励磁系统原理介绍

一、励磁控制系统的主要任务
3）励磁控制系统对动态稳定的影响 励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系 统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。 解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措 施，是在励磁控制系统中增加其它控制信号。这种控制 信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供 的阻尼是正的，而使提高动态稳定极限的水平。
写成偏差形式，则： Pm MS
在上式两端乘以 G（S），滤去w中的噪声，有： Pm G（S） （MS
在PSS增益和超前滞后相位处 理之前所采用的输入信 号正是相当于： Pm G（S） P （MS e
de (t ) 0 dt t 1 de (t ) Kp[e(t ) e(t )dt Td ] 0 Ti dt
t
Kp -一-比例系数用于提高控制系统的响应速度,以减少静态偏差; Ti 一一积分时间常数用于消除静态误差; Td 一一微分时间常数用于改善系统的动态性能。 连续系统传递函数为： 1 Y ( S ) Kp E ( S ) Ki E ( S ) Kd E ( S ) S S
二、励磁控制系统分类与配置
2）自励交流励磁机系统 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；自动励磁调节器控制可控硅， 调整其输出电流。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。

三、励磁控制系统的调节和控制
UG
+
UF
Kp+Ki/S+Kd*S
G(S)
-
三、励磁控制系统的调节和控制
1.2 串联PID调节： 在模拟电路控制中无法采用理想PID控制，而代之以下 述串联式 PID。
Gc( s )
G(dB) GAIN
Y ( s) 1 Tc1 s 1 Tc 2 s Kp E ( s) 1 Tb1 s 1 Tb2 s
二、励磁控制系统分类与配置
1) 自励直流励磁机系统
FMK * L FLQ F CT
PT Rc LLQ
自动励磁调节器
二、励磁控制系统分类与配置
2) 它励直流励磁机系统
LMK * FMK * FLQ
LF LQ
Rc
L
F
CT
PT LLQ
自动励磁调节器
二、励磁控制系统分类与配置
自并激励磁系统的基本配置
自并激静止励磁系统主要由励磁变压器、 可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、 转子过电压保护与灭磁装置等组成。
1+T3S 1+T4S
1+T1S 1+T2S
三、励磁控制系统的调节和控制
对于同步电机的转子有 如下关系： dw Tm Te； dt （其中M为机组转子的转动惯量 ，Tm为原动机转矩， Te为发电机电磁转矩） M 在速度变化不大时，可 用功率代替转矩，则有 ： M 即有： Pm M dw P e； w0 dt w P e； w0 w P e）G（S）； w0 w P P e）G（S） e w0 dw Pm P e； dt
一、励磁控制系统的主要任务
4、保护发电机及其相关设备
二、励磁控制系统分类与配置
1、交流励磁机系统 1）它励交流励磁机系统（三机它励励磁系统）
FLQ ACFL ACL F CT
Leabharlann Baidu
PT 自动恒 压装置 自动励磁调节器
二、励磁控制系统分类与配置
1）它励交流励磁机系统（三机它励励磁系统） 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。
一、励磁控制系统的主要任务
1）励磁控制系统对静态稳定的影响
一、励磁控制系统的主要任务
1）励磁控制系统对静态稳定的影响 励磁系统的电压放大倍数Kou与励磁系统的时间常数 Te以及转子功角δ 间具有图中所示关系。 在同一转子功角下 , 随时间常数 Te 增加 , 为保证发电 机稳定运行所允许的电压放大系数增加;在同一时间常数 Te下,随转子功角δ 的增加所允许的电压放大系数减少。
二、励磁控制系统分类与配置
FLQ ACL F CT
PT
自动恒 压装置
自动励磁 调节器
二、励磁控制系统分类与配置
FLQ ACL F ZB CT
PT
自动励磁调节器
（两机一变励磁系统）
二、励磁控制系统分类与配置
3）无刷励磁系统
FLQ ACL F CT
PT PMG kz 自动励磁 调节器
二、励磁控制系统分类与配置
Y ( KT ) Kp e( KT ) Ki e( JT ) T
J 0 K
Kd [e( KT ) e( KT T )] T
T K Td Kp[e( KT ) e( JT ) [e( KT ) e( KT T )] Ti J 0 T
TE TE TE ' 1 KE KB KF KB
三、励磁控制系统的调节和控制
4、 PSS(电力系统稳定器)
励磁调节器产生的负阻尼转矩
三、励磁控制系统的调节和控制
4、 PSS(电力系统稳定器)
Δ Pe
TrS 1+TrS
Kpss1
1+T1S 1+T2S
1+T3S 1+T4S
Upss
Upss
励磁系统基本原理
一、励磁控制系统的主要任务
二、励磁控制系统分类与配置 三、励磁控制系统的调节和控制
一、励磁控制系统的主要任务
1、维持发电机或其他控制点的电压在给定水平 1）保证电力系统运行设备的安全。 2）保证发电机运行的经济性。 3）提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统 定的要求在许多方面是一致的。
UG
+
UF
+
Kp+Ki/S+Kd*S
Vf
+ +
G(S)
-
三、励磁控制系统的调节和控制
4、 PSS(电力系统稳定器)
W Tw1S 1+Tw1S Tw2S 1+Tw2S + + Ks3 P + Tw3S 1+Tw3S Ks2 1+T7S -
[
1+T8S N [1+T9S]M
]
PSS输出 Ks1
1+T5S 1+T6S
GLH FLQ F Z B
GZ
X
交流侧并联的自复激励磁系统
二、励磁控制系统分类与配置
3）交流侧电压叠加的自复激励磁系统
FLQ KZ PT Z B GLH F CT
自动励磁调节器
交流侧串联的自复激励磁系统
二、励磁控制系统分类与配置
3、直流励磁机系统
用专门的直流发电机向同步发电机转子回路提供励 磁电流的系统称为直流励磁机系统。其中的直流发电 机被称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴。 直流励磁机系统又分为自励与它励两种方式。
一、励磁控制系统的主要任务
2）励磁控制系统对暂态稳定的影响
一、励磁控制系统的主要任务
2）励磁控制系统对暂态稳定的影响 提高暂态稳定性的方法：减小加速面积或增大减速面积。 即加快故障切除时间,或在提高励磁系统励磁电压响应比 的同时,提高强行励磁电压倍数。
正常时,发电机的工作点在功率特性曲线 1的a处；当发生短路事故 时,相应功率特性曲线为曲线 3。若此时提供强行励磁以迅速提高发 电机内电势Eq,使功率特性曲线由bc段增加到bc‘段,由此在故障切除 前减少了加速面积 ( 由abcd 减少到abc’d) 。在 δ =δ c 故障切除后亦 能增加减速面积(由曲线2的dehg增加到de’h’g)。 如面积de‘h’g等于 面积def’f,则可使转子功角最大值由δ m’降到δ m,明显地提高了暂态 稳定性。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。
励磁变压器
转子电流CT
仪用PT 机端 电压 励磁PT 机端 电压
同 步 电 压 同 步 电 压
初励控制部分
AC380V
定子CT
定子 电流
FWL/B型静止励磁系统接线原理及分部组成
湛江奥里油600MW汽轮发电机励磁系统图
三、励磁控制系统的调节和控制
1、PID调节及其算法 按偏差的比例、积分和微分进行控制的 PID 调节器 , 是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节 器。 比例调节可以减小控制系统惯性时间常数，但相对 稳定性降低，而且不能消除稳态误差； 积分调节可以消除稳态误差； 微分调节可以提高控制系统的稳定性，相应可以增 加比例调节放大倍数。
一、励磁控制系统的主要任务
2）励磁控制系统对暂态稳定的影响
EqUs Pe max X
XΣ =Xd+XT+Xe/2
一、励磁控制系统的主要任务
2）励磁控制系统对暂态稳定的影响
曲线2表示切除短路故障线路后的功率特性曲线。 由于线路阻抗由Xe/2增加到Xe,使功率特性曲线的幅值减小, 其中X’Σ =Xd+XT+Xe。 曲线3表示故障中的功率特性曲线。
K 1 sT
E
E
E
FD
K 1 sT
G
V
G
T
1 1 sT A
三、励磁控制系统的调节和控制
3、 励磁电压硬负反馈
V
A

