励磁系统理论福建学习班讲稿Word文档格式.docx

1、我国生产的、使用直流励磁机励磁系统的汽轮发电机的最大容量为125MW。对于水轮发电机来说，速度较低，直流励磁机的容量可能做得大一些，我国生产的、使用直流励磁机励磁系统的水轮发电机的最大容量达到300MW。随着电力电子技术的发展和在电力工业中的应用，直流励磁机励磁系统，我国新投产的100MW及以上的发电机已不再使用直流励磁机励磁系统了。1-发电机定子 4-灭磁电阻 7-手动调节电阻2-发电机励磁绕组 5-直流励磁机 8-强励开关3-灭磁开关 6-直流励磁机励磁绕组 9-自动励磁调节器 图 2-1 直流励磁机励磁系统原理图2.2 交流励磁机励磁系统由交流发电机（交流励磁机）提供励磁电源的励磁系统叫

2、交流励磁机励磁系统。交流励磁机为50200Hz的三相交流发电机，交流励磁机的三相交流电压经三相全波桥式整流装置整流后变为直流电压，向同步发电机提供励磁。交流励磁机的拖动方式为由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式。交流励磁机的励磁方式绝大部分为它励方式，只有极少数采用复励（有串激绕组）方式。根据整流装置采用的整流元件的不同，交流励磁机励磁系统可分为交流励磁机不可控整流器励磁系统和交流励磁机可控整流器励磁系统。交流励磁机不可控整流器励磁系统 交流励磁机不可控整流器励磁系统一般由交流励磁机、不可控整流装置、励磁调节器和交流副励磁机等组成（图2-2）。 同步发电机的励磁电源是交流励磁机的输出。不可控整

3、流装置将交流励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节交流励磁机的励磁电流和输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。励磁调节器从同轴副励磁机取得电源。副励磁机一般为350500Hz的中频永磁交流发电机。有些交流励磁机不可控整流器励磁系统的励磁调节器，不是从同轴副励磁机取得电源，而是通过励磁变压器从发电机机端取得电源，此时，励磁变压器也是主要组成部分（图2-2虚线所示）。励磁调节器的电源由同轴副励磁机供给时简称为三机系统；励磁调节器的电源通过励磁变压器由发电机供给时简称为两机系统。两机系统中励磁调节器的最大输出电压与发电机的机端电压的

4、大小成正比。1-副励磁机 2-调节器功率单元 3-主励磁机励磁绕组 4-主励磁机 5-静止整流器 6-发电机 7-电压互感器 8-电流互感器 K-灭磁开关 R-灭磁电阻 图 2-2 交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图 当不可控整流装置为静止整流装置时，称为交流励磁机不可控静止整流器励磁系统，一般简称为交流励磁机静止整流器励磁系统。此时，交流励磁机的励磁绕组在转子上，与发电机转子及副励磁机转子同轴同速旋转。交流励磁机的电枢、 不可控整流装置和励磁调节器都是静止的。 交流励磁机静止整流器励磁系统中的交流励磁机和发电机都需要配滑环、炭刷。又称为有刷励磁（系统）。但是交流机本身没有换向问题，因此，其

5、容量不受限制。但是，由于旋转部件较多，励磁系统发生故障的可能性也较多。同时，由于轴系长，轴承座较多。容易引起机组振动超标，轴系稳定问题应引起注意。当不可控整流装置采用旋转整流器时，称为交流励磁机不可控旋转整流器励磁系统，一般简称为交流励磁机旋转整流器励磁系统。此时，交流励磁机的励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上。励磁调节器是静止的，交流励磁机的励磁绕组也是静止的。交流励磁机的电枢绕组、副励磁机转子、不可控整流装置与发电机转子同轴同速旋转。交流励磁机和发电机都不需要配滑环、炭刷，因此，这种励磁系统又称为无刷励磁系统。无刷励磁系统的主要特点是：交流励磁机和发电机都没有滑环、炭刷，励磁容量可以不受限

