&&当前位置： & &&& & 发电机励磁装置（发电机励磁系统）
发电机励磁装置（发电机励磁系统）
1.1 云南昌晖仪表制造有限公司是一家集科研、开发、生产服务于一体的高科技企业，专业从事仪表、发电机励磁装置的开发和生产制造，产品广泛应用在全国各大中小型电厂并受到用户好评。本公司将按照用户发电机组项目招标技术规格书的要求，提供发电机励磁系统装置的设计、制造、检验、试验、技术资料、验收、供货及运输、现场调试、售后服务等各项工作及服务。
1.2 本公司保证提供的设备，其所有技术条件完全符合国家行业相关标准和本技术规范书要求的优质产品。
1.3 本技术规格书双方确认后作为订货合同的技术附件，与合同正文具有同等法律效力。
1.4 本技术规格书未尽事宜，由双方协商确定。
二、发电机励磁装置技术参数
2.1发电机型号及主要参数
发电机型号及厂家（用户提供）
额定电压 10.5kV
额定电流（用户提供）
额定频率 50Hz
额定功率因数 0.8(滞后)
额定负载时励磁电压（用户提供）
额定负载时励磁电流（用户提供）
额定空载时励磁电压（用户提供）
额定空载时励磁电流（用户提供）
2.2.1 交流电源
额定电压：AC220V，允许偏差-15%～+15%
频率:50Hz±2.0Hz
2.2.2 装置工作交流电源
额定电压:AC380V，允许偏差-15%～+15%
频率:50Hz±10 Hz
2.2.3 直流电源
额定电压:DC220V，允许偏差-20%～+15%
三、 发电机励磁装置技术规范
3.1 发电机励磁装置执行的标准及规范
本公司生产的发电机励磁系统符合国家和电力行业以及其它未列出的最新标准和规范，如果标准之间有差异，以较高标准执行。
GB & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 电力变压器
GB & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 电控设备第二部分
GB/T & & &&&&&&&&&&&&&&&&&& 半导体变流器
GB & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 电气设备安全设计导则
GB & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 外壳防护等级（IP 代码）
GB & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 静态继电器及保护装置的电气干扰试验
GB/T & & &&&&&&&&&&&&&&&&&& 透平型同步发电机技术要求
DL/T650－1998 & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件
GB/T && &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 同步电机励磁系统
GB1 & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性
GB1&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&继电保护和安全自动装置技术规程
GB/T95 &&&&&&&&&&&&&&&&& 量度继电器和保护装置的电气干扰试验
GB5 & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 电气装置安装工程
JB/T & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 继电器及其装置包装储运技术条件
DL/T596－1996 & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 电力设备预防性试验规程
GB/T15145—94 & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 微机线路保护装置通用技术条件&
DL 5027—93 & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 电力设备典型消防规程
华北电力集团公司2000版&&&&&&&&&&& 电力设备交接和预防性试验规程
国电发[号 &&&&&&&&&&&&&&&&&&& 发电机运行规程&
3.2 发电机励磁系统适应的工作环境
海拔高度：≤ 海拔2000米