V
F
K
B
1 sT E
K
E
K
F
三、励磁控制系统的调节和控制
3、 励磁电压硬负反馈
KE KB KE ' 1 KE KBKF
KE ' KE
1 KE KB KF KB
二、励磁控制系统分类与配置
直流侧并联的自复激方式，在我国一些中、 小型汽轮发电机和水轮发电机上采用较早，有 一定的运行经验，但未得到推广。因为在系统 中短路时，复励部分与自并励部分协调配合较 差，此外，励磁变流器副方尖峰过电压问题也 比较严重。
二、励磁控制系统分类与配置
3）交流侧电压叠加的自复激励磁系统
Kp
Kr KpTc1 Tb1
Kh
KpTc1 Tc 2 Tb1 Tb2
1 1 Tb1 Tc1
1 1 Tc 2 Tb2
ω
(rad/s)
PID滤波器的幅频特性
三、励磁控制系统的调节和控制
2、 转子电压软负反馈（励磁系统稳定器ESS）
PSS
1 sT F
K
F
U
ref

K
A
1 sT C
1 sT B
Kp[ E ( S ) 1 1 E ( S ) Td E ( S ) S ] Ti S
三、励磁控制系统的调节和控制
对于计算机控制,必须将上式离散化,用差分方程代替微分方程。 采用梯形积分来逼近积分,采用后向差分来逼近微分,可得PID数字控 制算法: 离散系统全量式差分方程为：
2、静止励磁系统 1）自并励励磁系统
KZ FLQ F CT
PT
ZB
自动励磁 调节器
二、励磁控制系统分类与配置
2) 直流侧叠加的自复激方式
在 自 并 励 的 基础上加一台与发电机定子回路串 联的励磁变压器，后者另供给一套硅整流装置，二者 在直流侧叠加，则构成直流侧叠加的自励方式。叠加 方式分为电流叠加（直流侧并联）和电压叠加（直流 侧串联）两种方式。
离散系统增量式差分方程为：
Y ( KT ) Kp e( KT ) Ki e( KT ) T Kd [e( KT ) e( KT T )] T
Kp e( KT )
T Td e( KT ) [e( KT ) e( KT T )] Ti T
一、励磁控制系统的主要任务
2、控制并联运行机组无功功率合理分配
U
U
F
FM
K 0 K 0 K 0
Q
C
0
Q
L
一、励磁控制系统的主要任务
3、提高电力系统的稳定性 1）励磁控制系统对静态稳定的影响
EqUs Pe Sin Eq Xd
式中Eq一发电机内电势; Us一受端电网电压; XdΣ 一发电机与电网间的总电抗。
三、励磁控制系统的调节和控制
G(dB) GAIN
Kp
ω
(rad/s)
PID滤波器的幅频特性 G(dB) GAIN
Kp
ω
(rad/s)
PI滤波器的幅频特性
三、励磁控制系统的调节和控制
1.1 并联PID调节：(理想PID调节) 输入输出之间微分方程为：
Y (t ) Kp e(t ) Ki e(t )dt Kd