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1、2009年2月 山西太原国电南京自动化股份有限公司 (朱红伟)发电机励磁系统讲座欢迎各位专家同步发电机励磁系统原理 PSVR 100发电机励磁系统简介同步发电机励磁系统保护 同步发电机励磁系统故障 11/10/202221.1同步发电机原理 1.2励磁系统作用 1.3励磁系统分类 1.4励磁调节装置1.5励磁功率装置 1、同步发电机励磁系统原理 11/10/202231.1同步发电机原理 发电机是机电能量转换设备，机械能转换为电能是以磁场作为媒介，定子线圈通过切割磁力线感应电压，感应电压对外构成电路送出电能.11/10/20224定子：三相对称交流绕组（电枢）铁心转子：励磁绕组 铁心1.1同步

2、发电机原理：同步发电机结构11/10/202251、转子：磁场建立2、导体：切割运动E=BLV3、定子：感应电势E=4.44fN 4、定子：交变电势f=pn/60 5、特点：交变性与对称性1.1同步发电机原理：同步发电机工作原理 Ea=Em.sin(wt+)Eb=Em.sin(wt+-120)Ec=Em.sin(wt+120)11/10/202261、水轮发电机 2、转速较低，极数多 3、直径大，4、轴向长度短 5、工艺上较为简单 6、电气上的磁阻效应功角特性：1.1同步发电机原理：凸极式转子 11/10/202271、汽轮发电机 2、转速高，二极 3、直径大，4、轴向长度长 5、结构工艺复杂

3、 6、均匀气隙功角特性：1.1同步发电机原理：隐极式转子 11/10/202281、反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况2、调有功：调节进水或汽门3、功角处于0到90范围内 4、调节励磁影响功率的稳定输出1.1同步发电机原理：功角特性 11/10/20229发电的关键实现机电能量转换的关键1.1同步发电机原理：励磁作用 11/10/2022101.1同步发电机原理：励磁作用 励磁的基本任务励磁的基本任务G有功（P）频率（f）无功（Q）机端电压（Ug）调速调速励磁励磁同步发电机的两个基本控制：励磁同步发电机的两个基本控制：励磁&调速调速电能质量：电压电能质量：电压&频率频率11/10/2

4、02211从发电厂角度研究励磁从发电厂角度研究励磁调节发电机电压（空载、负载）调节发电机电压（空载、负载）调节发电机无功功率（负载）调节发电机无功功率（负载）多台发电机无功功率分配（调差）多台发电机无功功率分配（调差）安全可靠运行安全可靠运行1.2励磁系统的作用 11/10/202212从电力系统角度研究励磁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）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改善系统的电压稳定性二次电压控制二次电压控制

5、安全可靠运行。安全可靠运行。1.2同步发电机励磁的作用 11/10/202213同步发电机空载特性同步发电机空载特性同步发电机负载特性同步发电机负载特性1.2同步发电机励磁的作用:调节发电机电压调节发电机电压11/10/202214调节发电机无功功率（负载）调节发电机无功功率（负载）电网需要供应大量滞后性的无功功率。电网需要供应大量滞后性的无功功率。并网发电机的电压和频率将维持常数。并网发电机的电压和频率将维持常数。定有功下，通过调节励磁，可以使发电机定有功下，通过调节励磁，可以使发电机处于过励状态，输出滞后性的无功功率，处于过励状态，输出滞后性的无功功率，可以使发电机处于欠励状态，输出超前性

6、可以使发电机处于欠励状态，输出超前性的无功功率。的无功功率。1.2同步发电机励磁的作用:调节发电机无功功率调节发电机无功功率11/10/202215直线直线3是发电机自然调差特性。是发电机自然调差特性。直线直线2是负调差特性。是负调差特性。直线直线1是正调差特性。是正调差特性。正调差系数的发电机才能并联运行。正调差系数的发电机才能并联运行。1.2同步发电机励磁的作用:多台发电机无功功率分配（调差）多台发电机无功功率分配（调差）电网电压降低时，#1机承担更多无功11/10/202216恒励磁电流恒励磁电流恒瞬变电势恒瞬变电势 恒机端电压恒机端电压1.2同步发电机励磁的作用:提高系统的静态稳定性提

7、高系统的静态稳定性好的励磁相当于降低与电网连好的励磁相当于降低与电网连接电抗，缩短距离，从而静接电抗，缩短距离，从而静态稳定功率达到极限可以功态稳定功率达到极限可以功角大于角大于90度度，恒高压侧控制策率的PSVR11/10/202217起因：起因：快速快速AVR造成电力系统阻尼变弱。造成电力系统阻尼变弱。AVR的负阻尼作用随开环增益的增大而加大。的负阻尼作用随开环增益的增大而加大。远距离重负荷输电等远距离重负荷输电等解决方法：解决方法：降低调压精度，减小开环增益。不可取。降低调压精度，减小开环增益。不可取。增加动态增益衰减环节，但该环节使励磁电压增加动态增益衰减环节，但该环节使励磁电压响应比

