葛洲坝水力发电厂技术培训资料葛洲坝电厂励磁装置原理讲解陈小明 龚元生葛洲坝水力发电厂目录 第一章 励磁系统概述 1.1 励磁系统的任务1.2 励磁附加控制器1.3 葛洲坝电厂励磁系统概述 第二章 MEC-31 多微机励磁控制器 2.1 励磁调节器原理 2.2 MEC-31多微机励磁控制器概述 2.3 MEC-31励磁控制器的硬件配置 2.4 MEC-31励磁控制器软件简介 第三章 励磁大功率整流装置 3.1 励磁大功率柜概述 3.2 励磁大功率柜的技术特点 3.3 励磁大功率柜过电压保护 第四章 发电机灭磁及转子过电压保护 4.1 发电机灭磁及转子过电压保护概述 4.2 发电机灭磁的基本原理 4.3 二江电厂灭磁及转子过电压保护装置 4.4 大江电厂灭磁及转子过电压保护装置 4.5 DM4开关配ZnO电阻灭磁系统的改进 第五章 葛洲坝电厂励磁操作系统 5.1 励磁操作系统概述5.2 励磁直流操作系统5.3 励磁交流电源操作系统5.4 励磁系统的操作第一章 励磁系统概述1.1 励磁系统的任务同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称为励磁电流，而供给电流的整个系统称为励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子，故励磁电流也叫转子电流。在电力系统的运行中，同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一，通过调节励磁电流可以改变发电机的无功功率，维持发电机端电压。不论在系统正常运行还是故障情况下，同步发电机的直流励磁电流都需要控制，因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统的安全运行，不仅与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关，而且与发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。同步发电机励磁系统的任务有以下几点：1 电压控制在同步发电机空载运行中，转子以同步转速n旋转时，励磁电流产生的主磁通0切割N匝定子绕组感应出频率为f=pn/60的三相基波电势，其有效值E0同f，N, 0以及绕组系数k的关系：E0=4.44 fNk0 这样，改变励磁电流If以改变主磁通0，空载电势E0值也将改变，二者的关系就是发电机的空载特性E0=f(If)或发电机的磁化特性0=f(Ff)。在发电机空载状态下，空载电势E0就等于发电机端电压Ut，改变励磁电流也就改变发电机端电压。完成电压控制的设备是由励磁调节器，励磁电源，发电机等组成，同步发电机励磁控制系统框图的一般形式如图1-1所示。信号比较放大给定信号励磁电源发电机 Ug + Uf Uf Ut -其他信号 Uc测量信号励磁调节器图1-1 同步发电机励磁控制系统框图在图1-1中，虚线框内是励磁调节器的基本原理框图。按照调节原理，一个控制调节装置，至少要有三个环节或单元。第一是测量单元，它是一个负反馈环节；第二是给定单元，它是调节中的参考点；第三是比较放大单元，它将测量值同参考值进行比较，并对比较结果的差值进行放大，从而输出控制电压Uk。这里的其他信号，是指调节器中的其他功能的作用信号，比如调差、励磁电流限制、无功限制、PSS等。这里的励磁电源是指可控硅整流装置。对于一个励磁控制系统来说，电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现这一目的，首先就要设定电压，要有一个给定信号Ug，以便明确电压控制值；其次要测量电压，看发电机端电压是多少，这里由发电机电压互感器PT和调节器中的测量板组成，将Ut变为Uc；最后，由调节器比较给定值和测量值，当测量值小于给定值时，励磁装置增加励磁电流If，使发电机端电压上升，当测量值大于给定值时，励磁装置减少If使发电机端电压下降。2 无功分配在发电机负载运行时，根据所带负载的性质，空载电势E0同发电机端电压Ut的关系发生了变化。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，随着负载的增加，Ut越来越小于E0，这时为了维持Ut不变，必须增大励磁电流；当发电机带容性负载时，电枢反应具有助磁性质，随着负载的增加，Ut越来越大于E0，同样为了维持Ut不变，必须减少励磁电流。在发电机并网运行时，系统母线电压控制着发电机端电压Ut，当调节励磁电流If，使E0发生变化时，发电机的定子电流和功率因数也随之变化，即发电机的无功功率随If变化。同步发电机的V形曲线，就是反映了励磁电流同定子电流的关系。在这一关系中，功率因数等于1的励磁电流称为正常励磁。当励磁电流大于正常励磁时，定子电流滞后于端电压，功率因数滞后，发电机输出滞后无功功率，这种状态我们俗称为发电机带无功运行；当励磁电流小于正常励磁时，定子电流超前于端电压，功率因数超前，发电机输出超前无功功率，这种状态我们俗称为发电机进相运行。在发电厂中数台发电机并网运行时，调节一台发电机的励磁电流，不仅会改变这台机的无功，还要影响其他发电机的无功稳定性。为此，励磁系统分配并联运行的发电机无功时，还要考虑其稳定性和合理性，这就要求励磁调节器具有调差功能。