6、制；没有滑环、炭刷，运行维护方便；没有滑环、炭刷，不会产生火花，可以使用于有易燃、易爆气体的场合；没有滑环、炭刷，不会产生炭粉和铜末，因而不会导致电机绕组的绝缘被污染而降低绝缘水平。 三机系统和两机系统都可以是无刷励磁系统。 交流励磁机不可控整流器励磁系统是目前我国电力系统中使用最多的励磁系统。 交流励磁机可控整流器励磁系统 交流励磁机可控整流器励磁系统由三相可控整流桥、发电机的励磁调节器、交流励磁机及其自励恒压装置（系统）组成（图2-3）。同步电机的励磁电源是交流励磁机的输出。可控整流装置将交流励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可

7、控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。这种励磁系统也称为它励可控硅励磁系统。ZLH交流主励磁机自励恒压系统 KZ-可控整流桥 FLQ-发电机转子 F-发电机定子 YH-电压互感器 LH-电流互感器图2-3 交流励磁机可控正流器励磁系统原理图在我国使用的交流励磁机可控整流器励磁系统，绝大部分是随发电机一起从俄罗斯和捷克等国家进口的。发电机容量从200MW1000MW不等。国内基本没有正式生产这种励磁系统。2.3 静止励磁机励磁系统 静止励磁机是指从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器向发电机提供直流励磁电源的励磁机。由静止励磁机向同步发电机提供

8、励磁的励磁系统称为静止励磁机励磁系统。 静止励磁机励磁系统分为电势源静止励磁机励磁系统和复合源静止励磁机励磁系统。 电势源静止励磁机励磁系统又称为自并励静止励磁系统，有时也简称为机端变励磁系统或静止励磁系统。同步电机的励磁电源取自同步电机本身的机端。它主要由励磁变压器、自动励磁调节器、可控整流装置和起励装置组成（图2-4）。励磁变压器从机端取得功率并将电压降低到所要求的数值上；可控整流装置将励磁变压器二次交流电压转变成直流电压；自动励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求；起励装置给同步电机一定

9、数量（通常为同步电机空载额定励磁电流的1030%）的初始励磁，以建立整个系统正常工作所需的最低机端电压，初始励磁一旦建立起来，起励装置就将自动退出工作。从厂用电系统取得励磁电源的可控整流器励磁系统，当其电压基本稳定，与发电机端电压水平基本无关时，可以看作为它励可控硅励磁系统；当厂用电系统电压与发电机端电压水平密切相关时，看作为自并励静止励磁系统。自并励静止励磁系统的主要优点是：无旋转部件，结构简单，轴系短，稳定性好；励磁变压器的二次电压和容量可以根据电力系统稳定的要求而单独设计。响应速度快，调节性能好，有利于提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性。自并励静止励磁系统的主要缺点是，它的电压调节通道

10、容易产生负阻尼作用，导致电力系统低频振荡的发生，降低了电力系统的动态稳定性。但是，通过引入附加励磁控制（即采用电力系统稳定器-PSS）, 完全可以克服这一缺点。电力系统稳定器的正阻尼作用完全可以超过电压调节通道的负阻尼作用，从而提高电力系统的动态稳定性。这点，已经为国内外电力系统的实践所证明。美国GE公司生产的称为GENERREX-PSS的励磁系统在我国也有应用。其接线图如图8所示。这是一个性能上介于自并励静止励磁系统和它励可控硅励磁系统之间的励磁系统。发电机的励磁功率由定子绕组槽内的三根附加线棒（称为P线棒）提供的。三根P线棒分别放置在定子上相互为120空间几何角度的三个槽内，组成的线圈切割

11、气隙磁通，产生基频电势。基频电势被接到励磁变压器的一次侧。励磁变压器的二次电压接到可控整流装置，整流后向发电机提高励磁。复合源静止励磁机励磁系统又称为自复励静止励磁系统，它采用电压源整流变压器和电流源整流变压器两种整流变压器。 复合源静止励磁机励磁系统主要有三种形式 整流器直流侧两个电源串联、电压相加； 整流器交流侧两个电源并联、电流相加； 整流器交流侧两个电源串联、电压相加。国产水轮发电机上曾采用过整流器交流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止励磁机励磁系统，进口水轮发电机上曾采用过整流器直流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止励磁机励磁系统。现在已经基本上不再采用复合源静止励磁机励磁系统了

