2010年勵磁系統培訓班

勵磁系統原理國網電力科學研究院/國電南瑞科技股份有限公司二零一零年十月勵磁系統原理主要內容1、勵磁系統的作用及分類2、勵磁系統的組成與算法3、可控硅整流裝置4、滅磁與過壓保護

一、發電機勵磁系統作用及分類

1、勵磁系統的作用2、勵磁系統的基本分類維持發電機或其他控制點的電壓在給定水平控制并聯運行機組無功功率的合理分配提高電力系統的穩定性勵磁系統的作用維持發電機或其他控制點的電壓在給定水平保證電力系統運行設備的安全。提高維持發電機電壓能力的要求和提高電

力系統穩定性的要求在許多方面是一致的。保證發電機運行的經濟性。控制并聯運行機組無功功率的合理分配發電機電壓調差率在自動勵磁調節器調差單元投入、電壓給定值固定、功率因數為零的情況下，發電機無功電流從零變化到額定時，用發電機額定電壓的百分數表示的發電機端電壓變化率發電機電壓調差率按下式計算：

D(%)=[(Ug0-Ug)/Ug]×100%

式中Ug0----發電機無功電流等于零時的電壓

Ug---發電機無功電流等于額定無功電流時的電壓

控制并聯運行機組無功功率的合理分配發變組單元高壓側并聯：變壓器電抗調差（正調差）+發電機調差（負調差）坑口電站：長輸電線路調差（正調差）+發電機調差（負調差）兩機一變擴大單元接線：發電機正調差，調差率較大提高電力系統的穩定性靜態穩定性動態穩定性暫態穩定性提高電力系統的穩定性發電機輸出電磁功率發電機功角向量圖提高電力系統的穩定性傳輸功率的大小與相位角δ密切相關，稱δ為“功角”或“功率角”。傳輸功率與功角δ的關系，稱為“功角特性”或“功率特性”。功角δ除了表征系統的電磁關系之外，還表明了各發電機轉子之間的相對位置。

δ角就是感應電勢Eq和電網電壓U之間的夾角，也稱δ為“功角”或“功率角”。提高電力系統的穩定性

δ角是表征電力系統穩定性最重要的量，功角失穩指系統中各發電機之間的相對功角失去穩定性的現象。

如果系統在運行過程中受到某種干擾，干擾的影響將通過互聯的電力網絡傳到各發電機節點，并使發電機的輸出電功率相應發生改變，結果是使得在擾動瞬間各發電機的機械輸入轉矩和輸出的電磁轉矩失去平衡，出現發電機轉子不同程度的加速或減速，并導致各發電機之間轉子相對角的變化。如這種轉子角度的變化過程是隨時間衰減的，并能最終恢復到擾動出現前的正常值或達到一個新的穩態值，則認為在這種運行方式和擾動形式下系統是功角穩定的。如果這種轉子角度的變化隨時間而加劇，并最終導致發電機間失去同步，則認為系統在該運行方式下對這種擾動形式是功角不穩定的。提高電力系統的穩定性電力系統靜態穩定性(SteadyStability)

電力系統靜態穩定性是指電力系統受到小干擾后，不發生非周期性的失步，自動恢復到起始運行狀態的能力。

靜態穩定研究的是電力系統在某一運行方式下受到微小干擾時的穩定性問題。假設在電力系統中有一個瞬時性小干擾，如果在擾動消失后系統能夠恢復到原始的運行狀態，則系統在該運行方式下是靜態穩定的，否則系統是靜態不穩定的。提高電力系統的穩定性電力系統靜態穩定性的判據是發電機輸出電磁功率對功角的微分dPe/dδ是否大于0。

如左圖所示，采用了自動勵磁調節的發電機靜態穩定運行的最大電磁功率和最大功率角都有提高。提高電力系統的穩定性

左圖中，橫坐標是功率角，縱坐標是電壓放大系數。在同一轉子功角下,隨電磁時間常數Te增加,為保證發電機穩定運行所允許的電壓放大系數增加;在同一Te下,隨轉子功角δ的增加所允許的電壓放大系數減少。提高電力系統的穩定性電力系統暫態穩定性(TransientStability)

