。滅磁能量大，滅磁時間快，普遍采用。典型產(chǎn)品：國產(chǎn)DM4、DMX，進口ABB-E、UR、HPB型。第二十一頁，共39頁。線性電阻，汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)經(jīng)常采用；滅磁時間較長。氧化鋅ZnO非線性電阻，國內生產(chǎn)，應用普遍；滅磁時間短，較為理想。SiC非線性電阻，國外生產(chǎn)，經(jīng)常采用英國M&I公司的產(chǎn)品，超大型機組應用較多，比如：三峽、龍灘、拉西瓦等；滅磁時間適中。水輪發(fā)電機要求快速滅磁，普遍采用非線性電阻滅磁方案。單片ZnO閥片的工作能容量是15KJ，而單片SiC閥片的工作能容量為62.5KJ。在超大型水輪發(fā)電機組中，滅磁能量很大，比如10MJ，需要幾百片非線性電阻閥片串、并聯(lián)連接。并聯(lián)均能或并聯(lián)均流問題突出。SiC閥片容量大、其伏安特性更適合并聯(lián)，所以，在超大型發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)中普遍使用。滅磁電阻第二十二頁，共39頁。逆變滅磁：正常停機時采用。不需要分斷滅磁開關，控制可控硅整流橋處于逆變狀態(tài)，使轉子繞組中能量通過勵磁變反送到發(fā)電機端電源側及回路電阻中消耗，實現(xiàn)滅磁。在自并勵勵磁系統(tǒng)中，由于在逆變滅磁過程中，發(fā)電機端電壓也在不斷減小，吸收能量不斷減小，所以，逆變滅磁的時間比較長?？蛰d額定狀態(tài)下，逆變滅磁時間一般達到10s。滅磁系統(tǒng)滅磁：在發(fā)電機事故、過壓或系統(tǒng)故障情況下停機時，勵磁電流較大，希望能快速滅磁，消除故障、防止事故擴大化，采用分斷滅磁開關的方法將能量轉移到滅磁電阻中實現(xiàn)快速滅磁。滅磁系統(tǒng)滅磁的時間一般在5s以下。兩種滅磁方法第二十三頁，共39頁。3.5勵磁調節(jié)器（AVR）

勵磁系統(tǒng)的控制核心，利用自動控制原理，自動控制可控硅整流橋的觸發(fā)角度、快速調節(jié)勵磁電流大小，實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的各種控制功能，使發(fā)電機組滿足各種發(fā)電工況的運行要求。典型的控制算法：閉環(huán)負反饋控制、超前－滯后補償算法或經(jīng)典PID算法，自動維持發(fā)電機電壓恒定、穩(wěn)定。附加PSS控制功能，經(jīng)濟、有效地提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。第二十四頁，共39頁。對自動調節(jié)勵磁裝置（AVR）的要求工作可靠

AVR裝置本身發(fā)生故障，可能迫使機組停機，甚至可能對電力系統(tǒng)造成嚴重影響。有足夠的輸出容量

AVR的容量既要滿足正常運行時調節(jié)的要求，又要滿足發(fā)生短路故障時強勵的要求。動作迅速采用快速動作的AVR對改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高輸送能力具有重要意義。無失靈區(qū)沒有失靈區(qū)的AVR有助于提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。第二十五頁，共39頁?？煽毓鑴畲耪{節(jié)裝置的工作原理可控硅元件具有放大作用，適合于作勵磁裝置的放大元件。同時，它本身又是一個整流元件。可控硅勵磁裝置的構成如圖所示。調差單元GST測量比較綜合放大同步單元手控單元移相觸發(fā)單元可控硅勵磁調節(jié)器電壓給定第二十六頁，共39頁。勵磁反饋控制的基本工作原理為：通過PT和CT測量發(fā)電機電壓和無功，與給定電壓Ugn比較后獲得電壓差ΔUg=Ugn-Ug，經(jīng)綜合放大后得到控制信號Uc。根據(jù)控制信號和同步信號計算可控硅的導同角α，從而控制發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機運行在穩(wěn)定狀態(tài)。當擾動使發(fā)電機電壓升高時的反饋控制過程如下：UgΔUg=Ug.n-UgUcαUg.exUg擾動使Ug升高電壓差減少控制信號減少導通角增加勵磁電壓降低Ug降低第二十七頁，共39頁。第3部分勵磁調節(jié)器的主要功能自動方式，是勵磁調節(jié)控制的主要運行方式，由兩部分組成：自動電壓調節(jié)器，即AVR；及PSS附加控制。AVR為機端電壓負反饋閉環(huán)控制，用于自動維持機端電壓恒定、穩(wěn)定。為使勵磁系統(tǒng)有良好的靜、動態(tài)性能，AVR可采用兩級超前－滯后校正環(huán)節(jié)。PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）做為AVR的附加控制，用于增加電力系統(tǒng)的正阻尼，從而抑制電力系統(tǒng)有功低頻振蕩。它不降低勵磁系統(tǒng)AVR調節(jié)的增益，不影響勵磁控制系統(tǒng)的暫態(tài)性能。PSS已成為勵磁調節(jié)器的標配環(huán)節(jié)，在國內外電力系統(tǒng)中都得到了廣泛應用。

