發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理(1)

1、三峽電廠陳小明Chen_水輪發(fā)電廠原理水輪發(fā)電廠原理水輪發(fā)電廠轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的基本概念勵(lì)磁的基本概念E=4.44fN4.44:有效值系數(shù)F:勵(lì)磁條件與影響N:機(jī)端電壓影響:與勵(lì)磁電流關(guān)系GFrequency（f） Active Power（P）Reactive Power（Q）Terminal Voltage（Ug）GovernorExcitation勵(lì)磁的基本任務(wù)勵(lì)磁的基本任務(wù)功角Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronous Machine RegulatorExciterSynchronousMachinePowerSy

2、stem勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁重要概念勵(lì)磁重要概念現(xiàn)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用單軸直流電勵(lì)磁；現(xiàn)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用單軸直流電勵(lì)磁；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：雙軸勵(lì)磁；交流勵(lì)磁；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：雙軸勵(lì)磁；交流勵(lì)磁；勵(lì)磁系統(tǒng)新科技勵(lì)磁系統(tǒng)新科技現(xiàn)在勵(lì)磁控制系統(tǒng)規(guī)律現(xiàn)在勵(lì)磁控制系統(tǒng)規(guī)律大多采用傳統(tǒng)經(jīng)典控制理論：大多采用傳統(tǒng)經(jīng)典控制理論：PID+PSS勵(lì)磁控制系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：勵(lì)磁控制系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS；線性最優(yōu)控；線性最優(yōu)控制規(guī)律（華中科技大學(xué)）；非線性最優(yōu)控制規(guī)律制規(guī)律（華中科技大學(xué)）；非線性最優(yōu)控制規(guī)律（清華大學(xué)（清華大學(xué) ）。勵(lì)

3、磁控制系統(tǒng)新科技勵(lì)磁控制系統(tǒng)新科技電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制發(fā)展過程：電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制發(fā)展過程：nPID 控制；控制；n n PSS 控制控制n n線性最優(yōu)控制線性最優(yōu)控制LOPSS （Linear Optimal Control）n n非線性最優(yōu)控制非線性最優(yōu)控制NOPSS （Nonlinear Optimal Control）n n非線性魯棒控制非線性魯棒控制NRPSS （Nonlinear Robust Control） KVG控制K120s5180VGssssG511100518020)(如K=100GeneratorU , If fU , IE EVoltage RegulatorAVR110

4、 V DC400 V ACPotential TransformersCurrent TransformersOutput of Excitation SystemMain Exciter自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)For Example勵(lì)磁機(jī)他勵(lì)與自并勵(lì)勵(lì)磁機(jī)他勵(lì)與自并勵(lì)I(lǐng)GBT他勵(lì)：勵(lì)磁電源取自勵(lì)磁機(jī)或廠用電等；自勵(lì)：勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，可靠性高，但需采取措施保證強(qiáng)勵(lì)能力。勵(lì)磁系統(tǒng)的組成與分類勵(lì)磁系統(tǒng)的組成與分類調(diào)調(diào) 輔助輔助 整流柜（功率柜）整流柜（功率柜） 直流滅磁直流滅磁 滅磁滅磁 節(jié)節(jié) 控制控制 制動(dòng)整流柜制動(dòng)整流柜 開關(guān)柜開關(guān)柜 電阻柜電阻柜 器器 柜柜 （柔性制動(dòng)）（柔性制