電力系統暫態穩定是指電力系統受到大干擾后，各同步發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定方式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失步。

如果電力系統在某一運行方式下受到某種形式的大擾動，經過一個機電暫態過程后能夠恢復到原始的穩態運行方式或過渡到一個新的穩態運行方式，則認為系統在這種情況下是暫態穩定的。暫態穩定性不僅與系統在擾動前的運行方式有關，而且與擾動的類型、地點及持續時間有關。提高電力系統的穩定性電力系統暫態穩定性的判據是等面積定則。

左圖的功率曲線中，當功率角從δ1變化到δ2時，PT與P3之間的面積正比于轉子動能的變化量。提高電力系統的穩定性等面積定則的具體內容提高電力系統的穩定性等面積定則的具體內容等面積定則：減速面積和加速面積如圖所示。如圖（a）減速面積＝加速面積，臨界穩定；如圖（b）減速面積>加速面積，穩定；如圖（c）減速面積<加速面積，不穩定。

提高電力系統的穩定性提高暫態穩定性的方法就要減小加速面積或增大減速面積，具體說來有以下三種方法：

加快故障切除時間提高勵磁系統勵磁電壓響應比提高強行勵磁電壓倍數

提高電力系統的穩定性提高暫態穩定性對于勵磁系統而言，就是要提高勵磁系統勵磁電壓響應比和提高強行勵磁電壓倍數。提高勵磁系統勵磁電壓響應比加快勵磁系統電壓響應時間，即從施加階躍信號起，勵磁電壓達到頂值電壓與額定勵磁電壓差的95%的瞬間的時間。提高強行勵磁電壓倍數提高勵磁系統電壓響應比，即由勵磁系統電壓響應曲線確定的勵磁系統輸出電壓的增量除以額定磁場電壓。

提高電力系統的穩定性電力系統動態穩定性(DynamicStability)

電力系統動態穩定是指電力系統受到干擾后，不發生振幅不斷增長的振蕩而失步的能力。

擾動后系統在第一或第二振蕩周期內不失步(即保持了暫態穩定性)，但可能由于自動調節裝置的配置不合適或其他因素，后續的振蕩周期幅值不斷增大并造成失步。動態穩定問題實際上是指系統在受到小的或大的擾動后，在自動調節裝置和自動控制裝置的影響下，保持長過程運行穩定性的能力。提高電力系統的穩定性勵磁控制系統對動態穩定的影響

電力系統的固有自然阻尼小，而使用快速勵磁調節器或使用自并激可控硅快速勵磁系統，又削弱了系統阻尼，甚至使系統產生負阻尼。為了抑制低頻振蕩，在勵磁系統中加入了電力系統穩定器（PSS）。

電力系統穩定器(PSS)的作用是：利用附加控制，產生附加阻尼轉矩，增加正阻尼抑制低頻振蕩。1、勵磁系統的作用

2、勵磁系統的基本分類他勵交流勵磁機系統三機他勵勵磁系統

兩機他勵勵磁系統兩機一變勵磁系統無刷勵磁系統自并勵勵磁系統（主流）其它勵磁系統

P棒勵磁系統直流勵磁機勵磁系統諧波勵磁系統

勵磁系統的基本分類他勵交流勵磁機系統三機他勵勵磁系統他勵交流勵磁機系統兩機他勵勵磁系統他勵交流勵磁機系統兩機一變勵磁系統他勵交流勵磁機系統無刷勵磁系統交流他勵系統總體說來具有勵磁電壓穩定，不受電網影響的優點，但是相比自勵系統響應仍然較慢，而且維護復雜。對其評價自并勵勵磁系統自并勵勵磁系統自勵系統尤其是自并勵系統，結構簡單，響應快速。但是長期以來被認為在電力系統短路故障時尤其是三相短路時無法支撐起電網電壓。但是近年來隨著封閉母線的大規模運用和控制理論的成熟，已經成為主流勵磁機型。對其評價1P棒勵磁系統2直流勵磁機勵磁系統3諧波勵磁系統其它勵磁系統

