励磁系统的基本概念讲解.docx

1、励磁系统的基本概念讲解励磁系统的基本概念1 励磁的含义发电机能发电即机械能转变为电能，必须有三个条件：a 有磁场（转子）b 有导线（定子）c 有使导线切割磁力线的动力（水、汽轮机）。因此，所谓励磁就是用直流电源供给发电机转子使定子产生电势的磁场。Eq=BVl （1）Eq发电机内电势B 转子产生的磁通密度V 发电机导线切割磁力线的速度l 发电机定子导线的长度从式（1）中可见，当V、l不变时，Eq是随的改变（亦即随转子电流的大小）而改变。故而研究励磁就是要控制转子电流使发电机满足电力系统各种工况的要求。2 励磁的作用a 提高电力系统稳定运行的能力电力系统无论受到任何扰动，通过调节同步电机的励磁，使

2、系统稳定运行的能力有所提高。当电力系统受到小干扰或大干扰，导致同步电机转速出现小的或者大的变速状态，使静稳定性或动稳定性亦或暂态稳定性将受到不利的影响。这时，励磁控制将使这种影响得到抑制或消除，保持同步电机的同步稳定。b 维持电力系统的电压水平发电机的内电势Eq与发电机端电压U、发电机的负载电流I及发电机电抗x的关系可由如下公式表示Eq=U+jIx （2 ）注：Eq、U、I为向量当电网的负载增大时，亦即发电机电流I增大。从公式（2）中可看出，如Eq不变，则发电机端电压U下降。如装有励磁调节器，则励磁电流（即转子电流）可随负载的增加而增加，亦即Eq增加而使发电机端电压U维持在一定的水平上。相反，

3、在发电机甩负荷后，自动励磁调节器可以及时减少励磁电流以限制机端电压不致过份升高。自动调节发电机的励磁，可以维持供电系统的无功功率或功率因数保持恒定。电压恒定是供电质量的一个重要标志。c 提高发电机功率极限和电力系统传输功率的能力d 改善电力系统及同步发电机的运行状态：提高继电保护装置的可靠性；当系统发生短路故障时，通过调节励磁（强励），使短路电流衰减得很慢，甚至不衰减。这就保证了短路电流使继电保护装置在整定值及时间内准确可靠地动作。平衡并网运行时各台发电机之间无功功率，使之合理分担系统所需无功；当系统短路故障消除，自动调节励磁使其加快系统电压恢复；通过控制励磁，除保持同步发电机的恒压运行外，还

4、可以使系统作恒无功或恒功率因数运行，以提高电力系统运行的经济性。e 对同步电动机的励磁调节器还应满足以下要求：能适应同步电动机在“起动”、“投励”及“牵入同步”过程的不同阶段内，按需对励磁自动调节；当同步电动机或调相机对系统作无功补偿运行时，调节励磁应使电机对系统具有较好的无功补偿效果和一定的进相能力；根据机械负载性质不同、负载的轻重不同，励磁调节器应具有灵活的运行方式，确保供电系统的节能效果。3 稳定性的定义3.1 静态稳定性：此定义系指电力系统的负载（或电压）受到微小扰动时，系统本身保持稳定传输的能力。这主要涉及到发电机转子功角过大而使发电机同步能力减少的情况。3.2 动态稳定性：主要指系

5、统遭受大扰动之后，同步发电机保持和恢复到稳定运行状态的能力。失去动态稳定的主要表现形式为发电机之间的功角及其它量产生随时间而增长的振荡，或者由于系统非线性的影响而保持等幅振荡。这一振荡也可能是自发性的，其过程较长。如果在大扰动事故后，采用快速和高增益的励磁调节系统所引起的振荡频率在0.23Hz之间的自发振荡，属于动态稳定范畴。3.3 暂态稳定性：当系统受到大扰动时，例如各种短路、接地、断线故障及切断故障线路后系统保持稳定的能力，发生暂态不稳定的过程时间较短，主要发生在事故后发电机转子第一摇摆周期内。以上三种分类法在60年代，英、美、西欧和日本等国划分的。目前在应用过程中出现一些概念上的混乱，因

