励磁基本原理

手动方式FCR控制
励磁调节器的手动方式FCR，为励磁电流负反馈闭环控制，用于维持 励磁电流恒定、稳定。
FCR，是励磁调节控制的辅助运行方式。在发电机端PT回路出现故障、 自动方式采集的机端电压出现异常情况时，励磁调节器自动切换为手
动方式运行，防止励磁系统出现误强励。
IL(S) 电流反馈
Igd 电流给定
除稳态误差； 对动态特性的影响
比例控制KP加大，会使系统的动作灵敏、响应速度快；KP 偏大，振荡次数变多，调节时间加长，当KP太大时，系统 会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的响应缓慢。
积分参数的作用和影响
对稳态特性的影响 积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精 度。但若TI太大，积分作用太弱，将不能减小稳态误差；
灭磁系统的构成原理图
灭磁系统的基本工作原理
发电机正常运行中，励磁电压比较小，控制单元不能 触发可控硅开通，灭磁电阻回路中没有电流通过 。
当灭磁开关分断后进行灭磁时，转子电感两端出现较大 的反向电压，同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路， 把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路开通，转子电流就可以快 速转移到灭磁电阻回路，通过灭磁电阻把电流转换为热量 释放。
换相是严格按顺序的。
发电机转子相当于大电感。三 相全控桥带电感负载下的二个主 要工作状态：
整流状态：交流变直流，能量供 给，输出电压Ud>0。
逆变状态：直流变交流，能量反 送，输出电压Ud<0。
三相全控桥电路要点
三相全控桥带电感负载下的二个重要关系公式：
Ud=1.35U2cosa，a为整流桥触发控制角 I2＝0.816Id
三相全控桥的集中式阻容保护电路：C1主要吸收
2.4 灭磁系统
灭磁，即是快速把转子电感中储存的大电流
释放掉，以保证发电机安全运行，保护机组和其
它设备安全 。
转子电感是大的储能元件，电感中的电流是
不能突变的。储存能量为：
W
1 2
L
f
I
f
2
灭磁系统由灭磁开关、灭磁电阻及灭磁回路 开通控制单元组成。灭磁，就是把转子中储存的 能量转移到灭磁电阻中，来消耗掉。
AVR的数学控制模型
给定值 Ref
+ －
电压 偏差
Βιβλιοθήκη BaiduPID控制
比例
励磁电压
机端电压
Efd
Ut
微分
发电机
积分
AVR数学模型中的放大倍数Kavr
• Kavr关系到发电机端电压的调节精度。在保证AVR闭环调节稳定的前 提下，Kavr越大，机端电压的调节精度越高，越能维持机端电压的恒 定。
• 超前－滞后环节的参数整定，保证AVR闭环控制稳定，并有良好的动 态特性。通过励磁标准中机端电压阶跃试验的指标来验证。
• 通过PSS实现的主要目标就是：获得一个附加的电磁力矩，在电力系 统低频振荡区（0.1～2.0Hz）内使该力矩向量对应Δω轴在超前10º~ 滞后45º以内，并使本机振荡频率下的力矩向量对应Δω轴在0º~滞后 30º以内，以尽可能的提供较大的正阻尼力矩，抑制低频振荡。
• PSS环节的参数，需要经过电网公司认可、具有资质的第三 方试验单 位（一般是各电网的电科院）进行现场试验后给出。
移能型灭磁开关——灭磁开关分断励磁回路后，将转 子电流转移到灭磁电阻上消耗或吸收，开关本身基本 不吸收灭磁能量。灭磁能量大，灭磁时间快，普遍采 用。典型产品：国产DM4、DMX，进口ABB-E、UR、 HPB型。
灭磁中的移能
• 灭磁过程中，移能成功的条件：
U DCarc U E U r
灭磁开关要有足够高的弧压，才能顺利实现移能。 UR、HPB型灭磁开关的弧压，都在4000V以上。
典型的控制算法：闭环负反馈控制、超前－滞后补
偿算法或经典PID算法，自动维持发电机电压恒定、稳定。
附加PSS控制功能，经济、有效地提高电力系统稳 定性。
励磁调节器构成
第3部分 励磁调节器的主要功能
现有的励磁控制理论
• PID • PID+PSS • 线性最优控制 • 自适应最优控制 • 非线性控制 • 鲁棒PSS（NLPSS）
• 自动方式，是励磁调节控制的主要运行方式，由两部分组成：自动电 压调节器，即AVR；及PSS附加控制。
• AVR为机端电压负反馈闭环控制，用于自动维持机端电压恒定、稳定。 为使励磁系统有良好的静、动态性能，AVR可采用两级超前－滞后校 正环节。
• PSS（电力系统稳定器）做为AVR的附加控制，用于增加电力系统的正 阻尼，从而抑制电力系统有功低频振荡。它不降低励磁系统AVR调节 的增益，不影响励磁控制系统的暂态性能 。PSS已成为励磁调节器的 标配环节，在国内外电力系统中都得到了广泛应用。