二、發電機勵磁系統組成及算法

1、勵磁系統的組成2、勵磁系統的控制算法（1）自并激勵磁系統的基本配置

自并激靜止勵磁系統主要由勵磁變壓器、可控硅整流橋、自動勵磁調節器及起勵裝置、轉子過電壓保護與滅磁裝置等組成。FWL/B型靜止勵磁系統的接線原理框圖如下圖所示南瑞電氣控制公司FWL/B型靜止勵磁系統的接線原理框圖（2）三機他勵勵磁系統的基本配置

（3）無刷勵磁系統的基本配置

1、勵磁系統的組成

2、勵磁系統的控制算法（1）PID調節及其算法

按偏差的比例、積分和微分進行控制的PID調節器,是連續系統控制中技術成熟、應用最為廣泛的一種調節器。比例調節可以減小控制系統慣性時間常數，但相對穩定性降低，而且不能消除穩態誤差；積分調節可以消除穩態誤差；微分調節可以提高控制系統的穩定性，相應可以增加比例調節放大倍數。并聯PID調節

串聯PID調節

（2）轉子電壓軟負反饋

（勵磁系統穩定器ESS）

自動電壓調節器Kp增大將造成勵磁控制回路的不穩定，在發電機空載運行時可能導致發電機電壓振蕩。ESS的主要作用是使暫態時的增益降低，以防止發電機空載時勵磁控制回路振蕩，這在一定程度上可改善電力系統動態穩定特性（3）勵磁電壓硬負反饋交流勵磁機勵磁系統中，在提高晶閘管電源電壓的同時，采用勵磁機輸出電壓或勵磁機勵磁電流硬負反饋，以減小勵磁機時間常數。對于快速勵磁系統，如靜態勵磁系統，勵磁時間常數本已很小，再采用勵磁電壓硬負反饋就沒有必要了。（4）電力系統穩定器PSS由于電力系統的發展、互聯電力系統的出現和擴大、快速自動勵磁調節器和快速勵磁系統的應用，電力系統出現了低頻功率振蕩，嚴重影響電力系統的安全穩定運行，成為制約聯絡線輸送功率極限提高的最重要因素之一。依據F.D.迪米洛和C.康柯迪亞理論設計的電力系統穩定器(Powersystemstabilizer)，簡稱PSS，即為抑制系統低頻振蕩和提高電力系統動態穩定性而設置的。當前，PID+PSS的控制方式，在勵磁系統中獲得了廣泛的應用。發電機電磁力矩可分為同步力矩和阻尼力矩，同步力矩(PE)與Δδ同相位，阻尼力矩與Δω同相位。如果同步力矩不足，將發生滑行失步；阻尼力矩不足，將發生振蕩失步。

為抵消快速勵磁調節所帶來的負阻尼轉矩并加強機組的正阻尼，需引入一附加控制輸入，通過設計和計算，使該附加輸入產生的附加轉矩與Δω同相。ΔMex=DAΔω+KAΔδ,產生了負阻尼DAΔW。PSS作用原理

選擇合適的相位補償角φp，使電力系統穩定器產生

的力矩中有盡可能大的阻尼分量，即，使Kdp盡量大；選擇合理的增益，在正確的相位補償下，盡可能增大

穩定器的阻尼作用。參數確定一般分二步進行：第一步，用電力系統穩定進行分析程序進行PSS參數選擇，提供參考值；第二步，現場試驗驗證其效果后，最后確定參數整定值。PSS參數選擇

PSS實現的方法南瑞公司勵磁調節器的PSS是一數字式PSS，無專門的硬件模塊，僅是原調節器上的一個功能軟件模塊。輸入采用-Δpe，利用勵磁調節器所測的Pe形成。硬件無任何增加。保持了調節器的原高可靠性，比之專門的PSS裝置或PSS功能插件，具有較大的優越性。為了使PSS附加控制，在0.1至2.5Hz范圍內都產生準確的相位校正，一階超前滯后環節是不能滿足要求的，南瑞電氣控制公司提供的PSS均含有兩階超前滯后環節。PSS的增益及二階超前和滯后時間整定均為數字式整定，在調節器人機界面上直接寫入所需的參數，直觀可靠。PSS2A模型PSS2B模型

