发电厂励磁系统原理

现代励磁基础

同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小） 电力电子器件：二极管、晶闸管（可控硅）、IGBT等 PN结、单相导通特性、可控硅伏安特性 可控硅导通条件：正向电压、正向脉冲 可控硅关断条件：反向电压 同步电压、触发脉冲、脉宽调制
开关励磁
开关励磁原理
非相控电路 不需要同步 小功率 小励磁
移相原理
数字移相原理之一 1、首先计算α角； 2、将α角转换为计数器的 计数时间T； 3、由同步点启动计数器， 计数时间就是α角； 4、计数时间到，触发相应 的可控硅； 5、每隔600再触发下一个可 控硅，共6个可控硅； 6、每发一个脉冲，启动脉 宽中断，控制脉冲宽度。
模拟电路移相原理
励磁调节器输出脉冲
励磁控制系统
Blockdiagramm according IEEE
励磁机励磁与自并励
Output of Excitation System
Potential Transformers Current Transformers
Uf , I f
<
UE , I E
AVR
自并励励磁系统 IGBT
Generator
优点：取消副励磁机，轴系长度缩短；缺点：调节速度慢
自励系统（并励、复励）
静止
自并励励磁系统 组成：励磁变压器、大功率可控硅整 流柜、灭磁及过电压保护、起励设备、 自动电压调节器 优点：结构简单、响应速度快 缺点：强励时系统电压变化复杂
交流侧串联自复激励磁系统
机端短路对于自并励的影响？
励磁电压变压器ZB（并联变）的副方 电压与励磁电流变压器 GLH（串联变） 的副方电压相联（相量相加），然后 加在可控硅整流桥KZ上。当发电机负 载情况变化时，例如电流增大或功率 数降低，则加到可控硅整流桥上的阳 极电压增大，故这种励磁方式具有相 复励作用。
励磁调节器原理图
AVR（自动） 恒电压闭环 自动电压调节器 ECR（手动） 恒电流闭环 励磁电流调节器 电压给定Ugref 电流给定Ifref PID调节计算 限制功能
移相触发器原理：Ut＋Uk＝触发脉冲 模拟式移相电路：余弦移相、锯齿波移相
控制电压Uk 恒无功闭环：AVR的辅助控制
励磁调节器构成

励磁对静态稳定的影响
(a)Eq恒定(励磁电流恒定)，内 功率特性曲线(Eq=常数) (b)当Eq恒定,Eq’及U的变化 (c) Eq’恒定(发电机暂态电势 恒定) (d)当Eq’恒定，Eq及U的变化 (e) Ug恒定(发电机机端电压恒 定) （AVR） (f)当Ug恒定，Eq及Eq’的变化 (c) 和(e)分别维持Eq’和Ug为恒 定时，发电机的功角特性曲线 ？7：Eq和Eq‘励磁调节器？ 维持Eq‘和Ug不变的外功率特性曲线 静态稳定功率达到极限，功角大于900
脉冲变压器作用
隔离
功率匹配
脉冲发展形式
宽脉冲
双脉冲
宽高频脉冲 双高频脉冲
？8：脉冲列的优势
励磁调节器功能简介
无功补偿（调差） 强励电流限制（快速
限制、倍数限制） 过励限制（励磁电流 慢速、反时限） 欠励限制（P-Q） 定子电流限制（过无 功限制）（差别？） 伏赫限制（V/HZ、 U/F）（过激磁） 软起励功能 ？10： PSS功能 怎样进 电制动功能 行PT断 PT断线保护 线保护

电力系统稳定简介
电力系统稳定分为三个电量的稳定：电压稳定、频率 稳定、功角稳定。 励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定， 其次是提高功角稳定。频率稳定由调速器负责。 功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳 定。 静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性； 暂态稳定是大扰动后系统在随后的1－2个周波的稳定 性； 动态稳定是小扰动后或者是大扰动1－2周波后的，并 且采取技术措施后的稳定性，也就是PSS研究的稳定 性。
无刷励磁系统
组成：主励磁机（ACL）
电枢是旋转的，它发出的三 相交流电经旋转的二极管整 流桥整流后直接送发电机转 子回路。 无刷励磁系统中的副励磁机
旋转
（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的 磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。 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 度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题
制；365 x 24小时在线、发电机快速连续调节的唯一手段！
汽轮发电机调节原理
Turbine It n, P
G 3~
Pe PSS
Vt
Peref
h
Vf Voltage Regulator
Vtref
Turbine Governor
发电机空载特性

