1、 汽轮发电机励磁系统概述汽轮发电机励磁系统概述n一、发电机励磁系统的作用一、发电机励磁系统的作用n1 1电压控制电压控制n2 2控制无功功率的分配控制无功功率的分配n3 3提高同步发电机并列运行的稳定性提高同步发电机并列运行的稳定性 n4 4提高继电保护动作的灵敏度提高继电保护动作的灵敏度n5 5快速灭磁快速灭磁n6 6改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件n1 1电压控制电压控制n在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机端电在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机端电压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。电力系统在压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。电力系统在正常运行时，
2、负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应变化。当发电机负荷改变时，在发电机空载电势恒就相应变化。当发电机负荷改变时，在发电机空载电势恒定的情况下（励磁电流不变），发电机端电压会随着负荷定的情况下（励磁电流不变），发电机端电压会随着负荷电流的改变而变化。为保证发电机端电压恒定，必须随发电流的改变而变化。为保证发电机端电压恒定，必须随发电机负荷电流的大小相应调整发电机的励磁电流。电机负荷电流的大小相应调整发电机的励磁电流。 n2 2控制无功功率的分配控制无功功率的分配n在发电机并入无穷大电网运行的情况下，调节励磁电流将在发电机并入无穷大电网运行
3、的情况下，调节励磁电流将改变发电机输出的无功。改变发电机输出的无功。n实际运行中，发电机并联运行的母线不会是无穷大母线，实际运行中，发电机并联运行的母线不会是无穷大母线，这时改变励磁将会使发电机的端电压和输出无功都发生改这时改变励磁将会使发电机的端电压和输出无功都发生改变。但一般来说，发电机的变。但一般来说，发电机的端电压变化较小端电压变化较小，而输出的，而输出的无无功却会有较大的变化功却会有较大的变化。保证并联运行的发电机组间合理的。保证并联运行的发电机组间合理的无功分配，是励磁系统的重要功能。无功分配，是励磁系统的重要功能。n（1 1）发电机端电压调差率）发电机端电压调差率n端电压调差端电
4、压调差是指在自动励磁调节器调差单元投入，电压给是指在自动励磁调节器调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机的无功定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机的无功负载从零变化到额定值时，用发电机端电压百分数表示的负载从零变化到额定值时，用发电机端电压百分数表示的发电机端电压变化率发电机端电压变化率 ，通常由下式计算：，通常由下式计算：负调差负调差 正调差正调差 无调差无调差n（2 2）并联机组间的无功分配）并联机组间的无功分配nA A、当多台发电机端直接并联在一起工作时、当多台发电机端直接并联在一起工作时( (有发电机汇流有发电机汇流母线），为了并联机组间能有稳定的无功
5、分配，这些发电母线），为了并联机组间能有稳定的无功分配，这些发电机都必须有正的电压调差且要求调差率为机都必须有正的电压调差且要求调差率为3%3%5%5%；nB B、若发电机是单元式接线，即它们是通过升压变压器在、若发电机是单元式接线，即它们是通过升压变压器在高压母线上并联，则要求发电机有负的电压调差，负调差高压母线上并联，则要求发电机有负的电压调差，负调差的作用是部分补偿无功电流在升压变压器上形成的压降，的作用是部分补偿无功电流在升压变压器上形成的压降，从而使电厂高压母线电压更加稳定。从而使电厂高压母线电压更加稳定。n发电机并联运行时的变动无功功率分配：发电机并联运行时的变动无功功率分配：12