6、此现在我国对稳定性的定义已趋向按大扰动和小干扰的定义来划分。第一类属于小干扰的稳定性，是指在无限小的干扰下，系统中发电机保持同步的能力，对此可以用线性化微分方程来进行分析。当发生小干扰不稳定时，失步的过程可以是单调增长的，如爬行失步或者振荡失步（有励磁调节情况）。第二类属于大扰动稳定性，这里指的是在诸如系统短路、接地、断相等事故作用下所发生的与同步发电机之间的同步能力的稳定性问题。大扰动稳定性的暂态过程较短，多发生在转子第一摇摆周期内。研究范围包括大扰动后的暂态及其后续行为，这一定义包括了暂态和动态稳定性问题，研究方法涉及到系统的非线性特征。3.4 稳定水平的判据在小干扰作用下稳定水平的主要指

7、标是发电机的电磁功率极限Pmax与转子运行角度的极限max，如果发电机的电磁功率超过某一个Pmax，则微动态（即静态）稳定将被破坏。在大干扰作用下暂态稳定水平有两种判别准则，第一种是用暂态稳定的功率极限来表示。暂态稳定极限功率Pmax的定义为：在正常运行下输出有功为Pe=Pel，在该情况下，若在系统K点发生某种类型的短路故障，系统仍能保持稳定，但在Pe=Pel+Pe（Pe是比Pel小得多的微小增量）的正常运行条件下，在系统K点发生同一类型的短路故障时，系统将失去稳定，则称Pel为该系统在K点发生该种类型故障下的暂态稳定极限功率。在正常运行下，Pel对应的转子功角称为暂态稳定极限角max。另一种

8、表示方法是在一定输出功率条件下，在同一故障点及同一故障形式下比较短路最大故障允许切除时间（一般为零点几秒）。时间越长，标志系统的暂态稳定水平越高。4 励磁调节对电力系统稳定的影响4.1 励磁调节对静态（微动态）稳定的影响功角特性：在正常情况下，发电机的机械输入功率与电磁输出功率是保持平衡的。其特性可用功角特性表示Eq0 发电机内电势 Us 受端电网电压 X 发电机与电网间的总电抗即（Xd+XT） 内电势与Us间的夹角（即功率角）p0 /2 从功角特性图可见在Eq为常数（即无励磁调节）系统最大传输功率在=/2处，但系统不能运行在这一点，因为它是不稳定点。通常发电机的工作总是在某一小于90的运行点

9、运行。如果有励磁调节，当负载增大时，发电机内电势会增大，曲线1变成曲线2，则发电机在同样的角下可以输出更多的功率。提高了系统输出功率，同时使发电机的静态稳定得到改善。4.2 励磁调节对暂态稳定的影响在大扰动下：如图 p 0 1 2 曲线1表示双回路供电时的功率特性，其幅值等于其中X=Xd+XT+Xe/2 曲线2表示切除短路故障线路后的功角特性曲线。由于线路阻抗Xe/2增加到Xe，使PM降至为其中X= Xd+XT+Xe曲线3表示故障中运行的功角特性曲线。如果发电机初始工作点在曲线1的a，短路后运行在曲线3。在故障瞬间，由于惯性作用，转速n不变，功角仍为0，故工作点移至b。其后, 由于输出电磁功率

10、P减少，导致转速n上升及功角变大。当达到1时故障切除，发电机运行在功角特性曲线2，工作点由c移到e点，由于惯性的影响，转子沿功角特性曲线2继续加速到f点，对应的功角为2。经过反复振荡，最后稳定在g点运行。暂态稳定性决定于加速面积abcd是否小于或等于减速面积dfed。当故障切除较慢时，1将增大，则加速面积abcd亦将增大。如果减速面积小于加速面积，则转子速度将进一步加大，失去暂态稳定性。提高暂态稳定性有两种方法，减小加速面积或增大减速面积。减小加速面积最有效的措施之一是快速切除故障。增大减速面积的有效措施是在提高励磁系统的标称响应（响应比）的同时，提高强行励磁电压倍数，使故障切除后的发电机内电