12、。KZ-可控整流桥 FLQ-发电机转子 F-发电机定子 YH-电压互感器 LH-电流互感器 LB-励磁变压器 图2-4 自并励静止励磁系统 常规励磁系统是指励磁机时间常数在0.5s左右及大于0.5s的励磁系统。直流励磁机励磁系统，无特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统都属于常规励磁系统。 快速励磁系统是指励磁机时间常数小于0.05s的励磁系统。交流励磁机可控整流器励磁系统，静止励磁机励磁系统都属于快速励磁系统。 高起始励磁系统是指发电机机端电压从100%下降到80%时，励磁系统达到顶值电压与额定负载时同步电机磁场电压之差的95%所需时间等于或小于0.1s的励磁系统。这种励磁系统主要是指采用

13、了特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统。所采用的措施主要为加大副励磁机容量和增加发电机磁场电压（或交流励磁机励磁电流）硬负反馈。直流励磁机励磁系统在采用相应措施后也可达到或接近高起始励磁系统。3. 国家标准和行业标准对励磁系统和励磁控制系统的基本要求 励磁系统和励磁控制系统的含义不同。励磁系统是“提供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以及保护装置”，而励磁控制系统则是包括所有调节与控制元件和控制对象（同步电机）的反馈控制系统，不包括那些不参与调节与控制的元件如灭磁装置等。 励磁系统的国家标准GB/T 7409.17409.3-1997 “同步电机励磁系统”对

14、励磁系统的基本性能做出了规定，主要有3.1 当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电压和电流的1.1倍时，励磁系统应保证能连续运行。3.2 励磁顶值电压应根据电网情况与发电机在电网中的地位确定，但必须：励磁系统顶值电压的倍数： a. 100MW及以上汽轮发电机不低于1.8倍； b 50MW及以上水轮发电机不低于2.0倍； c 其他不低于1.6倍。3.3 对于用电势源静止励磁机的系统,其励磁顶值电压倍数应按发电机端正序电压为额定值80时计算。3.4 励磁系统允许强励时间应不小于10s。3.5 励磁系统标称响应50MW及以上水轮发电机和 100MW及以上的汽轮发电机励磁系统的标称响应不低于

15、2单位秒；其他不低于1单位秒。3.6 自动电压调节器应保证能在发电机空载额定电压的70%110%范围内进行稳定、平滑地调节。3.7 励磁系统的手动控制单元，应保证同步发电机磁场电压能在空载磁场电压的20到额定磁场电压的110范围内稳定地平滑调节。3.8 同步发电机在空载运行状态下，自动电压调节器和手动控制单元的给定电压变化速度每秒不大于发电机额定电压的1，不小于0.3。3.9 励磁系统应保证同步发电机端电压调差率（无功电流补偿率）： 半导体型士10 电磁型土53.10 励磁系统应保证同步发电机端电压静差率： 半导体型士1 电磁型土33.11 励磁系统应保证在发电机空载运行状态下，频率变化1时，

16、端电压变化率： 半导体型士0.25 电磁型士23.12 在空载额定电压情况下，当发电机给定阶跃为土 10时，发电机电压超调量应不大于阶跃量的50，摆动次数不超过3次，调节时间不超过10。3.13 当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15，电压摆动次数不超过3次，调节时间应不超过10。3.14 自动电压调节器按用户要求可以全部或部分装设以下附加功能： a远方或就地给定装置； b电压互感器断线保护； c负载电流（无功或有功）补偿； d过励限制； e欠励限制； f伏赫比（VHz ）限制； g.电力系统稳定器（ ）； h过励磁保护； i其他附加功能。3.15

