發(fā)電機(jī)勵磁原理(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)子勵磁的基本概念勵磁的基本概念E=4.44fN4.44:有效值系數(shù)F:勵磁條件與影響N:機(jī)端電壓影響:與勵磁電流關(guān)系GFrequency（f） Active Power（P）Reactive Power（Q）Terminal Voltage（Ug）GovernorExcitation勵磁的基本任務(wù)勵磁的基本任務(wù)功角Excitation SystemExcitation Control SystemSynchronous Machine RegulatorExciterSynchronousMachinePowerSy

2、stem勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)勵磁控制系統(tǒng)勵磁控制系統(tǒng)勵磁重要概念勵磁重要概念現(xiàn)在發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)采用單軸直流電勵磁；現(xiàn)在發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)采用單軸直流電勵磁；發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：雙軸勵磁；交流勵磁；發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：雙軸勵磁；交流勵磁；勵磁系統(tǒng)新科技勵磁系統(tǒng)新科技現(xiàn)在勵磁控制系統(tǒng)規(guī)律現(xiàn)在勵磁控制系統(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勵磁控制系統(tǒng)科研主要內(nèi)容：勵磁控制系統(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

3、磁控制系統(tǒng)新科技勵磁控制系統(tǒng)新科技電力系統(tǒng)勵磁控制發(fā)展過程：電力系統(tǒng)勵磁控制發(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自并勵勵磁系統(tǒng)自并勵勵磁系統(tǒng)For Example勵磁機(jī)他勵與自并勵勵磁機(jī)他勵與自并勵I(lǐng)GBT他勵：勵磁電源取自勵磁機(jī)或廠用電等；自勵：勵磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，可靠性高，但需采取措施保證強(qiáng)勵能力。勵磁系統(tǒng)的組成與分類勵磁系統(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 制動整流柜制動整流柜 開關(guān)柜開關(guān)柜 電阻柜電阻柜 器器 柜柜 （柔性制動）（柔性制

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

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)勵磁的作用同步發(fā)電機(jī)勵磁的作用勵磁是發(fā)電機(jī)勵磁，也是系統(tǒng)的勵磁，但更重要的還是發(fā)電機(jī)

7、勵磁勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù) 1、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(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 盡管勵磁控制系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定、動態(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)，動穩(wěn)主要由勵磁PSS負(fù)責(zé)。電

8、力系統(tǒng)穩(wěn)定簡介v電力系統(tǒng)穩(wěn)定分為三個電量的穩(wěn)定：v電壓穩(wěn)定（勵磁、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)、自動減載）v功角穩(wěn)定（P、Q變化）。v勵磁系統(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)定和動態(tài)穩(wěn)定。v靜態(tài)穩(wěn)定是系統(tǒng)受到小擾動后系統(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)定是大擾動后系統(tǒng)在隨后的12個周波的穩(wěn)定性；（周期性振蕩）（安穩(wěn)切機(jī)問題、繼電保護(hù)問題）；v動態(tài)穩(wěn)定是微小擾動或者是大擾動12周波后（暫穩(wěn)后期），因自動調(diào)節(jié)作用

9、產(chǎn)生的穩(wěn)定性穩(wěn)定（勵磁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)定儲備送電。n暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大擾動后, 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)遭受每一次大擾動后，引起電力系統(tǒng)各機(jī)組之間功角相對增大，在經(jīng)過第一或第二個振蕩周期不失步，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，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持長過程的運(yùn)行穩(wěn)定性的能力。

10、動態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是在受到小的或大的擾動后，在動態(tài)搖擺過程中發(fā)電機(jī)相對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。因勵磁調(diào)節(jié)器自動通道有問題，發(fā)電機(jī)處于手動調(diào)節(jié)勵磁的狀態(tài)下運(yùn)行。發(fā)電機(jī)于130MW狀態(tài)下已穩(wěn)定運(yùn)行很長時間，發(fā)電機(jī)勵磁電流（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（直到失步）沒有同時增加發(fā)電機(jī)的勵磁電流，事故后的仿真研究證明，（1）發(fā)電機(jī)為1000A時的靜穩(wěn)定極限就是170MW，（2）如果發(fā)電機(jī)是在自動勵磁調(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)處于手動調(diào)節(jié)勵磁的狀態(tài)下運(yùn)行，如果在增加有功出力的同時，運(yùn)行人員能適當(dāng)增加發(fā)電機(jī)的勵磁，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：加快故障切除時間2、增大減速面積：提高勵磁電壓響應(yīng)比；提高強(qiáng)勵電壓倍數(shù)，使故障切除后的發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢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)勵使功率特性曲線增加到bc段（減少了加速面積）；2時故障切除；強(qiáng)勵使曲線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。 勵磁頂值電壓越高，電壓響應(yīng)越快，勵磁調(diào)節(jié)勵磁頂值電壓越高，電壓響應(yīng)越快，勵磁調(diào)節(jié)對改善暫態(tài)穩(wěn)定的效果越明顯。但負(fù)面影響越對改善暫態(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磁可靠性的基礎(chǔ)大。正確的思路是在不影響勵磁可靠性的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)勵磁強(qiáng)勵倍數(shù)。

