发电机励磁系统原理（ 1 ）

发电机励磁系统原理（1） 三峡电厂陈小明 Chen_xiaoming@cypc.com.cn

水轮发电厂原理 大坝、水电厂、水轮机、发电机定子、转子、励磁系统

水轮发电厂转子 n=60f/P 励磁绕组（d轴）阻尼绕组（d轴、q轴）

励磁的基本概念 • 什么是励磁？ • 导体切割磁力线感生电动势e • 励磁就是提供一个磁场B 4.44:有效值系数 F:励磁条件与影响 N:机端电压影响 Φ:与励磁电流关系 E=4.44fNΦ 对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ

Frequency（f） Active Power（P） ReactivePower（Q） Terminal Voltage（Ug） G 励磁的基本任务 Governor调速功角δ • 功角含义（电气量与空间量）、静稳极限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、功角范围（机组小于系统） Excitation励磁

励磁重要概念 Synchronous Machine Regulator Synchronous Machine Power System Exciter 励磁系统 Excitation System Excitation Control System 励磁控制系统 Blockdiagramm according IEEE

励磁系统新科技 现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁；发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁；

励磁控制系统新科技 现在励磁控制系统规律大多采用传统经典控制理论：PID+PSS 励磁控制系统科研主要内容：电力系统稳定器PSS；线性最优控制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律（清华大学）。电力系统励磁控制发展过程： • PID 控制； PSS 控制 线性最优控制LO－PSS （Linear Optimal Control） 非线性最优控制NO－PSS （Nonlinear Optimal Control） 非线性鲁棒控制NR－PSS （Nonlinear Robust Control）

20 ΔVG PID励磁控制理念 K ΔVG 控制 • 如K=100

Output of Excitation System PotentialTransformers Current Transformers 400 V AC 110 V DC For Example 励磁机他励与自并励 < AVR U , I U , I E f f E 自并励励磁系统 IGBT Main Exciter Generator Voltage Regulator 他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等；自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措施保证强励能力。

励磁系统的组成与分类 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按励磁电源分类：直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统无刷励磁系统自并励励磁系统按响应速度分类：慢速励磁系统快速励磁系统高起始励磁系统

三峡电厂右岸励磁系统 完全柔性制动系统 THYRIPOL 调辅助整流柜（功率柜）直流灭磁灭磁节控制制动整流柜开关柜电阻柜器柜（柔性制动） S101 S106+S107

同轴直流励磁机系统（开关励磁）开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。

同轴交流励磁机系统（三机它励）组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。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缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡

静止自幷励

静止有刷励磁

旋转无刷励磁系统

自并励磁系统 • 励磁装置就是提供发电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置及保护装置 • 励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统 • 整流器输入开关的定义：灭磁开关&隔离开关：按是否投灭磁电阻而定

现代励磁基础 • 同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小） • 电力电子器件：二极管、晶闸管（可控硅）、IGBT等 • PN结、单相导通特性、可控硅伏安特性 • 可控硅导通条件：正向电压、正向脉冲 • 可控硅关断条件：反向电压 • 同步电压、触发脉冲、脉宽调制开关励磁

可控硅励磁原理 三相全控桥电路α=00:强励状态，AC变DCα=α0:整流状态，AC变DCα=1500:逆变状态，DC变AC

全控桥与半控桥 全控桥：整流与逆变整流特征相同能够逆变也能续流Uf反相恒定If线性衰减灭磁快半控桥：整流与续流整流特征相同不能逆变只能续流Uf＝0If非线性衰减灭磁慢续流二极管

三相全控桥电路要点 • SCR导通顺序：1234561234561234…… • 整流状态 • 交流变直流，能量供给 • 00<a<900 • Ud>0 • 逆变状态 • 直流变交流，能量反送 • 900<a<1500 (1800-0) • Ud<0 • Ud=1.35U2cosa • I2＝0.816Id