17、当磁场电流小于1.1倍额定值时，磁场绕组两端所加的整流电压最大瞬时值不应大于规定的磁场绕组出厂试验电压幅值的30。3.16 同步发电机磁场回路使用功率整流器的励磁系统应装设转子过电压保护，并在运行中可能发生有害过电压情况下可靠地动作。无刷励磁系统叮以不加装转子过电压保护装置。3.17 励磁系统应有自动灭磁功能。能在下述工况可靠的灭磁： a发电机运行在系统中，其磁场电流不超过额定值，定子回路外部短路或内部短路； b发电机空载； c发电机空载强励。3.18 使用功率整流器的励磁系统中的功率整流器，其并支路数等于或大于4，而有1/4支路退出运行时，应保证包括强励在内的所有运行工况所需的励磁电流，其1

18、/2支路退出运行及并联支路数小于4，而有一条支路退出运行时，应保证同步发电机额定工况连续运行所需励磁电流。3.19 静止励磁系统应能可靠起励，起励电源可采用直流或交流整流电源。3.20 励磁系统中设有必要的信号及保护装置，以防止和监视励磁系统各种故障扩大。3.21 励磁系统控制柜的噪声应不大于 80 d b （）。3.22 励磁系统平均强迫切除率应不大于0.2。4. 励磁控制系统的主要任务同步发电机尤其是大型同步发电机的励磁控制系统对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。励磁控制系统的任务虽然可以很多，但其主要任务（在可靠性高的前提下）是维持发电机（或其他控制点例如电厂高压侧母线）的电压在给定值

19、水平上和提高电力系统运行的稳定性。 4.1 同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是维持发电机电压在给定水平上同步发电机励磁控制系统可以完成许多任务，但其中最基本和最重要的任务是维持发电机端（或指定控制点）电压在给定的水平上。我国国家标准规定，自动电压调节器应保证同步发电机端电压静差率小于1%。 这就要求励磁控制系统的开环增益（稳态增益）不小于100p.u（对水轮发电机）或200p.u（对汽轮发电机）。把发电机端电压维持在把维持电压水平看作励磁控制系统最基本最主要的任务，有以下三个主要原因。第一，保证电力系统运行设备的安全。电力系统中运行的设备都有其额定运行电压和最高运行电压。发电机电压

20、水平是电力系统各点运行电压水平的基础，保证发电机端电压在容许水平上，是保证发电机电压及系统各点电压在容许水平上的基础条件之一，也就是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态，而且能在大扰动后的稳态中能保证发电机电压水平在给定的容许水平上。发电机运行规程规定大型同步发电机运行电压正常变化范围为5%，最高电压不得高于额定值的110%。第二，保证发电机运行的经济性发电机在额定值附近运行是最经济的。当发电机电压下降时，输出同样的功率所需要定子电流会上升，损耗增加。当发电机电压下降过大时，由于定子电流的限制，将使发电机的出力受到限制。因此，规程3规定，大型发电

21、机运行电压不能低于额定值的90%，当发电机电压低于95%时，发电机应限负荷运行，其他电力设备也有这个问题。第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。从下面分析可以看到，提高励磁控制系统维持发电机电压水平的能力的同时，也提高了电力系统的静态稳定和暂态稳定水平。4.2 同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的稳定性电力系统稳定可分为功角（机电）稳定、电压稳定和频率稳定等。功角稳定包括静态稳定、动态稳定和暂态稳定。励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为简单、经济而有效的措施。4.2.1 同步电

22、机励磁控制系统对提高静态稳定的作用 以图4-1为一个单机无限大母线系统，发电机输送功率可以表示为图4-1 单机无限大母线系统 （4-1） （4-2） （4-3） 其中 设Ut=1.0,Us=1.0,发电机并网后运行人员不再手动去调整励磁,则无电压调节器时的静稳极限、有能维持E恒定的调压器时的极限、有能维持发电机端电压恒定的调压器时的静稳极限分别为：0.4、0.77和1.0。 可见，当自动电压调节器能维持发电机电压恒定时,静态稳定极限达到线路极限,比维持E恒定的调节器,提高静稳极限约30%.维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定极限的要求是一致的，是兼容的。当励磁控制系统能够维持发电机电