环境温度：-10℃～+45℃
相对湿度：5%-95%
地震烈度：≯7度（按8度设防，水平加速度0.2g）
3.3 发电机励磁系统型式
励磁系统采用双微机型自并激可控硅整流励磁系统。由励磁变压器、三相全控可控硅功率整流装置、线性灭磁装置、微机励磁调器及各种保护装置等部分组成。
3.4 发电机励磁系统成套供货范围
3.4.1每套励磁系统的配置如下表：
设备名称及型号
WSWLT-2000型微机励磁调节柜
两套微机励磁调节器（液晶显示）主备运行，而且完全独立；单套调节器也能独立运行。
参数实际值显示；参数在线修改。
多种调节模式，一组三相全控整流单元，1.1倍长时间运行。（采用高规格大裕量大功率可控硅元件）
交流配有隔离刀闸、强迫风冷，低噪声风机、转子过电压保护装置、起励装置、灭磁开关及灭磁单元
励磁变压器
环氧浇注干式变压器
3.5 发电机励磁系统备品备件清单
设备名称及型号
快速熔断器
各种型号指示灯
常规易损件
3.6 发电机励磁系统一般技术要求 3.6.1本公司生产的产品性能稳定，工作可靠，历年来由励磁系统故障造成的发电机强迫停机次数不大于0.25次/年。励磁系统强行切除率不大于0.1%。单套自动电压调节器保证投入率不低于99％。
3.6.2保证发电机的励磁电压和励磁电流不超过其额定值的1.1倍时，励磁系统能长期连续运行。
3.6.3励磁系统选用高耐压、大裕量功率整流器件，过载能力强，电压强励倍数不低于2.0倍，当发电机机端电压降至80%时，仍有2倍强行励磁的能力，能长期输出1.1倍的发电机最大连续出力工况下的励磁电流能力。电流允许强励倍数为2，允许强励时间最大不小于50秒（可以从0开始整定，分辨率不大于1秒）。
3.6.4励磁系统响应比（V）即电压上升速度，不低于3.5倍/秒。励磁系统电压响应时间：上升值不大于0.08s，下降值不大于0.15s。
3.6.5发电机电压控制精度（从空载到满载电压变化），不大于额定电压的0.1%。励磁控制系统暂态增益不低于25倍。
3.6.6自动励磁调节器的调压范围，发电机空载时能在5-125％额定电压范围内稳定平滑调节，整定电压的分辨率可现场在线设置。手动调压范围为5%-130%额定电压。
3.6.7电压频率特性，当发电机空载频率变化为额定频率值的±1%，其端电压变化不大于额定值的0.25%。在发电机空载运行状态下，自动励磁调节器调压速度，不大于额定电压值的1%/秒，不小于额定电压值的0.3%/秒。
3.6.8发电机调差率为±15%连续可调。
3.6.9发电机的励磁系统为高起始，能满足发电机在发电、调峰、调频、同期并列、线路充电、进相运行和带线路零起升压等各种运行工况下安全可靠励磁的要求。该系统能自动地调整和维持发电机电压为额定值，设有完善的保护、限制、信号报警装置。
3.6.10空载起励电压不高于发电机机端额定电压的10％。
(1) 励磁系统设置残压和直流起励两种方式，保证机组可靠起励。
(2) 发电机正常停机采用逆变灭磁，事故停机采用灭磁开关及线性电阻灭磁。
3.6.11励磁系统在下述厂用电源电压和频率偏差范围内，保证发电机在额定工况下长期连续运行，励磁调节器维持正确工作，并保证强行励磁，快速减磁动作：
(1) 交流工作电源电压380/220V系统，频率偏差范围为-2～+2Hz。
(2) 直流工作电源电压220V系统，电压偏差范围为额定值的-20%～+15%。
(3) 机端频率45-55范围内正常工作。
3.6.12励磁系统装设过电压和过电流保护及励磁绕组回路过电压保护装置。
3.6.13当励磁电流在小于1.1倍额定励磁电流下长期运行时，励磁绕组两端电压的最大瞬时值，不超过出厂试验时该绕组对地耐压试验电压幅值的30%。在任何实际可能的情况下，励磁系统保证励磁绕组两端过电压的瞬时值，不超过出厂试验时该绕组对地耐压试验电压幅值的70%。
3.6.14励磁调节装置的各通道间实现自动跟踪。任一通道故障时均能发出信号。运行的通道故障时能自动切换。通道的自动切换不造成发电机无功功率的明显波动。
3.6.15励磁系统满足计算机监控系统的要求，并配有I/0接口，串行通讯RS-232或RS485接口，可与计算机监控系统进行通讯和控制，并提供通讯规约。
3.7 发电机励磁系统具体技术要求
3.7.1 励磁变压器的性能特点
（1）采用户内防潮干式三相变压器，F级绝缘，环氧浇注。冷却方式为自然空气冷却（AN）。