三相全控桥实际电路波形 因电感引起换弧角带来的过电压尖峰，逆变颠覆实际电路器件介绍：快熔、阻容、分流器、表记、均流、开关、脉冲变等

同步发电机励磁的作用 • 从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级） • 调节发电机电压（空载） • 调节发电机无功功率（负载） • 多台发电机无功功率分配（调差） • 安全可靠运行（关键） • 从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级） • 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） • 提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）励磁是发电机励磁，也是系统的励磁，但更重要的还是发电机励磁

励磁控制系统的主要任务 1、同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是维持发电机电压在给定水平上 1.1、第一，保证电力系统运行设备的安全。 1.2、第二，保证发电机运行的经济性 1.3、第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。 2、同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的稳定性尽管励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为简单、经济而有效的措施。但是，稳定问题还是各有重点，各有分工：静稳由自动电压调节器和系统结构及运行调度负责；暂稳主要由继电保护负责，动稳主要由励磁PSS负责。

电力系统稳定简介 • 电力系统稳定分为三个电量的稳定： • 电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q） • 频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载） • 功角稳定（P、Q变化）。 • 励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定，其次是提高功角稳定。频率稳定由调速器负责。 • 功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 • 静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性（不发生非周期性的振荡）（稳定余度好极限功率问题、安稳切机问题）； • 暂态稳定是大扰动后系统在随后的1－2个周波的稳定性；（周期性振荡）（安稳切机问题、继电保护问题）； • 动态稳定是微小扰动或者是大扰动1－2周波后（暂稳后期），因自动调节作用产生的稳定性稳定（励磁PSS问题）。

我国电力系统稳定导则定义 • 静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。稳定导则还规定，在有防止事故扩大的相应措施的情况下，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下允许只按静态稳定储备送电。 • 暂态稳定是指电力系统受到大扰动后, 各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。 • 动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的判据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围内。

励磁对静态稳定的影响 • (a)Eq恒定(励磁电流恒定)，内功率特性曲线(Eq=常数)（ECR） • (b)当Eq恒定,Eq’及U的变化 • (c)Eq’恒定(发电机暂态电势恒定) • (d)当Eq’恒定，Eq及U的变化 • (e) U恒定(发电机机端电压恒定) • (f)当U恒定，Eq及Eq’的变化 • (c) 和(e)分别维持Eq’和U为恒定时，发电机的功角特性曲线（AVR） • 0.4、0.77和1.0 • 维持Eq‘近似不变的外功率特性曲线 • 静态稳定功率达到极限，功角大于900

静稳定破坏举例：华北电网大（同）－房（山）线静稳定破坏事故静稳定破坏举例：华北电网大（同）－房（山）线静稳定破坏事故 1985年10月，大同电厂＃2机（额定有功200MW）通过220kV大房线向比较送电。因励磁调节器自动通道有问题，发电机处于手动调节励磁的状态下运行。发电机于130MW状态下已稳定运行很长时间，发电机励磁电流（转子电流）约为1000A。当电厂运行人员根据调度要求把发电机有功出力增加到170MW后，发电机与系统失去同步，发电机失步保护动作后，由于种种原因，造成机组超速，汽轮机严重损坏而报废。事故调查得知，运行人员在增加发电机的有功时（直到失步）没有同时增加发电机的励磁电流，事故后的仿真研究证明，（1）发电机为1000A时的静稳定极限就是170MW，（2）如果发电机是在自动励磁调节的状态下运行，其静稳定极限大于200MW，（3）即使发电机处于手动调节励磁的状态下运行，如果在增加有功出力的同时，运行人员能适当增加发电机的励磁，也可以避免发电机与系统失步的事故发生。