6、12121212111222=+=NNNNNNNNNNNQQQQQQUUQQUQQUUQQU n3 3提高同步发电机并列运行的稳定性提高同步发电机并列运行的稳定性n(1)(1)对静态稳定的影响（增大了静态稳定的区间和极限功对静态稳定的影响（增大了静态稳定的区间和极限功率）率）PP03120900不调节励磁的功率特性，能 保持恒定 Eq具有比较灵敏、快速的励磁调节器，能 保持恒定 qE具有理想灵敏度和快速性的励磁调节，能保持发电机端电压恒定的功率特性 n(2)(2)对暂态稳定的影响对暂态稳定的影响n当高压网络中发生短路，在短路未切除的一个短暂时间内，当高压网络中发生短路，在短路未切除的一个短暂时
7、间内，同步发电机的端电压和传输的功率都将显著降低，而原动同步发电机的端电压和传输的功率都将显著降低，而原动机的调速器在暂态期间机的调速器在暂态期间(例如例如1秒以内秒以内)尚来不及动作。这就尚来不及动作。这就要求励磁系统快速地动作，并要求励磁系统快速地动作，并强行励磁到顶值强行励磁到顶值，使，使Eq增大，增大，使传输功率不致过分降低，并使发电机的功率特性曲线的使传输功率不致过分降低，并使发电机的功率特性曲线的加速面积减小，制动面积增大，以阻止发电机功率摇摆角加速面积减小，制动面积增大，以阻止发电机功率摇摆角过度增大，以利于提高暂态稳定。过度增大，以利于提高暂态稳定。n另一方面，在系统发生短路期
8、间，具有高顶值电压的快速另一方面，在系统发生短路期间，具有高顶值电压的快速励磁系统，能使发电机及时向系统提供大量的无功功率，励磁系统，能使发电机及时向系统提供大量的无功功率，使系统电压得到一定程度的提高，这就改善了在系统中的使系统电压得到一定程度的提高，这就改善了在系统中的电动机的运行条件。电动机的运行条件。 n反应励磁系统强励性能的主要指标有：反应励磁系统强励性能的主要指标有：n励磁顶值电压倍数：励磁顶值电压倍数：常称电压强励倍数，它指在常称电压强励倍数，它指在强行励磁期间励磁功率单元可能提供的最高输出电强行励磁期间励磁功率单元可能提供的最高输出电压值与发电机额定励磁电压之比。压值与发电机额
9、定励磁电压之比。 n励磁系统电压响应时间：励磁系统电压响应时间：它指从施加阶跃信号起它指从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95%的时间。的时间。4 4提高继电保护动作的灵敏度提高继电保护动作的灵敏度当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机确工作。励磁自动控制系统就可以通
10、过调节发电机励磁对发电机进行强励，不仅有利于提高电力系统励磁对发电机进行强励，不仅有利于提高电力系统稳定性外，还因加大了电力系统的短路电流而使继稳定性外，还因加大了电力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度得到提高。电保护的动作灵敏度得到提高。5 5快速灭磁快速灭磁当发电机或升压变压器（采用单元式接线）内部当发电机或升压变压器（采用单元式接线）内部故障时，为了降低故障所造成的损害，要求这时发故障时，为了降低故障所造成的损害，要求这时发电机能快速灭磁。电机能快速灭磁。此外，当机组甩负荷时，发电机机端电压会异常此外，当机组甩负荷时，发电机机端电压会异常升高，因此，甩负荷可能造成发电机严重过压。为升
11、高，因此，甩负荷可能造成发电机严重过压。为防止发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度，防止发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度，也要求励磁系统有快速灭磁能力。也要求励磁系统有快速灭磁能力。5 5改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件（1）改善异步电动机的自起动条件）改善异步电动机的自起动条件当电网发生短路等故障时，电网电压降低，使大多数用户当电网发生短路等故障时，电网电压降低，使大多数用户的电动机处于制动状态。故障切除后，由于电动机自起动的电动机处于制动状态。故障切除后，由于电动机自起动时需要吸收大量无功功率，以致延缓了电网电压的恢复过时需要吸收大量无功功率，以致延缓了电网电压的恢