11、势Eq迅速上升，增加功率输出，达到减速面积的增加。相应变化如图所示。 0cMM由图可见，正常工作在曲线1的a点；在故障时，工作在曲线3的b点。如此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势Eq，则功角特性曲线由bc段上升至bc段运行，加上快速切除故障,使功角由上图的1减小到c,这样在故障切除前加速面积由abcd减少到abcd。切除故障后在强励的作用下，工作点直接从c上升至曲线4的e点运行，跳过了无强励的功角特性曲线2上的e点。 当运行到h时减速面积dehg已和无强励能力的曲线2上f的面积deff 相等时，转子沿功角特性曲线4回转，经过几个振荡恢复正常。转子功角最大值M降到M明显地提高了发电机的暂态稳

12、定。4.3 提高电力系统运行的静态稳定性从发电机与母线连接图中假定单机对单回路线路及无限大系统的情况。设发电机与线路的参数如下，参数均以标么值表示。Xd=Xq=1.5 XT1=XT2=0.1 Xd=0.3 Xe=0.8根据发电机功角特性曲线表达式，可写出三种形式无励磁调节有励磁调节，但只保持Eq不变有励磁调节且作用较强，能保持端电压U t不变以上式中Eq 发电机内电势Eq 发电机暂态内电势Ut 发电机端电压Xd 总电抗等于Xd+XT1+Xe+XT2Xd保持Eq不变时的总电抗等于Xd+XT1+Xe+XT2X 保持Ut不变时的总电抗等于XT1+Xe+XT2 分别算出三种静态稳定功率极限：从计算结果

13、看出，由于自动励磁调节作用的影响，能维持发电机端电压为额定值时，线路输送的极限功率比无励磁调节Eq为常数时的传输功率高60%。可见励磁调节对提高电力系统静态稳定具有十分重要的作用。4.4 改善暂态稳定性暂态稳定是电力系统受到大扰动后的稳定性。主要是指事故后转子第一振荡周期内的稳定性，就励磁控制系统而言，其作用主要由三个因素决定：a 励磁系统强励顶值倍数（Ku）；Ku增加可以提高电力系统的暂态稳定。但是提高Ku使励磁系统的造价增加，并且对发电机的绝缘要求提高。因此，在当前故障切除时间极短的情况下，过分强调强励倍数是没有必要的。b 励磁系统顶值电压响应比；亦称励磁电压上升速度。响应比越大励磁系统输

14、出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利（即在故障前减少加速面积）。该因素应由励磁系统的性能所决定，亦即由调节器的性能决定。c 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，也是改善暂态稳定的一个重要因素。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一是提高励磁控制系统的开环增益，开环增益越大，调压精度越高，强励倍数利用越充分，也就越有利于改善电力系统的暂态稳定。4.5 改善动态稳定性改善动态稳定的方式动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复到原始平衡点或过渡到新平衡点（大扰动后）过程的稳定性。研究它的前提是：原始平衡点（或新的平衡点）是静态稳定的，以及大扰动的过程是暂态稳定的。电力系统的动态

15、稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。也就是发电机与电网（设电网为无穷大系统）之间与发生振荡（即转子转速时快时慢时）的问题。这时在发电机的转子回路中，特别是在阻尼绕组中将有感应电流，此电流在定子绕组中形成阻尼功率Pr。Pr = D式中D为功率阻尼系数当发电机受到微小扰动后，根据D的大小，发电机的动态稳定可出现三种可能：第一种可能D = 0时，则形成不衰减的等幅振荡。即运行在功角特性平面上沿功角特性曲线以原始运行点a为中心作往返等距离的运动。第二种可能D 0时，即增加一项与角速度偏差成正比的正阻尼功率，随时间的变化规律为减幅振荡，最后回到原工作点运行。第三种可能D 0时，则加上一个负阻