5、動(dòng)） S101 S101 S106+S107S106+S107 直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（開關(guān)勵(lì)磁）直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（開關(guān)勵(lì)磁）同軸同軸PTLLQRcFMK*LFLQFCT自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器開關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，且勵(lì)磁電源可靠，不受電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響。另外，不存在可控整流橋的觸發(fā)同步問題，控制簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠性高。 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（三機(jī)它勵(lì)）交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（三機(jī)它勵(lì)）同軸同軸自幷勵(lì)自幷勵(lì)靜止靜止有刷勵(lì)磁有刷勵(lì)磁靜止靜止 無刷勵(lì)磁系統(tǒng)無刷勵(lì)磁系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)自并勵(lì)磁系統(tǒng)自并勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)代勵(lì)磁基礎(chǔ)現(xiàn)代勵(lì)磁基礎(chǔ)開關(guān)勵(lì)磁可控硅勵(lì)磁原理可控硅勵(lì)磁原理三相全控橋電路三相全控橋電路=00:強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，強(qiáng)勵(lì)

6、狀態(tài)，AC變變DC=0:整流狀態(tài)，整流狀態(tài)，AC變變DC=1500:逆變狀態(tài)，逆變狀態(tài)，DC變變AC全控橋與半控橋全控橋與半控橋全控橋：全控橋：整流與逆變整流與逆變整流特征相同整流特征相同能夠逆變也能續(xù)流能夠逆變也能續(xù)流Uf反相恒定反相恒定If線性衰減線性衰減滅磁快滅磁快半控橋：半控橋：整流與續(xù)流整流與續(xù)流整流特征相同整流特征相同不能逆變只能續(xù)流不能逆變只能續(xù)流Uf0If非線性衰減非線性衰減滅磁慢滅磁慢續(xù)流二極管續(xù)流二極管三相全控橋電路要點(diǎn)三相全控橋電路要點(diǎn)三相全控橋?qū)嶋H電路波形三相全控橋?qū)嶋H電路波形同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的作用同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的作用勵(lì)磁是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，也是系統(tǒng)的勵(lì)磁，但更重要的還是發(fā)電機(jī)

7、勵(lì)磁勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù) 1、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的最基本和最主要的任務(wù)是維持發(fā)電機(jī)電壓在給定水平上 1.1、第一，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的安全。 1.2、第二，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 1.3、第三，提高維持發(fā)電機(jī)電壓能力的要求和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求在許多方面是一致的。2、同步電機(jī)勵(lì)磁系控制統(tǒng)的重要任務(wù)是提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性 盡管勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且也是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定的措施中，最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而有效的措施。但是，穩(wěn)定問題還是各有重點(diǎn)，各有分工：靜穩(wěn)由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行調(diào)度負(fù)責(zé)；暫穩(wěn)主要由繼電保護(hù)負(fù)責(zé)，動(dòng)穩(wěn)主要由勵(lì)磁PSS負(fù)責(zé)。電

8、力系統(tǒng)穩(wěn)定簡(jiǎn)介v電力系統(tǒng)穩(wěn)定分為三個(gè)電量的穩(wěn)定：v電壓穩(wěn)定（勵(lì)磁、無功平衡、電壓崩潰、人工干預(yù)：增加Q）v頻率穩(wěn)定（調(diào)速、有功平衡、安穩(wěn)裝置切機(jī)、自動(dòng)減載）v功角穩(wěn)定（P、Q變化）。v勵(lì)磁系統(tǒng)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定主要是提高電壓的穩(wěn)定，其次是提高功角穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定由調(diào)速器負(fù)責(zé)。v功角穩(wěn)定又分為三種：靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。v靜態(tài)穩(wěn)定是系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性（不發(fā)生非周期性的振蕩）（穩(wěn)定余度好極限功率問題、安穩(wěn)切機(jī)問題）；v暫態(tài)穩(wěn)定是大擾動(dòng)后系統(tǒng)在隨后的12個(gè)周波的穩(wěn)定性；（周期性振蕩）（安穩(wěn)切機(jī)問題、繼電保護(hù)問題）；v動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是微小擾動(dòng)或者是大擾動(dòng)12周波后（暫穩(wěn)后期），因自動(dòng)調(diào)節(jié)作用