12、复过程，发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复，有程，发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复，有效地改善电动机的运行条件。效地改善电动机的运行条件。（2）为发电机异步运行创造条件）为发电机异步运行创造条件 同步发电机失去励磁时。需要从系统中吸收大量无功功率，同步发电机失去励磁时。需要从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度下降，严重时甚至危及系统的安全运造成系统电压大幅度下降，严重时甚至危及系统的安全运行。在此情况下，如果系统中其它发电机组能提供足够的行。在此情况下，如果系统中其它发电机组能提供足够的无功功率，以维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以无功功率，以维持系统电压水平，则
13、失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保在一定时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保系统安全运行而且有利于机组热力设备的运行。系统安全运行而且有利于机组热力设备的运行。（3）减少重负荷合闸时的电压下降）减少重负荷合闸时的电压下降重负荷线路合闸（或重合闸）时，电力系统都可能造成大重负荷线路合闸（或重合闸）时，电力系统都可能造成大量无功缺额，系统电压水平将下降。自动励磁调节能减小量无功缺额，系统电压水平将下降。自动励磁调节能减小这种下降，使电力系统的运行特性得到改善。这种下降，使电力系统的运行特性得到改善。（4）重负荷跳闸时，减少系统电压的上升）重负荷跳闸时，减少
14、系统电压的上升当系统中有重负荷跳闸或发电机发生甩负荷时，自动励磁当系统中有重负荷跳闸或发电机发生甩负荷时，自动励磁调节有助于降低此时可能产生的系统及发电机电压过分升调节有助于降低此时可能产生的系统及发电机电压过分升高。改善电气设备的运行条件。高。改善电气设备的运行条件。n二、静止自并励励磁系统二、静止自并励励磁系统自 动励 磁调节器FLQFCTPT图3-13 自并激励磁系统接线原理ZBn1 1、静止励磁系统的功率回路、静止励磁系统的功率回路n以三相全控桥式整流电路为例简要介绍。以三相全控桥式整流电路为例简要介绍。n三相全控桥可以工作在整流状态，也可以工三相全控桥可以工作在整流状态，也可以工作在
15、逆变状态。作在逆变状态。整流状态整流状态是在交流电源电压是在交流电源电压正半周时，控制可控硅元件使之导通，这是正半周时，控制可控硅元件使之导通，这是一种正向变换；一种正向变换；逆变状态逆变状态是在电源电压负半是在电源电压负半周时，控制可控硅元件导通，进行反向变换，周时，控制可控硅元件导通，进行反向变换，此时将直流侧负载电感此时将直流侧负载电感L中的能量向交流电中的能量向交流电源侧反馈，实行源侧反馈，实行“逆变逆变”灭磁。灭磁。 n（1）整流状态（控制角）整流状态（控制角=090）输出电压的平均值输出电压的平均值Ud=1.35U2cosn（2）逆变状态（控制角）逆变状态（控制角=90180）Ud
16、=1.35U2cosn2 2、综合放大单元、综合放大单元n综合放大单元对测量等信号起综合和放大作用。为了得综合放大单元对测量等信号起综合和放大作用。为了得到调节系统良好的静态和动态特性，综合放大环节除了起到调节系统良好的静态和动态特性，综合放大环节除了起放大作用外，还形成一定的控制规律，如放大作用外，还形成一定的控制规律，如PIDPID控制、超前控制、超前滞后校正等。此外，有时还须根据要求综合由辅助装置来滞后校正等。此外，有时还须根据要求综合由辅助装置来的稳定信号、限制信号、补偿信号等其他信号。综合放大的稳定信号、限制信号、补偿信号等其他信号。综合放大后的控制信号输入到移相触发单元。后的控制信