励磁对暂态稳定的影响 • (a)单机无限大母线系统 • (b)短路故障下，功率特性曲线的变化：初始工作曲线1；短路后3；故障切除2 • 暂态稳定性决定于加速面积abedabcd是否小于或等于减速面积dfed。提高暂态稳定性有两种方法 1、减小加速面积：加快故障切除时间 2、增大减速面积：提高励磁电压响应比；提高强励电压倍数，使故障切除后的发电机内电势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到增加减速面积的目的。正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特性曲线增加到bc‘段（减少了加速面积）；δ2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到de’h’g（增大减速面积）；转子功角最大值由δm’降到δm。励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但负面影响越大。正确的思路是在不影响励磁可靠性的基础上强调励磁强励倍数。（水电2倍;国标2倍+80%=2.5;三峡2.5+80%=3.125;<1000V,OK）

励磁对动态稳定的影响 • 发电机转子运动方程：ΔΡ、Δω、Δδ。 • K1主要是同步力矩环节；D转子阻尼环节；K4发电机去磁电枢反应；K5励磁正负阻尼系数；K2和K6主要是励磁阻尼力矩环节。 • K5为正，这时AVR的作用是引入了一个负的同步转矩和一个正的阻尼转矩，有利于动态稳定； • 当发电机与系统的外接电抗较大，并且发电机的输出功率较高时，系数K5为负，这时AVR的作用是引入了一个正的同步转矩和一个负的阻尼转矩不利于动态稳定；单机无穷大系统线性化小偏差理论数学模型（菲利普斯-海佛曼模型）（ F. P. deMello and C. Concordia. ）

功角稳定比喻 • 腕中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的位置。如果这个腕的高度很矮，像一个盘子，该球就有可能从碗中掉下来。此时，我们就说这个系统静稳不足。提高腕的高度最经济的办法就是采用自动电压调节器。 • 当碗中的球受到一个大的外力，怎样保证该球不飞出，最主要措施就是快速的继电保护。继保的作用就相当于减少这个外部力量的作用时间，继保越快，外力的作用时间就越短，这个球就不会一下子掉下来。自动电压调节器此时作用相当于自动改变这个腕的坡度，当这个球上升时增加坡度，当这个球下降时就减少这个坡度，使这个球在碗中滚动幅度迅速减小。 • 当腕和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中滚动幅度大且时间长。动稳定影响到电力系统阻尼，就如同影响这个碗中的摩擦系数一样，正阻尼就是增大摩擦系数，负阻尼减少摩擦系数。当这个球在滚动中，如果有一个外力在其上升时帮助其上升，在其下降时帮助其下降，这个球的滚动幅度就越滚越大，反之就越滚越小并最终停下来。PSS的作用就是增加阻尼。

励磁负阻尼比喻：荡秋千 在荡秋千中，我们停止外力，秋千就会在摩擦系数的作用下慢慢停下；当我们外加使秋千停下来的外力，它就会马上停下；当我们外加使这个秋千荡起来的外力，它就越荡越高。电力系统的动稳就像荡秋千一样，励磁负阻尼，就产生一个使秋千荡起来的外力，励磁正阻尼产生一个使秋千停下来的外力。比较这两个外力，主要的问题就是作用在秋千上的时间不同，由于发电机转子的电感，励磁对秋千所产生的外力总是滞后，正是这种滞后效应造成励磁负阻尼。如果我们用PSS的超前环节来校正这个滞后作用，励磁的负阻尼就变为正阻尼，这就是PSS的原理。

励磁产生负阻尼的原因 阻尼（正、零、负）VS惯性动态稳定可以理解为机电振荡的阻尼问题。 AVR造成阻尼变弱、甚至变负（K5变负)。在 —定的运行方式及励磁系统参数下，AVR在维持Ug恒定的同时，会产生负的阻尼作用。 • 扰动前后：ΔP → Δδ1 → Δδ→ 摆动 • → 阻尼 → Δδ2 →稳定 • 传统励磁：低增益慢速（没有能力管闲事） • Δδ→ ΔUg →AVR作用小、反应慢 → ΔUf小 → ΔIf小 → Δ → ΔP（力矩象限不明） → 对Δδ影响极小。 • 现代励磁：高增益快速（管闲事帮倒忙） • Δδ→ ΔUg →AVR作用大、反应快 → ΔUf大 → ΔIf大 → Δ → ΔP（力矩第二象限） → 产生负阻尼使原来的阻尼变小，对Δδ负面影响。 • AVR+PSS:高增益快速+附加控制系统（管闲事帮正忙） • Δδ→ ΔUg →AVR作用大、反应快 → ΔUf大 → ΔIf大， Δ → ΔP（力矩第一象限） →产生正阻尼使原来的阻尼变大，对Δδ正面影响。