9、產(chǎn)生的穩(wěn)定性穩(wěn)定（勵(lì)磁PSS問題）。n靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后,不發(fā)生非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。穩(wěn)定導(dǎo)則還規(guī)定，在有防止事故擴(kuò)大的相應(yīng)措施的情況下，水電廠送出線路或次要輸電線路下列情況下允許只按靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備送電。n暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后, 各同步電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力。暫態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是電網(wǎng)遭受每一次大擾動(dòng)后，引起電力系統(tǒng)各機(jī)組之間功角相對(duì)增大，在經(jīng)過第一或第二個(gè)振蕩周期不失步，作同步的衰減振蕩，系統(tǒng)中樞點(diǎn)電壓逐漸恢復(fù)。 n動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，在自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持長(zhǎng)過程的運(yùn)行穩(wěn)定性的能力。

10、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是在受到小的或大的擾動(dòng)后，在動(dòng)態(tài)搖擺過程中發(fā)電機(jī)相對(duì)功角和輸電線路功率呈衰減振蕩狀態(tài)，電壓和頻率能恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)。我國(guó)電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則定義 、靜穩(wěn)定破壞舉例：華北電網(wǎng)大（同）房（山）線靜穩(wěn)定破壞事故1985年10月，大同電廠2機(jī)（額定有功200MW）通過220kV大房線向比較送電。因勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)通道有問題，發(fā)電機(jī)處于手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的狀態(tài)下運(yùn)行。發(fā)電機(jī)于130MW狀態(tài)下已穩(wěn)定運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流（轉(zhuǎn)子電流）約為1000A。當(dāng)電廠運(yùn)行人員根據(jù)調(diào)度要求把發(fā)電機(jī)有功出力增加到170MW后，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步，發(fā)電機(jī)失步保護(hù)動(dòng)作后，由于種種原因，造成機(jī)組超速，汽輪機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞而

11、報(bào)廢。事故調(diào)查得知，運(yùn)行人員在增加發(fā)電機(jī)的有功時(shí)（直到失步）沒有同時(shí)增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，事故后的仿真研究證明，（1）發(fā)電機(jī)為1000A時(shí)的靜穩(wěn)定極限就是170MW，（2）如果發(fā)電機(jī)是在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的狀態(tài)下運(yùn)行，其靜穩(wěn)定極限大于200MW，（3）即使發(fā)電機(jī)處于手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的狀態(tài)下運(yùn)行，如果在增加有功出力的同時(shí)，運(yùn)行人員能適當(dāng)增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，也可以避免發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失步的事故發(fā)生。單機(jī)無限大母線系統(tǒng)(b)短路故障下，功率特性曲線的變化：初始工作曲線1；短路后3；故障切除2 暫態(tài)穩(wěn)定性決定于加速面積abedabcd是否小于或等于減速面積dfed提高暫態(tài)穩(wěn)定性有兩種方法提高暫態(tài)穩(wěn)定性有兩種方法1、減

12、小加速面積：加快故障切除時(shí)間2、增大減速面積：提高勵(lì)磁電壓響應(yīng)比；提高強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)，使故障切除后的發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)Eq迅速上升，增加功率輸出，以達(dá)到增加減速面積的目的。正常工作曲線1；短路曲線3；強(qiáng)勵(lì)使功率特性曲線增加到bc段（減少了加速面積）；2時(shí)故障切除；強(qiáng)勵(lì)使曲線2的dehg增加到dehg （增大減速面積）；轉(zhuǎn)子功角最大值由m降到m。 勵(lì)磁頂值電壓越高，電壓響應(yīng)越快，勵(lì)磁調(diào)節(jié)勵(lì)磁頂值電壓越高，電壓響應(yīng)越快，勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。但負(fù)面影響越對(duì)改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。但負(fù)面影響越大。正確的思路是在不影響勵(lì)磁可靠性的基礎(chǔ)大。正確的思路是在不影響勵(lì)磁可靠性的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)。