？2：发变组伏安特性
发电机升压试验：额定转速、Ug＝f（If）
同轴
组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同
轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。 也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。
优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响 缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡
交流励磁机系统（二机它励）
Reactive Power（Q） Terminal Voltage（Ug）
Governor调速
Static or Brushless Excitation励磁
G
同步发电机的两个基本控制：励磁&调速 电能质量：电压&频率
水轮发电厂原理
大坝、水电厂、水轮 机、发电机定子、转 子、励磁系统
水电厂其他控制设备：继电保护、调速、计算机监控、仪表 励磁与其他控制设备的最大区别：连续反馈控制 vs 离散控
励磁对暂态稳定的影响
(a)单机无限大母线系统 (b)短路故障下，功率特性曲线的变化：初 始工作曲线1；短路后3；故障切除2 暂态稳定性决定于加速面积abedabcd是否 小于或等于减速面积dfed。 提高暂态稳定性有两种方法 1、减小加速面积：加快故障切除时间 2、增大减速面积：提高励磁电压响应比； 提高强励电压倍数，使故障切除后的发电机 内电势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到 增加减速面积的目的。 正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特 性曲线增加到bc‘段（减少了加速面积）； δ 2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到 de’h’g （增大减速面积）；转子功角最大值 由δ m’降到δ m。 励磁顶值电压越高，电压响应比越快，励磁 调节对改善暂态稳定的效果越明显。
AC变DC
DC变AC
开关励磁原理示意
可控硅励磁原理
三相全控桥电路 α=00:强励状态，AC变DC α=α0:整流状态，AC变DC α=1500:逆变状态，DC变AC
全控桥与半控桥
全控桥：
整流与逆变 整流特征相同 能够逆变也能续流 Uf反相恒定 If线性衰减 灭磁快
半控桥：
整流与续流 整流特征相同 不能逆变只能续流 Uf＝0 If非线性衰减 灭磁慢 续流二极管
发电机励磁系统原理
三峡电厂陈小明 Chen_xiaoming@cypc.com.cn
励磁的基本概念
什么是励磁？

导体切割磁力线感生电动势e 励磁就是提供一个磁场B
E=4.44fNΦ
对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ
励磁的基本任务
？1：小机组P、Q同时动； 大机组并网时Q突变。
Active Power（P） Frequency（f）
可控硅组件与整流柜
？4：可控硅及其组件内部结构
三相全控桥电路要点
1234561234561234……
SCR导通顺序： 整流状态
•交流变直流，能量供给 •00<a<900 •Ud>0
逆变状态
•直流变交流，能量反送
•900<a<1500 (1800-0) •Ud<0
？5： 逆变 能量 去向
Ud=1.35U2cosa I2＝0.816Id
Main Exciter
For ExampleAC 400 V
110 V DC
Voltage Regulator
自并励磁系统
励磁装置就是提 供发电机磁场电流 的装置，包括所有 调节与控制元件， 还有磁场放电或灭 磁装置及保护装置

励磁控制系统是 包括控制对象的反 馈控制系统

励磁控制系统对 电力系统的安全、 稳定、经济运行都 有重要的影响
励磁调差原理与应用
三相全控桥实际电路波形
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
？6：交直流尖峰关系
同步发电机励磁的作用
1. 从发电厂角度研究励磁
调节发电机电压（空载） 调节发电机无功功率（负载） 多台发电机无功功率自动分配（调差） 安全可靠运行 2. 从电力系统角度研究励磁 提高系统的静态稳定性（小扰动稳定） 提高系统的动态稳定性（小扰动失稳） 提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定） 改善系统的电压稳定性 二次电压控制 安全可靠运行。
同轴
组成：交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电
流；AVR控制可控硅的触发角，调整其输出电流，亦称为两机它励励磁系 统。励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经 励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励 磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子， 亦称为两机一变励磁系统。
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 自并励励磁系统
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
交流励磁机系统（三机它励）
功角稳定比喻



腕中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的位置。如果 这个腕的高度很矮，像一个盘子，该球就有可能从碗中掉下来。此时，我 们就说这个系统静稳不足。提高腕的高度最经济的办法就是采用自动电压 调节器。。 当碗中的球受到一个大的外力，怎样保证该球不飞出，最主要措施就是快 速的继电保护。继保的作用就相当于减少这个外部力量的作用时间，继保 越快，外力的作用时间就越短，这个球就不会一下子掉下来。自动电压调 节器此时作用相当于自动改变这个腕的坡度，当这个球上升时增加坡度， 当这个球下降时就减少这个坡度，使这个球在碗中滚动幅度迅速减小。 如果这个腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间 就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断 的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统 的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断 施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动 电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统 阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压调 节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加腕和球的摩擦系数，使 球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。

励磁作用重要体现之一
ຫໍສະໝຸດ Baidu
发电机短路特性

？3：n下降的短路特性
发电机升流试验：额定转速、Ig＝f（If）

励磁作用重要体现之二
励磁重要概念
Synchronous Machine Regulator
Exciter
Synchronous Machine
Power System
励磁系统
Excitation System Excitation Control System
励磁对动态稳定的影响

单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型
当发电机与系统的外接电 抗较小，并且发电机的输出功 率较低时，系数K5为正，这时 AVR的作用是引入了一个负的 同步转矩和一个正的阻尼转矩， 有利于动态稳定； 当发电机与系统的外接电抗 较大，并且发电机的输出功率 较高时，系数K5为负，这时 AVR的作用是引入了一个正的 同步转矩和一个负的阻尼转矩 不利于动态稳定； 快速励磁系统以及特定参数 条件下造成动态稳定性恶化的 原因是由于励磁系统和发电机 励磁绕组的滞后特性所致。