电力系统低频振荡 • 本机振荡模式 • 地区性振荡模式（local model）：频率一般在0.5～2.0Hz； • 区域间振荡模式（interarea model、tieline model）：频率一般在0.1～0.5Hz）。 • 小系统： 0.5～2.5Hz； • 大系统： 0.2～2.5Hz； • 全国联网： 0.1～2.0Hz； • 解决励磁产生负阻尼，造成系统产生低频振荡的方法是附加控制，即电力系统稳定器，线性最优励磁控制器，各种智能控制器。 • 依据F.D.迪米洛和C.康柯迪亚理论设计的电力系统稳定器(Power system stabilizer)，简称PSS，即为抑制系统低频振荡和提高电力系统动态稳定性而设置的。

电力系统稳定器原理 建立δ－ω平面坐标系 • T1：励磁产生的电磁力矩 • T2：PSS产生的电磁力矩 • ΔPSS:附加励磁控制信号 • AVR(PID)＋PSS产生的电磁力矩 PSS输入信号 Δω、Δδ、Pe、ΔP、Δf • 测量轴转速Δω，测量和处理比较复杂, 轴系扭转的处理更加困难，使用较少 • 测量过剩功率ΔP，测量和处理更加复杂,输入信号多，使用也少 • 测量电功率Pe，在假定机械功率不变的情况下，可以得到过剩功率ΔP，使用广泛，效果不错。但在原动机功率变化时会出现反调现象。 • 测量机端电压频率△f，克服了Δω测量处理上的困难，但由于发电机电抗的影响，△f与频差Δω不完全一致，因而效果上稍差。

PSS模型简介 • PSS1A • PSS2A • PSS2B 输入量、优缺点、反调加速电功率型PSS

时域分析 投退PSS负载阶跃试验录波

国外发生“低频振荡” 实例 96年8月10日，当天美国WSCC处于水电大发, 向南输送很重的负荷. 由于一条500Kv联络线故障断开, 潮流转移使得局部地区电压偏低, 此时一个水电厂13台机组由于励磁误动而相继断开，系统出现了0.24Hz左右的增幅低频振荡，使系统失去稳定,解列成数个小系统。值得特别注意的是加拿大Powertech Lab Inc.公司事后作的仿真研究证明，如果把南加卅(系统受端)一台机组PSS参数重新调整，另一台机组的PSS由退出状态改成投入状态，则上述负阻尼增幅振荡不会出现。。上图为实际录波曲线，下图为仿真曲线。

国内发生过许多次“低频振荡” （1） 1998年7月，川渝电网二滩电厂机组与系统发生低频振荡，导致机组跳闸，见图4－3。其后，因过磁通限制动作，错误地将PSS退出（系调节器设计逻辑所致），又发生过多次低频振荡，但未造成系统事故。

国内发生过许多次“低频振荡” （2） 2003年2月23日、3月6日和3月7日的上午7时至8时间，在南方电网的云南至天生桥（罗马线）、天生桥至广东、广东至香港的联络线上，出现过5次低频振荡。图4-4为2月23日的罗马线功率的录波图。经过分析和研究，这些低频振荡都是励磁系统的负阻尼作用引起的，在当时的运行方式下，罗马线功率大于630MW时，就会出现低频增幅振荡。分析和研究还表明，只要在相应的机组上配置电力系统稳定器，就可以制止这种低频振荡的发生

待续

发电机 励磁系统原理（ 1 ）