13、上強(qiáng)調(diào)勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)。（水電（水電2 2倍倍; ;國(guó)標(biāo)國(guó)標(biāo)2 2倍倍+80%=2.5;+80%=2.5;三峽三峽2.5+80%=3.125;1000V,OK2.5+80%=3.125;1000V,OK）. ） 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：、。K1主要是同步力矩環(huán)節(jié)；D轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)節(jié)；K4發(fā)電機(jī)去磁電樞反應(yīng)；K5勵(lì)磁正負(fù)阻尼系數(shù)；K2和K6主要是勵(lì)磁阻尼力矩環(huán)節(jié)。K5為正，這時(shí)AVR的作用是引入了一個(gè)負(fù)的同步轉(zhuǎn)矩和一個(gè)正的阻尼轉(zhuǎn)矩，有利于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的外接電抗較大，并且發(fā)電機(jī)的輸出功率較高時(shí)，系數(shù)K5為負(fù)，這時(shí)AVR的作用是引入了一個(gè)正的同步轉(zhuǎn)矩和一個(gè)負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩不利于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；功角穩(wěn)定比喻v腕

14、中放置一個(gè)球，且受到外部的一個(gè)小外力，它就偏離原來的位置。如果這個(gè)腕的高度很矮，像一個(gè)盤子，該球就有可能從碗中掉下來。此時(shí)，我們就說這個(gè)系統(tǒng)靜穩(wěn)不足。提高腕的高度最經(jīng)濟(jì)的辦法就是采用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。v當(dāng)碗中的球受到一個(gè)大的外力，怎樣保證該球不飛出，最主要措施就是快速的繼電保護(hù)。繼保的作用就相當(dāng)于減少這個(gè)外部力量的作用時(shí)間，繼保越快，外力的作用時(shí)間就越短，這個(gè)球就不會(huì)一下子掉下來。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器此時(shí)作用相當(dāng)于自動(dòng)改變這個(gè)腕的坡度，當(dāng)這個(gè)球上升時(shí)增加坡度，當(dāng)這個(gè)球下降時(shí)就減少這個(gè)坡度，使這個(gè)球在碗中滾動(dòng)幅度迅速減小。v當(dāng)腕和球之間的摩擦很小，這個(gè)球受到擾動(dòng)后在碗中滾動(dòng)幅度大且時(shí)間長(zhǎng)。動(dòng)穩(wěn)定影響到電

15、力系統(tǒng)阻尼，就如同影響這個(gè)碗中的摩擦系數(shù)一樣，正阻尼就是增大摩擦系數(shù)，負(fù)阻尼減少摩擦系數(shù)。當(dāng)這個(gè)球在滾動(dòng)中，如果有一個(gè)外力在其上升時(shí)幫助其上升，在其下降時(shí)幫助其下降，這個(gè)球的滾動(dòng)幅度就越滾越大，反之就越滾越小并最終停下來。PSS的作用就是增加阻尼。勵(lì)磁負(fù)阻尼比喻：蕩秋千在蕩秋千中，我們停止外力，秋千就會(huì)在摩擦系數(shù)的作用下慢慢停下；當(dāng)我們外加使秋千停下來的外力，它就會(huì)馬上停下；當(dāng)我們外加使這個(gè)秋千蕩起來的外力，它就越蕩越高。電力系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)就像蕩秋千一樣，勵(lì)磁負(fù)阻尼，就產(chǎn)生一個(gè)使秋千蕩起來的外力，勵(lì)磁正阻尼產(chǎn)生一個(gè)使秋千停下來的外力。比較這兩個(gè)外力，主要的問題就是作用在秋千上的時(shí)間不同，由于發(fā)電機(jī)