13、上強(qiáng)調(diào)勵磁強(qiáng)勵倍數(shù)。（水電（水電2 2倍倍; ;國標(biāo)國標(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勵磁正負(fù)阻尼系數(shù)；K2和K6主要是勵磁阻尼力矩環(huán)節(jié)。K5為正，這時AVR的作用是引入了一個負(fù)的同步轉(zhuǎn)矩和一個正的阻尼轉(zhuǎn)矩，有利于動態(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，系數(shù)K5為負(fù)，這時AVR的作用是引入了一個正的同步轉(zhuǎn)矩和一個負(fù)的阻尼轉(zhuǎn)矩不利于動態(tài)穩(wěn)定；功角穩(wěn)定比喻v腕

14、中放置一個球，且受到外部的一個小外力，它就偏離原來的位置。如果這個腕的高度很矮，像一個盤子，該球就有可能從碗中掉下來。此時，我們就說這個系統(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電壓調(diào)節(jié)器。v當(dāng)碗中的球受到一個大的外力，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)于減少這個外部力量的作用時間，繼保越快，外力的作用時間就越短，這個球就不會一下子掉下來。自動電壓調(diào)節(jié)器此時作用相當(dāng)于自動改變這個腕的坡度，當(dāng)這個球上升時增加坡度，當(dāng)這個球下降時就減少這個坡度，使這個球在碗中滾動幅度迅速減小。v當(dāng)腕和球之間的摩擦很小，這個球受到擾動后在碗中滾動幅度大且時間長。動穩(wěn)定影響到電

15、力系統(tǒng)阻尼，就如同影響這個碗中的摩擦系數(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)這個球在滾動中，如果有一個外力在其上升時幫助其上升，在其下降時幫助其下降，這個球的滾動幅度就越滾越大，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，它就會馬上停下；當(dāng)我們外加使這個秋千蕩起來的外力，它就越蕩越高。電力系統(tǒng)的動穩(wěn)就像蕩秋千一樣，勵磁負(fù)阻尼，就產(chǎn)生一個使秋千蕩起來的外力，勵磁正阻尼產(chǎn)生一個使秋千停下來的外力。比較這兩個外力，主要的問題就是作用在秋千上的時間不同，由于發(fā)電機(jī)

16、轉(zhuǎn)子的電感，勵磁對秋千所產(chǎn)生的外力總是滯后，正是這種滯后效應(yīng)造成勵磁負(fù)阻尼。如果我們用PSS的超前環(huán)節(jié)來校正這個滯后作用，勵磁的負(fù)阻尼就變?yōu)檎枘?，這就是PSS的原理。P 1 擺動 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；全國聯(lián)網(wǎng)： 0.12.0Hz； 解決勵磁產(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)，簡稱PSS，即為抑制系統(tǒng)低頻振蕩和提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性而設(shè)置的。 建立平面坐標(biāo)系T1：勵磁產(chǎn)生的電磁力矩T2：PSS產(chǎn)生的電磁力矩PSS:附加勵磁控制信號AVR(PID)PSS產(chǎn)生的電磁力矩 PSS輸

18、入信號、Pe、P、f測量軸轉(zhuǎn)速，測量和處理比較復(fù)雜, 軸系扭轉(zhuǎn)的處理更加困難，使用較少測量過剩功率P，測量和處理更加復(fù)雜,輸入信號多，使用也少測量電功率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。但在原動機(jī)功率變化時會出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象。測量機(jī)端電壓頻率f，克服了測量處理上的困難，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模型簡介輸入量、優(yōu)缺點(diǎn)、反調(diào)加速電功率型PSSPSS1APSS2APSS2B時域分析國外發(fā)生“低頻振蕩” 實(shí)例96年8月10日，當(dāng)天美國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, 此時一個水電廠13臺機(jī)組由于勵磁誤動而相繼斷開，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)一臺機(jī)組PSS參數(shù)重新調(diào)整，另一臺機(jī)組的PSS由退出狀態(tài)改成投入狀態(tài)，則上述負(fù)阻尼增幅振蕩不會出現(xiàn)。上圖為實(shí)際錄波曲線，下圖為仿真曲線。國內(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