母线电压水平及无功功率在机组之间的分配，取决于发电机的电压调节特性即调差特性Ut=f（Q），一般来说，发电机的调差特性是一条发电机端电压Ut随无功Q增加而下降的直线，见图1-2的正调差系数K3，K0和K2分别表示零调差和负调差系数。 Ut (Ug,Uk) Ut K2 Uto K0 K3 Us K1 K1K20 Q 0 Q1 Q2 Q 图1-2励磁调差特性 图1-3并联运行机组调差特性如果励磁调节器具有调差功能，则发电机总的调差系数是发电机（发变组）的自然调差系数与励磁调差系数的代数和。由于自然调差系数不可变，故发电机的总调差系数由励磁调差系数控制。若励磁调差系数为零，比如退出调节器中的调差电路，则发电机的调差特性就是自然调差特性，其大小由发电机和变压器的电磁参数决定，且变压器参数起主导作用；若励磁调差系数为负，如图1-2中的直线K2所示，则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数减励磁调差系数的差；若励磁调差系数为正，如图1-2中的直线K1所示，则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和。在这里之所以有加减之别，其目的是在控制励磁调差系数大小情况下，保证发电机调差特性向下倾斜，因为只有具有正调差特性的发电机才能并联运行。对于单元接线的发电机系统来说，若发变组的自然调差率很大，励磁调差系数应选择负，以补偿无功电流在主变上的压降；若发变组的自然调差率很小，励磁调差系数应选择正。对于扩大单元接线的发电机系统来说，由于发电机的自然调差率很小，为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配，发电机必须具有基本一致的正调差特性，这就要求励磁调差必须为正极性。图1-3是两台发电机并入电网后，二者调差特性与无功分配关系，图中Uto是两台发电机空载额定电压，Us母线电压，K1和K2是两台发电机各自的调差系数。这两台发电机并网后，调节励磁电流，其K1和K2直线平行上下移动，所对应的无功Q1和Q2也随之改变，并且相互不影响。我们知道，无论励磁调节器是何种类型，其工作原理都是将反映发电机端电压Ut的测量电压Uc，与给定电压Ug进行比较，从而得到发电机电压偏差信号即控制电压Uk。对于可控硅整流器来说，Uk经移相器产生角变化的脉冲，以此改变整流桥输出电压，使发电机端电压同给定电压保持一致。如果在测量电压Uc或者给定电压Ug上，再叠加一个反映发电机无功变化的附加量Uq，就能使控制电压Uk和角产生变化，从而改变发电机的电压调节特性。这个附加量就是励磁调差起作用的量，也称无功补偿量，其极性直接影响励磁调差极性。一般说来，给定为正信号，测量为负信号，图1-4描述了这一过程的基本原理，虚线表示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节。 Ug给定单元 + +调差单元 Q Uq Uk Uf Ut比较放大发电机整流器移相测量单元 Ut Uc - 图1-4 励磁装置调差原理图 如果将调节器中调差单元接入到给定单元上，当调差单元随发电机+Q增加而输出+Uq时，就会引起给定电压Ug增加，控制电压Uk增加，角减少，最终使得发电机端电压Ut增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q增加而输出-Uq时，就会引起相反的结果，此时的励磁调差就是正调差。在图1-2中，将给定电压Ug和控制电压Uk引入纵坐标，就能根据Ug=f（Q）和Uk=f（Q）来判断励磁调差极性。如果将调节器中调差单元接入到测量单元上，当调差单元随发电机+Q增加而输出+Uq时，就会引起测量电压Uc减少，控制电压Uk增加，角减少，最终使得发电机端电压Ut增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q增加而输出-Uq时，就会引起相反的结果，此时的励磁调差就是正调差。3 提高电力系统稳定性a 提高静态稳定性静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低，可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断，这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。在单机-无穷大系统中，如果发电机没有励磁控制，则正常运行时，发电机的空载电势E0保持不变，那么该系统的静态极限为Pmax，其功率特性曲线见图1-5中的曲线1。如果发电机具有常规励磁，比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统，则可保持发电机的暂态电势Eq不变，因此有Pmax，其功率特性曲线见图1-5中的曲线2。如果发电机配置高放大倍数的快速励磁系统，比如采用运算放大器和可控硅整流器，并且励磁调节器带电力系统稳定器PSS或者采用最优励磁控制，则可接近保持发电机端电压Ut不变，因此有Pmax，其功率特性曲线见图1-5中的曲线3。粗约比较一下单机-无穷大系统静稳极限，Pmax ：Pmax： Pmax=1：2：3，可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常明显。特别是带PSS或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明显。