16、轉(zhuǎn)子的電感，勵(lì)磁對(duì)秋千所產(chǎn)生的外力總是滯后，正是這種滯后效應(yīng)造成勵(lì)磁負(fù)阻尼。如果我們用PSS的超前環(huán)節(jié)來校正這個(gè)滯后作用，勵(lì)磁的負(fù)阻尼就變?yōu)檎枘幔@就是PSS的原理。P 1 擺動(dòng) 阻尼 2 穩(wěn)定q Ug AVR作用小、反應(yīng)慢 Uf小 If小 P（力矩象限不明） 對(duì)影響極小。q Ug AVR作用大、反應(yīng)快 Uf大 If大 P（力矩第二象限） 產(chǎn)生負(fù)阻尼使原來的阻尼變小，對(duì)負(fù)面影響。q Ug AVR作用大、反應(yīng)快 Uf大 If大， P（力矩第一象限） 產(chǎn)生正阻尼使原來的阻尼變大，對(duì)正面影響。v本機(jī)振蕩模式v地區(qū)性振蕩模式（local model）：頻率一般在0.52.0Hz；v區(qū)域間振蕩模式（i

17、nterarea model、tieline model）：頻率一般在0.10.5Hz）。小系統(tǒng)： 0.52.5Hz；大系統(tǒng)： 0.22.5Hz；全國(guó)聯(lián)網(wǎng)： 0.12.0Hz； 解決勵(lì)磁產(chǎn)生負(fù)阻尼，造成系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的方法是附加控制，即電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器，各種智能控制器。依據(jù)F.D.迪米洛和C.康柯迪亞理論設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power system stabilizer)，簡(jiǎn)稱PSS，即為抑制系統(tǒng)低頻振蕩和提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性而設(shè)置的。 建立平面坐標(biāo)系T1：勵(lì)磁產(chǎn)生的電磁力矩T2：PSS產(chǎn)生的電磁力矩PSS:附加勵(lì)磁控制信號(hào)AVR(PID)PSS產(chǎn)生的電磁力矩 PSS輸

18、入信號(hào)、Pe、P、f測(cè)量軸轉(zhuǎn)速，測(cè)量和處理比較復(fù)雜, 軸系扭轉(zhuǎn)的處理更加困難，使用較少測(cè)量過剩功率P，測(cè)量和處理更加復(fù)雜,輸入信號(hào)多，使用也少測(cè)量電功率Pe，在假定機(jī)械功率不變的情況下，可以得到過剩功率P，使用廣泛，效果不錯(cuò)。但在原動(dòng)機(jī)功率變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象。測(cè)量機(jī)端電壓頻率f，克服了測(cè)量處理上的困難，但由于發(fā)電機(jī)電抗的影響，f與頻差不完全一致，因而效果上稍差PSS模型簡(jiǎn)介輸入量、優(yōu)缺點(diǎn)、反調(diào)加速電功率型PSSPSS1APSS2APSS2B時(shí)域分析國(guó)外發(fā)生“低頻振蕩” 實(shí)例96年8月10日，當(dāng)天美國(guó)WSCC處于水電大發(fā), 向南輸送很重的負(fù)荷. 由于一條500Kv聯(lián)絡(luò)線故障斷開, 潮流轉(zhuǎn)移使得局部地區(qū)電壓偏低, 此時(shí)一個(gè)水電廠13臺(tái)機(jī)組由于勵(lì)磁誤動(dòng)而相繼斷開，系統(tǒng)出現(xiàn)了0.24Hz左右的增幅低頻振蕩，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定,解列成數(shù)個(gè)小系統(tǒng)。值得特別注意的是加拿大Powertech Lab Inc.公司事后作的仿真研究證明，如果把南加卅(系統(tǒng)受端)一臺(tái)機(jī)組PSS參數(shù)重新調(diào)整，另一臺(tái)機(jī)組的PSS由退出狀態(tài)改成投入狀態(tài)，則上述負(fù)阻尼增幅振蕩不會(huì)出現(xiàn)。上圖為實(shí)際錄波曲線，下圖為仿真曲線。國(guó)內(nèi)發(fā)生過許多次“低頻振蕩” （1）1998年7月，川渝電網(wǎng)二灘電廠機(jī)組與系統(tǒng)發(fā)生低頻