16、尼功率，因而变成增幅振荡，最后导致失步。从上可见，当阻尼为0和小于0时系统的动态都不稳定。只有为正阻尼且有一定的值，系统的动态稳定性就好。按电压负反馈原理构成的励磁调节器是削弱了机组平息振荡的能力，即具有降低功率阻尼系数D的弱点，而且当励磁控制系统开环放大倍数K高达一定值后，功率阻尼系数D 变成负值，此时发电机受到微小扰动就可能激发低频振荡。这种现象不论对哪一种励磁控制系统都是存在的。但对于快速励磁控制系统（SCR直接作用于发电机励磁绕组），只有在远距离送电，无地方负荷的情况下，且负荷较重，功率角较大时，才会发生振荡失步。而对于常规（指具有交或直流旋转励磁机的励磁系统）励磁控制系统，不仅在重负

17、荷情况下，就是在轻负荷下也会发生振荡失步。根据励磁控制系统动态稳定的要求，如果K大于允许值时，就必须采用补偿措施，否则在小干扰下可能出现不稳定的问题。电力系统稳定器（PSS）是一种有效的补偿措施。电力系统稳定器（PSS）简介PSS是能提供一个附加正阻尼、通过励磁控制系统、抑制电力系统低频振荡（或抑制发电机有功功率的摆动）的装置。它具有以下主要功能：a 提高静态稳定极限b 抑制系统自发性的低频振荡，改善动态稳定性c 对系统阻抗突变时引起的振荡，具有良好的正阻尼效果d 对原动机功率突变时引起的机械振荡，具有正阻尼作用。PSS的输入信号可以是转速偏差，或是有功功率偏差p，或是频率偏差f.试验结果表明

18、p信号最好，其次是信号，f信号效果最差。其输出信号接至电压反馈和电压给定的加法器上。PSS在转速恒定不变时，输出为0，不起作用。当转速或有功或频率发生变化时，PSS才起作用。作用结果如图所示，比如，运行点a由扰动偏移到b后由于电磁功率下降，转子加速，在PSS的作用下使Eq大于零，从而增加发电机的励磁电流，发电机内电势 Eq 增大，电磁功率相应也增大，这样运行点由b点向上移动过程中，正向偏离了原来的功角特性bac，形成了boac弧线，阻止转速升高；到c点等于零，但由于机械功率小于电磁功率，使运行点由c点顺时针沿coad弧线下移动，而不是cab，阻止转速下降。 p如此反复，形成了衰减振荡，直至回到

19、原始运行点a稳定运行后，PSS才不起作用。目前励磁调节器普遍采用PID+PSS调节规律，PSS调节控制功能主要由软件实现。我公司采用PSS的输入控制信号方式主要有两种：方式一，PSS输入信号来自电功率。此方式的PSS特点是调节算法简单容易实现，参数整定和调试方便，但存在反调现象，在增减负荷时需闭锁PSS功能。方式二，PSS输入信号来自电功率和转子角频率。如采用基于IEEE Std.421-Type 2A的PSS控制算法。此方式的PSS特点是调节算法比较复杂，需要整定的参数较多，通过系统仿真和试验可以选定参数，但它对系统低频段（0.13Hz）的振荡阻尼效果明显，且不存在反调现象，在增减负荷时无需

20、闭锁PSS功能。4.6 总结自动励磁调节器在动态过程中怎样起调节作用呢？按照励磁调节对动态过程的不同作用，我们可以把功角（t）分成五个阶段，如图第阶段短路发生至短路切除 这时调节系统输出最大励磁电流进行强励。在快速励磁系统中，励磁电压在一个周波内升至顶值；在常规励磁系统中，由于时间常数较大，励磁电压上升缓慢，励磁电流及电磁制动转矩不能迅速增长。目前系统短路都在0.10.2秒内切除，因此常规励磁系统要靠调节器的作用在第阶段期间将励磁电流增加较大的数值是有限的。在快速励磁中强励倍数小于2时，其作用在第阶段也不明显。 （t） UG UG 短 切 路 除第阶段短路切除至转子摆至最大角在这期间，强励能使

21、电磁制动转矩有较大的增长，强励最好保持至转子到达最大摇摆角max。当短路切除时，电压的回升（跃变）一般很快接近调节器的工作段。如按电压偏差调节，这时强励很快退出了。由于强励倍数较大，励磁电流不可能马上回复到正常状态，因而使减速面积继续增加，从而使最大摇摆角max减小。第阶段转子最大摇摆角至最小摇摆角此时，电磁制动转矩大于原动机驱动转矩，转子开始向角度减小方向运动，这时调节器应减磁，避免由于过分制动摇摆反向（减速方向）增大，使摇摆的第二周期或以后的摇摆周期内失去同步，形成动态不稳定。第阶段转子进入衰减振荡过程此期间励磁调节器应提供一定的正阻尼转矩（PSS将起作用），使其快速平息振荡。第阶段进入事