三、可控硅整流裝置

1、可控硅的主要參數2、三相全控橋式整流電路原理3、異常情況下的波形分析4、半導體勵磁系統的保護（1）可控硅的主要參數斷態不重復峰值電壓UDSM斷態重復峰值電壓UDRM反向不重復峰值電壓URSM反向重復峰值電壓URRM額定電壓UNUDRM和URRM中較小的那個數值取整；選用可控硅電壓原則：額定電壓UN應是勵磁變壓器二次側電壓的峰值的2.75到3.0倍

可控硅的電流參數通態平均電流IT(AV)維持電流IH掣住電流IL，通常IL約為IH的2~4倍斷態重復峰值電流IDRM反向重復峰值電流IRRM浪涌電流ITSM可控硅的門極參數(a)門極觸發電流IGT(b)門極觸發電壓UGT可控硅的動態參數(a)斷態電壓臨界上升率du/dt

(b)通態電流臨界上升率di/dt(c)門極控制開通時間tgt

(d)電路換向關斷時間tq

可控硅選用時的主要參數正向電壓反向電壓通態電流觸發電壓和觸發電流導通后的管壓降維持電流和掣住電流（2）三相全控橋式整流電路原理

三相全波全控整流（α=0°時）(a)電路圖；(b)相電壓波形；(c)觸發脈沖；(d)直流側電壓波形

1)整流工作狀態先討論控制角α=0度的情況。在ωt0-ωt1期間，a相的電位最高，b相的電位最低，有可能構成通路。若在ωt0以前共陽極組的SCR6的觸發脈沖Ug6還存在，在ωt0（α=0）時給共陰極的SCR1以觸發脈沖ug1，則可由SCR1與SCR6構成通路：交流電源的a相→SCR1→R→SCR6→回到電源b相。在負載電阻R上得到線電壓uab.此后只要按順序給各橋臂元件以觸發脈沖，就可依次換流。

三相全控橋式整流電路輸出電壓Ud的波形在一個周期內為勻稱的六段，即輸出電壓Ud的周期是陽極電壓周期的六分之一，故計算其平均電壓Ud，只須求交電流電壓U1cosωt在（-π/6+α）至（π/6+α）的平均值即可：在ɑ＜90°時，輸出平均電壓Ud為正值，三相全控橋工作在整流狀態，將交流轉變為直流。2）逆變工作狀態在ɑ＞90°時，輸出平均電壓Ud則為負值，三相全控橋工作在逆變狀態，將直流轉變為交流。采用三相全波全控整流電路，當發電機內部發生故障時能進行逆變滅磁，將發電機轉子磁場原來儲存的能量迅速反饋給交流電源去，以減輕發電機損壞的程度。對于他勵接線，逆變能迅速完成，性能較好；對于自并勵接線，則逆變性能較差。此外，在調節勵磁過程中，如使ɑ＞90°，則加到發電機轉子的勵磁電壓變負，能迅速進行減磁。在全控橋中常將β=180°-ɑ叫作逆變角。由于ɑ＞90°才進入逆變狀態，故逆變角β總是小于90°的。可用下式表示三相全控橋在逆變工作狀態時的反向直流平均電壓，即