17、号输入到移相触发单元。n3 3、移相触发单元、移相触发单元n移相触发单元包括移相触发单元包括同步同步、移相脉冲形成移相脉冲形成和和脉冲放大脉冲放大等环等环节。移相触发单元根据输入的控制信号的变化，改变输出节。移相触发单元根据输入的控制信号的变化，改变输出到可控硅的触发脉冲相位，即改变控制角到可控硅的触发脉冲相位，即改变控制角（或称移相（或称移相角），从而控制可控硅整流电路的输出，以调节发电机的角），从而控制可控硅整流电路的输出，以调节发电机的励磁电流。为了触发脉冲能可靠地触发可控硅，往往需要励磁电流。为了触发脉冲能可靠地触发可控硅，往往需要采用脉冲放大环节进行功率放大。采用脉冲放大环节进行功率
18、放大。n同步信号取自可控硅整流装置的主回路，保证触发脉冲同步信号取自可控硅整流装置的主回路，保证触发脉冲在可控硅阳极电压为正半周时发出，使主回路与控制脉冲在可控硅阳极电压为正半周时发出，使主回路与控制脉冲同步。同步。微机励磁调节器功能原理图微机励磁调节器功能原理图 n一个完善的励磁调节器，除了具有保持机端电压恒定和一个完善的励磁调节器，除了具有保持机端电压恒定和机组间的无功分配外，为了保证机组及电网的安全和稳定机组间的无功分配外，为了保证机组及电网的安全和稳定运行，还必须设置完善的保护、限制功能。如：运行，还必须设置完善的保护、限制功能。如：nPTPT断线保护断线保护n过励磁限制过励磁限制n强
19、励顶值限制强励顶值限制n低（欠）励磁限制低（欠）励磁限制n限制限制n误强励保护误强励保护n空载过压保护空载过压保护n系统电压跟踪系统电压跟踪nPSSPSS或或EOCEOC等。等。n三、微机励磁调节器三、微机励磁调节器n1微机励磁调节器的基本工作原理微机励磁调节器的基本工作原理n来自发电机和励磁系统的电流、电压信号经调理滤波后，来自发电机和励磁系统的电流、电压信号经调理滤波后，送入采样保持和送入采样保持和A/D转换电路。转换电路。CPU控制控制ADC对被调量对被调量（如发电机机端电压）定时采样，并将采样值与给定值进（如发电机机端电压）定时采样，并将采样值与给定值进行比较，得出偏差信号，根据偏差信
20、号的大小，按一定的行比较，得出偏差信号，根据偏差信号的大小，按一定的调节规律计算出控制量，经软件移相后由高速输出口或并调节规律计算出控制量，经软件移相后由高速输出口或并行口送出触发脉冲，经脉冲放大后，触发相应的可控硅，行口送出触发脉冲，经脉冲放大后，触发相应的可控硅，调整励磁电流的大小，形成闭环的微机励磁调节系统。调整励磁电流的大小，形成闭环的微机励磁调节系统。微机励磁调节器硬件示意图微机励磁调节器硬件示意图信号调理信号输入YPTSPTFCTLCTILTB滤波采样保持ADCROMRAMCPU通讯脉冲放大显示键盘整流桥信号输出隔离I/O接口光字隔离图4-1 微机励磁调节器硬件框图示例n2 2、微
21、机励磁调节器典型结构模式、微机励磁调节器典型结构模式n（1 1）微机）微机模拟双通道调节器框图模拟双通道调节器框图n微机励磁调节器与模拟式励磁调节器构成双通道，微机励磁调节器与模拟式励磁调节器构成双通道，由开关由开关K进行切换。当进行切换。当K切到模拟式调节器时，则切到模拟式调节器时，则按常规励磁调节方式运行；当按常规励磁调节方式运行；当K切到微机励磁调节切到微机励磁调节器时，则按微机励磁调节方式运行。若微机励磁器时，则按微机励磁调节方式运行。若微机励磁调节器发生故障，能自动切换到模拟式调节器，调节器发生故障，能自动切换到模拟式调节器，而不影响同步发电机的运行工况，是早期微机励而不影响同步发电
22、机的运行工况，是早期微机励磁调节器的一种过渡方案。磁调节器的一种过渡方案。n（2 2）完全微机型）完全微机型n这是目前中小型机组广泛采用的一种形式。这是目前中小型机组广泛采用的一种形式。n（3 3）双通道微机型）双通道微机型n本方式中设置了两套微机励磁调节器，两套微机本方式中设置了两套微机励磁调节器，两套微机励磁调节器采用并联运行方式或平时一套微机励励磁调节器采用并联运行方式或平时一套微机励磁调节器运行、另一套处于热备用，双机之间可磁调节器运行、另一套处于热备用，双机之间可手动或自动切换。这种方案提高了微机励磁调节手动或自动切换。这种方案提高了微机励磁调节器运行的可靠性，在大中型机组的励磁系统中得器运行的可靠性，在大中型机组的励磁系统中得到了广泛应用。到了广泛应用。