23、压为恒定值时,不论是快速励磁系统,还是常规励磁系统,静态稳定极限都可以达到线路极限。4.2.2 同步电机励磁控制系统系统对提高暂态稳定的作用 暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性。励磁控制系统的作用主要由三个因素决定。 （1） 励磁系统强励顶值倍数 提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。提高励磁系统强励倍数的要求，与提高调压精度并没有矛盾，是兼容的。（2） 励磁系统顶值电压响应比 励磁系统顶值电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利。顶值电压响应比，主要由励磁系统的型式决定，但是，励磁控制器的控制规律和参数对电压响应比也可以有举足轻重的影响。有优良控制规

24、律和参数的励磁控制系统，可以把一个慢速励磁改造成一个接近快速励磁系统的高起始励磁系统，一个规律和参数不合理的励磁控制装置也可以把一个快速励磁系统改变为一个慢速励磁系统。 在相同的控制规律下，增大励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比，同时，也提高了电压调节精度。（3） 励磁系统强励倍数的利用程度充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重要因素。如果电力系统发生故障时，励磁系统的输出电压达不到顶值，或者维持顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的值时，就不进行强励了，那么，它的强励倍数就没有很好发挥，改善暂态稳定的效果就不好。充分利用励磁系统顶值电压的措施之

25、一，就是提高励磁控制系统开环增益，开环增益越大，强励倍数利用越充分，调压精度也越高，也就越有利于改善电力系统暂态稳定。 由此可见，提高励磁控制系统保持端电压水平的能力，与提高电力系统暂态稳定是一致的、兼容的。4.2.3 同步电机励磁控制系统系统对提高动态稳定的作用电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。分析证明，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。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增

26、益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的。解决这个不兼容性的办法有：（1） 放弃调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。这对静态稳定性和暂态稳定性均有不利的影响，是不可取的。（2） 电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。这种方法可以达到既保持电压调节精度，又可减少电压调压通道的负阻尼作用的两个目的。但是，这个环节使励磁电压响应比减少，不利于暂态稳定，也是不可取的。（3） 在励磁控制系统中，增加附加励磁控制通道解决电压调节精度和动态稳定之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中，增加其他控制信号。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

27、的，而使动态稳定极限的水平达到和超过咱态稳定和静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位。因此，又称为附加励磁控制。 电力系统稳定器即PSS是使用最广、最简单而有效的附加励磁控制。4.2.4 提高电力系统稳定性是电网和电厂的共同责任和共同的利益所在 电力系统是由发电（发电厂）、输电（电网）和用电（配电、供电和用户）三部分组成的。电力系统的稳定性是由发电的稳定性、输电的稳定性和用电的稳定性来共同实现的，缺一不可。电力系统的稳定性不但和电网的结构、运行方式的合理安排有关，而且和发电机的控制系统的规律和参数有重要的关系。也只有电力

28、系统的稳定性提高了，才能保证每个发电厂有更多的安全、满发的机会。把提高和保证电力系统稳定的任务看作仅仅是电网的事、与电厂无关的想法是片面的、错误的。5. 对励磁控制系统的稳定性的要求为了发挥励磁控制系统在提高电力系统稳定上的作用，励磁控制系统本身必须是稳定的。励磁控制系统的稳定性包括空载稳定性和负载稳定性。励磁控制系统的空载稳定性是指发电机不并网、空载条件下的稳定性。由发电机空载条件下的阶跃响应试验来检验。应当注意的是，励磁控制系统的参数应该能满足国家和行业标准各项指标的要求，而不能用降低要求的条件下来达到稳定性的要求。励磁控制系统的负载稳定性是指发电机并网带空载条件下的稳定性。励磁控制系统应该能在发电机并网后的各种运行工况下（包括进相运行、伏/赫限制动作、低励磁限制动作、过励磁限制动作等）保持稳定性。6. 电力系统稳定器的原理与实践由于电力系统的发展、