Uβ=-1.35U1COS(180°-β)=1.35U1COSβ對于三相全控橋整流電路，可控硅元件的導通角是固定不變的。通常用β代表逆變角。隨著控制角ɑ的變化，逆變角β在0°到90°之間變化。如果逆變角β過小，或者逆變過程中三相全控橋的觸發脈沖因故突然消失，則最后導通的一組可控硅元件，將工作在勵磁繞組電感“放電——激磁——放電”的交替過程中。如下圖。（3）異常情況下的波形分析三相橋式整流電路在運行中由于各種原因，可以出現橋臂斷開、脈沖丟失、換相失敗及續流不良等故障。1、橋臂斷開或其脈沖丟失運行中某一個或兩個橋臂的元件損壞，或者作為過流保護的快速熔斷器熔斷，可使其橋臂呈現斷開狀態；或者由于觸發控制回路的故障，出現觸發脈沖的丟失，致使應當開通的某一個或兩個橋臂元件不能開通，可控整流電路處于異常工作狀態。1)一臂斷開或其脈沖丟失假定控制角ɑ=60°時，快速熔斷器KRD1熔斷，或因橋臂元件SCR1損壞而斷路，或其正a相的觸發脈沖消失，使橋臂1處于開斷狀態，則此時輸出的整流電壓Ud如下圖（b）所示。在正常工作情況下，在ωt1時刻本應觸發SCR1使輸出電壓轉換為a、b相間的線電壓，現橋臂1不通，仍繼續由橋臂5與6構成通路，電感性負載釋放能量，Ud按Ucb負半周的波形變化。ωt2時橋臂元件2接受觸發脈沖而導通，并關斷橋臂元件6。在ωt2至ωt期間，由橋臂2與5構成直通短路，Ud0。到ωt3時，觸發橋臂3，關斷橋臂5，輸出電壓按Ubc變化。在這路異常情況下，整流橋輸出電壓的平均Ud將只為正常情況下平均值的一半（若保持ɑ=60°時）。若共陽極組的某一橋臂發生上述故障，其結果也是相似的。(b)ɑ=60°一臂斷開時Ud波形(c)ɑ=30°一臂斷開時Ud波形2)同相的上下兩臂斷開或其脈沖丟失例如下圖（a）所示，共陰極組的a相與共陽極組的b相橋臂斷開，或者正a相與負b相的觸發脈沖丟（圖中用涂黑的KRD1與KRD6示意該兩臂不能導通），則分別由它們構成通路的有關線電壓Ucb、Uab、Uac均無輸出。ɑ=60°下發生這種故障時的Ud波形，如圖（b）所示的陰影線部分，由線電壓Ubc、Uba、Uca(包括Uca負半周的60°區間)所組成，這時輸出電壓的平均值Ud將下降到無故障時的三分之一。

ɑ=60°，不同相的兩臂斷開時Ud波形同一相的兩臂不能導通時Ud波形

(a)電路圖；(b)輸出電壓Ud波形(a)電路圖；(b)ɑ=60°下故障時Ud波形

(c)ɑ=0°下故障時Ud波形3)同一組的兩臂斷開或其脈沖丟失如果共陰組或者共陽極組的兩臂不能導通，如下圖中橋臂1與3不能開通那樣，這時只有Ucb及Ucɑ的部分波形輸出。圖（b）是ɑ=60°下發生這種故障時的Ud波形。正常時在ωt1時刻觸發SCR1應該開通橋臂1，現因故不能導通，在負載感應電勢的作用下，繼續使橋臂元件5與6開通，送出Ucb負半周波形，ωt2時觸發SCR2由橋臂2與5續流，直至ωt4時刻進還不能使SCR5關斷，則在ωt4處觸通SCR4時，立即由橋臂5與4輸出Ucɑ電壓；否則，ωt4時SCR5關斷，則需等至ωt5時觸通SCR5，才由橋臂4與5構成通路，輸出當時的Ucɑ電壓。

（4）半導體勵磁系統的保護硅元件承受過電壓和過電流的能力較差，可控硅元件承受正向電壓上升率和電流上升率有一定的限度，轉子勵磁繞組的絕緣只有一定的耐壓水平。如不采取適當的保護和抑制措施，運行中就有可能超過容許范圍，損壞半導體勵磁系統中的有關部件。過電壓保護過電流保護