第二十八頁，共39頁。AVR的數(shù)學控制模型第二十九頁，共39頁。Kavr關系到發(fā)電機端電壓的調節(jié)精度。在保證AVR閉環(huán)調節(jié)穩(wěn)定的前提下，Kavr越大，機端電壓的調節(jié)精度越高，越能維持機端電壓的恒定。超前－滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)整定，保證AVR閉環(huán)控制穩(wěn)定，并有良好的動態(tài)特性。通過勵磁標準中機端電壓階躍試驗的指標來驗證。勵磁標準中要求機端電壓的調節(jié)精度為0.5％。即，在AVR給定值Uref不變的情況下，發(fā)電機輸出從空載到滿載的過程中，機端電壓的變化不超過發(fā)電機額定電壓的0.5％。AVR數(shù)學模型中的放大倍數(shù)Kavr第三十頁，共39頁。PSS的數(shù)學控制模型：PSS2A第三十一頁，共39頁。PSS數(shù)學模型說明PSS2A以轉速信號與電功率信號合成的加速功率做為PSS的輸入量，在解決“反調”問題的同時，不影響PSS的阻尼效果。通過PSS實現(xiàn)的主要目標就是：獲得一個附加的電磁力矩，在電力系統(tǒng)低頻振蕩區(qū)（0.1～2.0Hz）內使該力矩向量對應Δω軸在超前10o~滯后45o以內，并使本機振蕩頻率下的力矩向量對應Δω軸在0o~滯后30o以內，以盡可能的提供較大的正阻尼力矩，抑制低頻振蕩。PSS環(huán)節(jié)的參數(shù)，需要經(jīng)過電網(wǎng)公司認可、具有資質的第三方試驗單位（一般是各電網(wǎng)的電科院）進行現(xiàn)場試驗后給出。第三十二頁，共39頁。勵磁調節(jié)器的手動方式FCR，為勵磁電流負反饋閉環(huán)控制，用于維持勵磁電流恒定、穩(wěn)定。FCR，是勵磁調節(jié)控制的輔助運行方式。在發(fā)電機端PT回路出現(xiàn)故障、自動方式采集的機端電壓出現(xiàn)異常情況時，勵磁調節(jié)器自動切換為手動方式運行，防止勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)誤強勵。手動方式FCR控制第三十三頁，共39頁。自動方式AVR控制的整體模型描述第三十四頁，共39頁。無功調差是勵磁調節(jié)器自動方式的附加控制之一，可以根據(jù)發(fā)電機無功的變化對機端電壓進行必要的微調。正調差：實現(xiàn)機端直接并列連接的發(fā)電機間無功的合理分配。當發(fā)電機無功輸出增加時，正調差使得發(fā)電機端電壓適當降低，防止并列運行的發(fā)電機間無功互搶。負調差：當發(fā)電機無功輸出增加時，負調差使得發(fā)電機端電壓適當提高，用于補償單機－單變方式下主變的壓降損失。從系統(tǒng)母線側看，單機－單變方式下的整體調差，應表現(xiàn)為正調差。無功調差控制第三十五頁，共39頁。防止發(fā)電機因勵磁電流過度減小而引起失步以及因機組過度進相引起定子端部過熱。確保機組在并網(wǎng)運行時，將發(fā)電機的功率運行點（P、Q）限制在欠勵限制曲線上方。正常情況下，發(fā)電機輸出的無功為正。當