按响应速度分类：
慢速励磁系统 快速励磁系统 高起始励磁系统
• 直流励磁机励磁系统：70年代以前
开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠 ，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发 同步问题，控制简便，运行可靠性高。
• 交流励磁机励磁系统：80、90年代，直流励磁机制造容量有限，大型 机组采用。俗称三机励磁。
晶闸管的关断条件：以下任一条件即可关断 1. 主回路断开； 2. 晶闸管两端处于反向电压时（阳极电压低于阴极电 压） 3. 流过晶闸管的电流下降到小于维持电流
三相全控桥电路结构
SCR循环导通顺序：至少有2个 可控硅开通。 12－32－34－54－56－16－ 12…… 1个工频周期完成1个换 相导通循环。
度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题
• 自并励励磁系统：自并励静止励磁系统取代直流励磁机和交流励磁机 励磁系统是技术发展的必然。国内所有的新建水电站和大部分的火电 厂都使用自并励励磁系统。
第2部分 自并励励磁系统的基本构成
自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中 型发电机组中普遍采用。其主要技术特点： 接线简单、结构紧凑； 取消励磁机，发电机组长度缩短，减小轴系振动，节 约成本； 典型的快速励磁系统； 调节性能优越，通过附加PSS控制可以有效提高电力系 统稳定性。
大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度等。但当TD 偏大时，超调量较大，调节时间较长。当TD偏小时，同样 超调量和调节时间也都较大。只有TD取得合适，才能得到
比较满意的效果。
PSS的数学控制模型：PSS2A
PSS数学模型说明
• PSS2A以转速信号与电功率信号合成的加速功率做为PSS的输入量， 在解决“反调”问题的同时，不影响PSS的阻尼效果。
三相全控桥电路的典型波形
α=00: 自然换相点， 二极管整流， AC变DC
α=0～900: 整流状态， AC变DC
α=1500: 逆变状态， DC变AC
因电感引起换弧角 带来的过电压尖峰， 逆变颠覆
实际电路器件介绍： 快熔、阻容、分流器、 表记、均流、开关、 脉冲变等
三相全控桥的散热
• 可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般1～ 2V），造成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大承 受结温（PN结）是125℃。
2.3 可控硅整流桥
可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方 式，实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务，给发 电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。
晶闸管的伏安特性
电力电子技术的发展：IGBT
晶闸管的导通与关断条件
晶闸管的导通条件：以下两条件须同时具备 正向阳极状态（阳极电位高于阴极电位）； 控制极加上触发电压（或触发脉冲）；
灭磁电阻
• 线性电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。 • 氧化锌ZnO非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理
想。
• SiC非线性电阻，国外生产，经常采用英国M&I公司的产品，超大型 机组应用较多，比如：三峡、龙滩、拉西瓦等；灭磁时间适中。
• 水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。 • 单片ZnO阀片的工作能容量是15KJ，而单片SiC阀片的工作能容量为
• 励磁标准中要求机端电压的调节精度为0.5％。即，在AVR给定值 Uref不变的情况下，发电机输出从空载到满载的过程中，机端电压的 变化不超过发电机额定电压的0.5％。
比例参数的作用和影响
对稳态特性的影响
加大比例控制KP，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误 差，提高控制精度，但加大KP只减小误差，却不能完全消
• 灭磁系统灭磁：在发电机事故、过压或系统故障情况下停机时，励磁 电流较大，希望能快速灭磁，消除故障、防止事故扩大化，采用分断 灭磁开关的方法将能量转移到灭磁电阻中实现快速灭磁。灭磁系统灭 磁的时间一般在5s以下。