三、滅磁與過壓保護

1、發電機滅磁2、過電壓及其保護同步發電機安全可靠的滅磁，不僅關系到勵磁系統本身安全，而且直接關系到整個電力系統安全運行。發電機組正常停機時：逆變滅磁。發電機組事故停機時：事故停機滅磁，即當發電機發生內部故障，在繼電保護動作切斷主斷路器時，要求迅速地滅磁；在發電機發生電氣事故時，滅磁系統應迅速切斷發電機勵磁回路，并將儲藏在勵磁繞組中的磁場能量快速消耗在滅磁回路中。（1）滅磁的主要任務滅磁時間應盡可能地短暫。滅磁反電壓不超過規定的倍數。滅磁裝置的電路和結構應簡單可靠。滅磁開關應有足夠的分斷發電機轉子電流能力。滅磁系統要有足夠的容量。滅磁要求按開關功能分：耗能型滅磁：滅磁開關將磁場能量消耗掉移能型滅磁：滅磁開關不消耗磁場能量，磁場能量由專用的滅磁電阻來消耗按開關位置分：直流滅磁開關滅磁：滅磁開關裝設在直流側交流滅磁開關滅磁：滅磁開關裝設在交流側跨接器滅磁：不使用滅磁開關而使用跨接器按滅磁電阻的種類分：氧化鋅非線性電阻滅磁碳化硅非線性電阻滅磁線性電阻滅磁（2）滅磁系統分類直流滅磁原理圖

直流開關滅磁圖中:MK為滅磁開關

SCR為可控硅功率裝置

R為滅磁電阻。直流滅磁原理

直流開關滅磁原理為：滅磁時，跳開直流開關MK，直流開關斷口產生電弧，電弧電壓與可控硅SCR輸出的電壓疊加，與轉子的感應反電勢相等，該反電勢同時加在滅磁電阻兩端，即：當UR大于滅磁電阻回路的轉折電壓時，滅磁電阻回路導通，消耗磁場能量而滅磁。對其評價

直流開關滅磁條件直流開關滅磁條件：必須保證在發電機任何工況下滅磁時，開關斷口弧壓與可控硅整流橋輸出的電壓疊加后的值，超過滅磁電阻導通電壓。直流開關滅磁特點優點：滅磁時無需外部邏輯配合，操作簡單。缺點：對直流開關斷口弧壓要求較高，導致開關制造困難。

跨接器滅磁原理圖

跨接器滅磁勵磁跨接器就是轉子過電壓保護裝置，其基本電路及其原理是：一組正反向并聯的可控硅串聯一個放電電阻后再并聯在勵磁繞組兩段，當可控硅的觸發器電路檢測到轉子過電壓后，立即發出觸發脈沖使可控硅導通，利用放電電阻吸收過電壓能量。

對其評價

跨接器滅磁方案的優點：主回路無開關，結構簡單，可靠性高。跨接器滅磁方案的缺點：跨接器回路的最大導通電壓不能高于交流線電壓的峰值，滅磁時間相對較長。滅磁電阻滅磁用電阻可以是線性電阻，可以是非線性氧化鋅滅磁電阻，也可以是非線性碳化硅電阻。在汽輪發電機的滅磁中由于發電機轉子為實心轉子具有較強的阻尼作用，即使發電機勵磁繞組中的電流迅速衰減到零，但由于阻尼繞組中的電流不能迅速衰減，發電機的機端電壓并不能達到迅速衰減的目的，而且阻尼繞組中的電流是不可控的，所以在具有較強阻尼作用的發電機機組中多采用線性電阻滅磁。而對于阻尼作用較弱的發電機機組則多采用非線性電阻滅磁。在水輪發電機的滅磁中，發電機轉子不為實心轉子，其阻尼作用不強，而且發電機在故障情況下的機端電壓升高很多，為有效降低事故擴大化，宜非線性滅磁。非線性電阻分為氧化鋅和碳化硅。其伏安特性的表達式為：式中：U—非線性電阻兩端的電壓

I—流過非線性電阻的電流

C—材料系數

β—非線性電阻的系數如圖：滅磁開關選擇滅磁開關額定工作電壓：應大于轉子上的最大工作電壓；滅磁開關額定工作電流：應大于轉子最大長期連續工作電流；滅磁開關開斷電流能力：應大于轉子強勵