22、故后静稳定状态这时要求励磁调节系统提供一定的励磁电流，以保证同步发电机具有较高的静稳定极限。5 同步电机励磁系统定义5.1 励磁控制系统：由同步电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统。5.2 励磁系统：从下图可知提供同步电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制组件，还有磁场放电或灭磁装置以及保护装置。5.3 励磁系统标称响应VE（也称响应比）由励磁系统电压响应曲线确定的励磁系统输出电压的增量除以额定磁场电压。这个比率，假定保持恒定所扩展的电压时间面积，与在第一个半秒钟时间间隔内得到的实际曲线面积相等。见下图。用0.5秒内转子电压的平均电压响应比来衡量励磁系统的性能是基于：当电力系统受到大扰动后（

23、如短路故障），发电机转子需经过几次大的摇摆之后才能稳定下来。运行表明，第一周期最大的摆角通常是在扰动开始后0.40.75秒达到，必须在这个时间内进行强励对稳定才起作用，以抑制功角的增加。因此将电压响应比定义的时间域取为0.5秒。计算式如下式。 对于快速励磁来说，可以不求响应比而只说响应时间。但目前招标书有这个要求，因而可以根据定义来求快速励磁的响应比（见下图）。设：a 上升时间为0.08秒，即在0.08秒后到达顶值电压2.5UfN（因机端电压下降80 %时提供2UfN，计算时不考虑此因素）。b 励磁系统电压响应曲线为斜线。求：VE解：根据定义面积1=面积2如图先求出UE=UfN+X加辅助线eB

24、这样 1+3=2+31+3=1/2 0.51.5UfN1/2 0.081.5UfN =1/2 1.5UfN(0.50.08) =1/2 0.63UfN2+3=1/2 0.5(1.5UfN+X)1/2 0.51.5UfN =1/2 0.5(1.5UfN+X1.5UfN) =1/2 0.5X1/2 0.5X=1/2 0.63UfNX =0.63UfN/0.5=1.26 UfNUE=UfN+X=2.26 UFn 代入下式：因此，电压响应比为4.52s1。在实际应用中可取大于4s1，因计算与实际有误差。5.4 励磁控制系统的精度与静差率精度是指被控量与给定值之间的偏差程度，用被控量与给定值之间的差值与

25、给定值之比的百分数表示。其适用条件为发电机从空载到额定工况。静差率实质上等同于发电机负载变化时的励磁系统控制精度。定义为：励磁控制系统在额定负载状态运行，调差退出，给定值不变，负载从额定值减到零，测定相应的端电压变化率。6 调差为使并联运行的各发电机组按其容量向电网提供无功功率，以实现无功功率在各机组间稳定、合理地分配，则需要调差。6.1 电压调差系数或电压调差率（无功电流补偿率）定义：发电机在功率因子为零，即带纯无功负载，将发电机的负载电流IG=IQ从零加到额定定子电流时，机端电压的变化率称为电压调差系数或电压调差率。如图所示 曲线1为零调差（即无调差）曲线2为正调差曲线3为负调差6.2 调

26、差系数的选择一般在电网中小容量机组值以偏大为宜，这样无功可分担得少一些。在大容量机组中值以偏小为宜，大容量机组应该多担负些电网中的无功。如几台具有无差特性的机组是不能并列运行的，因为它们之间的无功分配是不稳定的。假如只有一台无差特性的机组与几台有差特性的机组并列运行，这样无差特性机组在电网无功变化时承担得很多无功，这是不合理的。故实际运行中并列的各台机组都是带有差特性的，因而各台机组间可以得到稳定、合理的无功分配。6.3 调差系数正、负的选择这与发电机主电路接线方式有关，在发电机母线上相并联的机组应采用正调差，如两机一变。采用一机一变（单元接线方式），即通过主变高压侧并入网中的机组，则应采用负