2.5 励磁调节器
励磁系统的控制核心，利用自动控制原理，自动控 制可控硅整流桥的触发角度、快速调节励磁电流大小，实 现励磁系统的各种控制功能，使发电机组满足各种发电工 况的运行要求。
• 可控硅散热方法：可控硅压装散热器，并启动冷却风机进
行风冷散热。
三相全控桥的保护
• 可控硅过流保护：每可控硅串联快速熔断器。 • 可控硅换相尖峰过电压保护：可控硅两端并联R、C吸收
电路，或采用集中式阻容保护。 • 由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变的漏感，集中式阻
容保护可以直接吸收，保护效果更好。
灭磁开关
灭磁开关的基本作用：控制转子绕组中励磁电流的接 通、分断；灭磁开关分断后，配合灭磁电阻完成灭磁 的任务。
耗能型灭磁开关——灭磁开关分断励磁回路后，利用 开关断口将灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧 室内燃烧，使电弧能量消耗完毕，实现灭磁。灭磁能 量有限。很少采用。典型产品：国产DM2型。
励磁系统原理
第1部分 励磁系统的几种主要类型
励磁系统的组成与分类
自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器） 励磁电源（励磁机、励磁变压器） 整流器（AC/DC变换，SCR、二极管） 灭磁与转子过电压保护 按励磁电源分类： 直流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统 无刷励磁系统 自并励励磁系统
对动态特性的影响 积分时间常数TI偏小，积分作用强，振荡次数较多，TI太 大，对系统性能的影响减小。当时间常数TI合适时，过渡 性能比较理想。
微分参数的作用和影响
微分控制的作用跟偏差信号的变化趋势有关，通过 微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，可以较好 地改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加
Ud、Id－－直流输出侧电压、电流； U2、I2－－交流输入侧线电压、相电流；
触发控制角的理论范围0~180°，超出此范围外的触发信号就会造 成混乱。触发控制角的角度控制是严格的，一般实用范围：10～150°
0～90°：整流状态； 90～180°：逆变状态。 逆变状态时为什么是负的？电流方向与原来一致，而电压方向反， 因此功率传送方向会反转，从整流态到逆变态，完成能量消耗。 自并励情况、发电机空载状态下，可实现逆变灭磁。转子电流通过 发电机、励磁变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长，10s左右。
62.5KJ。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需 要几百片非线性电阻阀片串、并联连接。并联均能或并联均流问题突 出。 SiC阀片容量大、其伏安特性更适合并联，所以，在超大型发电 机的励磁系统中普遍使用。
两种灭磁方法
• 逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流 桥处于逆变状态，使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源 侧及回路电阻中消耗，实现灭磁。在自并励励磁系统中，由于在逆变 灭磁过程中，发电机端电压也在不断减小，吸收能量不断减小，所以， 逆变灭磁的时间比较长。空载额定状态下，逆变灭磁时间一般达到 10s。
2.1 自并励励磁系统的主要组成部分
2.2 励磁变压器
• 将高电压隔离并转换为适当的低电压，供整流器使用。一 般接线组别：Y/d-11。
• 励磁变的额定容量要满足发电机1.1倍额定励磁电流的要 求。
• 励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。 • 励磁变的绝缘等级：F级或H级。 • 励磁变的额定最大温升：80K或100K。
• 无刷励磁系统：三机励磁的变形。用于励磁电流大（6000A以上）的 超大型机组，比如核电；或有腐蚀性气体的环境，比如石油加工的自 备电厂。
无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠 性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可 靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温