8、减小，不利于暂态稳定。不可取。响应比减小，不利于暂态稳定。不可取。增加附加励磁控制通道，即增加附加励磁控制通道，即PSS，也是目前使，也是目前使用最广的附加励磁控制。用最广的附加励磁控制。1.2同步发电机励磁的作用:提高系统的动态稳定性（小扰动失稳）提高系统的动态稳定性（小扰动失稳）11/10/202218PSS原理原理在在-平面上，和转子速度变化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是负阻尼力矩，和角度变化同相的力矩是正同步力矩，反相的为负同步力矩。负阻尼力矩-增幅振荡而失稳负同步力矩-爬行失步PSS的输入可包括：、Pe、P、f等。1.2同步发电机励磁的作用:提高系统的动态稳定性的提高系统的动态稳定

9、性的PSS原理原理11/10/202219阻尼机电振荡的问题阻尼机电振荡的问题 Ug AVR作用大、反应快 Uf大 If大，P（力矩第一象限）产生正阻尼使原来的阻尼变大，对正面影响。1.2同步发电机励磁的作用：提高系统的动态稳定性的过程提高系统的动态稳定性的过程11/10/202220提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。稳定。励磁系统顶值电压响应比越大，励磁系统输出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，对提高暂态稳定越电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利。有利。充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系充分利用励

10、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。统改善暂态稳定作用的一个重要因素。1.2同步发电机励磁的作用：提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）11/10/202221提高暂态稳定性有两种方法提高暂态稳定性有两种方法1、减小加速面积：加快故障切、减小加速面积：加快故障切除时间除时间2、增大减速面积：提高励磁电、增大减速面积：提高励磁电压响应比；提高强励电压倍压响应比；提高强励电压倍数，使故障切除后的发电机数，使故障切除后的发电机内电势内电势Eq迅速上升，增加功迅速上升，增加功率输出，以达到增加减速面率输出，以达到增加减速面积的目的。积的目的。过

11、程：就是大扰动，突然短路，甩负荷等过程：就是大扰动，突然短路，甩负荷等手段：强励和强减手段：强励和强减 1.2同步发电机励磁的作用：提高系统的暂态稳定性方法提高系统的暂态稳定性方法11/10/202222强励原理：强励原理：继电强励继电强励：机械加模拟式，有启动低电压值：机械加模拟式，有启动低电压值现代励磁现代励磁：强励、强减是一个闭环调节过程：没有启动低电压值，：强励、强减是一个闭环调节过程：没有启动低电压值，电压突低电压突低：强励产生了。：强励产生了。故障切除故障切除：强减：强减正常正常：电压恢复：电压恢复强励返回强励返回：限制励磁电与继电强励：有强励倍数和强励时间：限制励磁电与继电强励：

12、有强励倍数和强励时间强励的倍数强励的倍数：励磁变二次电压，最小控制角确定。：励磁变二次电压，最小控制角确定。强励能力强励能力：由功率柜决定。：由功率柜决定。强励时间强励时间：规定：规定2050秒。秒。误强励误强励：强励动作不返回，是威胁励磁系统的最严重故障，大多灭磁：强励动作不返回，是威胁励磁系统的最严重故障，大多灭磁开关的烧毁就是在这种情况下发生。开关的烧毁就是在这种情况下发生。1.2同步发电机励磁的作用：提高系统的暂态稳定性：强励提高系统的暂态稳定性：强励11/10/2022231.3励磁系统的分类：IEEE定义励磁框图Excitation SystemExcitation Control

13、 System调节器功率激励同步电机电力系统励磁系统励磁系统励磁控制系统励磁控制系统11/10/202224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1.3励磁系统的分类：组成11/10/2022251.3励磁系统的分类：组成11/10/202226获得励磁电流的方法称为励磁方式获得励磁电流的方法称为励磁方式按结构分类按结构分类1.直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统2.交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统 交流励磁机不可控整流励磁系统交流励磁机不可控整流励磁系统 交流励磁机可控整流励磁系统交流励

14、磁机可控整流励磁系统3.静止励磁系统静止励磁系统按励磁电压响应速度分类按励磁电压响应速度分类1常规励磁常规励磁2快速励磁快速励磁3高起始励磁高起始励磁1.3励磁系统的分类 11/10/2022271.3励磁系统的分类：自并励（快速）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11/10/2022281.3励磁系统的分类：三机励磁（常规）组成：交流主励磁机（组成：交流主励磁机（ACLACL）和交流副励磁机（）和交流副励磁机（ACFLACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由都与

15、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。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，易引发轴系振荡缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡11/10/2022291.3励磁系统的分类：三机励磁（常规）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。无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠

16、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11/10/2022301.4励磁调节器：励磁系统核心励磁调节器：励磁系统核心励磁调节器采样发电机端电压、电流和转子电压、电流信号，同时根据开关量信号判断运行状态，运行时由给定值与实际值之差，经PID计算出可控硅控制角的控制量给脉冲形成单元，形成脉冲经放大后驱动可控硅。励磁系统参数的准确、实时测量。脉冲的数字移相、脉冲的形成 闭环调节规律的实施 保护故障报警 操作方式人机信息交换 故障录波和网络功能 电磁兼容 11/10/202231 采用背插机箱，实现强、弱电分离；箱内模件屏蔽通过环形接地圈与机箱外壳相连，大大提高电磁兼容性；布置紧凑。整流电源模件工作电源模件开出模件开入模件CPU模件CPU模件备用插槽模拟信号处理模件脉冲放大模件备 用装置模件配置1.4励磁调节器：励磁调节器：PSVR 100硬件结构硬件结构PSVR 100调节柜布置为个PSVR 101单装置，按上下排列组装11/10/2022321.4励磁调节器：励