27、调差。这是考虑到无功电流在主变漏抗上的电压降，在减去主变压降后，机组在主变高压侧上的调节特性仍然是上调差。7 自励晶闸管励磁系统的轴电压轴电压的来源一般在水轮发电机中，轴电压的矛盾表现不太突出。通常在轴与轴承之间采用常规的绝缘，再加上接地碳刷也就能解决了。而汽轮发电机的轴电压问题比较突出，特别是采用了晶闸管自励系统后，使轴电压问题更加复杂化。它可能使轴与轴承座之间带电，并使汽端减速箱中的齿轮产生电腐蚀，从而产生事故。纠其原因是晶闸管自励系统输出的脉动整流电压作用于发电机转子励磁绕组上，经过励磁绕组与转子本体之间、轴承油膜和齿轮油膜与主回路组件之间形成的等值电容产生回路电流，即轴电流破坏了润滑油

28、膜，并在轴瓦面和齿轮接触面各部位产生电腐蚀。轴电压来源的分类：a 磁路不对称原因：定子叠片接缝太大或不均匀；转子偏心；转子或定子下垂。这是安装、制造所产生的问题。后果：它使变化的磁通环链经过转轴座板轴承回路感应轴电压。此轴电压将在任何低阻回路中产生大电流，引起相应的损坏。b 轴向磁通的产生原因：剩磁太大；转子偏心；转子绕组不对称。后果：这些就能引起旋转磁通在轴承和转子部件中感应出电压，而此电压将在轴承和轴密封中产生大电流和相应的破坏。c 静电荷原因：由蒸汽冲刷汽轮机叶片所致。后果：使电机内部绝缘产生静电动势，这样与接地状况有关的轴电容被充电。引起轴与轴承（地）间的电压被加到油膜上，如果击穿，将

29、发生电荷放电，产生斑点，损坏轴承和密封的表面。d 作用于转子绕组上的外部电压原因：静励磁装置；电压源或转子绕组绝缘不对称；有源转子绕组保护装置。后果：这些外部电压通过电源、绕组及与接地状态有关的绝缘电容和电阻，使轴产生电动势，导致轴与轴承（地）间的电压被加到油膜上，如果击穿，将发生电荷放电，产生斑点，损坏轴承和密封的表面。7.2 轴电压的防护一般现行防止轴电压的措施有：将发电机机端所有轴承和轴密封进行绝缘，防止以上（a）和（b）所产生的轴电压及由此形成的大环流是非常有效的。另一种在汽端使用各种形式的接地刷，但效果不太理想。至于（c）、（d）两种来源的轴电压，目前采用一种在发电机的汽端带有常规接

30、地刷，并且在发电机励端还有一个接地刷通过一组新型无源RC电路接地。其中电阻值选500左右，这个阻值高得足以防止将电流限止在几个毫安培（这是无害的）内，又低得足以防止直流电势的建立。并联电容取10f左右，此值对于防护静止励磁系统引起的所有轴电压都是有效的。如在碳刷和RC电路之间加装一熔断器，可防止事故时转轴流过较大的环流。试验证明，这种新型无源RC电路使发电机两端的轴电压尖峰被消除，所有的轴电压被长期地、极可靠地减少到远低于20v的安全限以下。8 灭磁及过电压保护8.1 灭磁：灭磁的作用是当发电机内部及外部发生诸如短路及接地等事故时迅速切断发电机的励磁，并将蓄藏在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中。快速灭磁有两种方式：一种是耗能型的，即将磁场能量消耗在磁场开关装置中，应用最为广泛的是DM2型和DW10M型。目前已基本不采用DM2型磁场开关，因其自身有一些致命的缺点。DW10M型在要求不高的小型机组上还可以采用。另一种灭磁方式是移能型的，即将磁场能量由磁场断路器转移到线性或非线性电阻耗能元件中。现已大量应用在各种类型的发电机组中。一般认为水轮发电机组由于转子本体的阻尼作用较小，在灭磁时励磁回路中的磁场能量几乎为灭磁装置全部吸收，因此需要快速灭磁，以阻止