（2）励磁变压器的容量应满足1.1倍发电机额定励磁电流下长期运行的要求。当励磁变压器一次绕组供电电压为80%额定电压时，励磁变压器相应的二次电压扣除励变压器压降、换弧电抗压降及电缆压降后，满足发电机强励顶值电压的要求。励磁变压器满足发电机空载实验时130%额定机端电压的要求。励磁变压器运行时线圈温升限值为125K，励磁变压器的铁心、金属部件和与其相邻的材料，在任何情况下，不会出现使铁心本身、其他部件或与其相邻的材料受到损害的温度。励磁变压器工作时负载为感性，工作电流是非正弦的，除基波外还含有大量的高次谐波分量，从而产生附加涡流损耗和杂散损耗，变压器在设计时充分考虑整流负载电流分量中高次谐波所产生的热量，并以此为依据进行温升设计。
（3）变压器高压侧与10.5kV的发电机母线直接联接。
（4）变压器高、低压线圈之间应采取全覆盖全金属屏蔽措施，并通过铜带接地，高低压出线端子之间采取封闭绝缘。变压器三相电压不对称度不大于5%。
3.7.2 可控硅整流
1）功率整流装置由一组可控硅全控桥组成，能满足发电机强励和1.1倍额定励磁电流运行要求。可控硅采用优质高耐压、大电流裕量元件，每臂整流元件无串并联支路。可控硅元件在安装时经过严格检测，保证各并联元件性能一致。
2） 整流桥采用三相全控整流电路，功率整流装置的交直流侧分别设有浪涌吸收和尖峰吸收装置，配合元件RC吸收回路，可靠抑制交、直流侧浪涌过电压、操作过电压雷击过电压、尖峰过电压、换相过电压等。每个支路的输出都装有快速熔断器，输出故障时，动作发信号。
3）功率整流装置采用强迫风冷式冷却方式，整流柜的噪声小于70dB。冷风经滤尘器进入功率整流装置，风机结构满足在线检修和更换的要求。风机停运后，整流器在额定工况下，能继续运行15min。设置相应的风机工况信号及风机电源消失保护。
4）功率整流装置每个功率元件都有快速熔断器保护，以便在某一可控硅事故时熔断器熔断，防止影响其它回路，熔断器熔断时发出熔断信号。
5） 可控硅整流器组件（包括可控硅，指示灯、触发回路、过压保护元件和散热器等）布局合理，安装方便，便于互换和检修。
3.7.3 灭磁及过电压保护装置
1）自动灭磁装置采用磁场断路器，其最大分断电流和电压大于强行励磁时发电机转子的顶值电流和电压,并留有一定的裕度。磁场断路器的操作电源额定电压为直流，操动机构保证断路器能可靠合闸和分闸。&
2）发电机灭磁采用逆变灭磁和灭磁开关灭磁两种方式。转子回路设置转子过电压保护装置。
3）转子回路过电压保护电阻采用氧化锌非线性电阻，动作电压最低瞬时值高于最大整流电压峰值，在发生过电压时能自动投入，以限制机组异常工况下转子过电压不得超过磁场绕组出厂对地耐压试验电压幅值的70%，且动作的分散性不超过10%。
4）起励方式有残压起励和直流电源起励两种方式，如残压起励失败自动投入起励接触器，起励电源为直流220V。起励成功后或失败时，起励回路均能自动退出。起励电流不大于空载励磁电流的10%。
5）完善的保护控制功能，配置有PT断线保护、过励限制、顶值限制、低励限制、欠励保护、V/F限制、误强励保护、空载过压保护、发电机并列运行用的无功电流补尝器和变压器压降补尝器等。
3.7.4 发电机励磁调节器
1）我公司与高校开发研制生产的WSWLT-2000型微机励磁调节器，采用美国Inter公司生产的CPU芯片，具有微调节和提高发电机暂态稳定的特性。自动励磁调节器具有在线参数整定功能，字式自动励磁调节器各参数及各功能单元的输出量（如放大倍数、时间常数、参考电压、反馈信号量等）能显示。其中，电气参数采用有名值，其它参数与数学模型一致或由我方提供显示值与数学模型的对应关系具有完善的电压调节、电流调节、无功调节、功率因数调节模式，适用于不同电站的各种运行方式之需要。
2）全汉字显示，励磁调节器具有手动和自动调节功能。双微机双通道励磁调节器，由一个自动电压通道及一个独立的电流通道组成，双个通道应为一路工作，另一路热备用状态，自动跟踪工作通道，运行可靠性，在工作通道故障时自动投入工作，并设置相应的脉冲监视信号。手动和自动相互切换时，由自动跟踪装置保持机端电压和无功功率的平稳。
3）具有PID、PD、EOC、NEOC等多种控制规律，以满足系统稳定之需要。
4）配置有两路串行接口，一路(RS232)用于双机间通讯，一路(RS485)用于与上位通机讯。
5）微机励磁调节器调差整定范围为±15%，并按0.1%的档距分档。调差特性线性度良好，保证发电机间无功的稳定分配。
6）交流混合采样技术，三路PT采样，PT断线自动识别。
7）具有自动零起升压和系统电压跟踪功能，使发电机快速并网。接到建压令后，自动将发电机电压从零递升至额定，并保证发电机机端电压与系统电压一致，发电机空载运行时，频率变化1％，励磁系统保证发电机端电压波动不大于额定值±0.25％。
8）完全双通道技术，双机混合工作模式，单通道可独立运行。通道自动故障识别，实现无扰动切换。
9）可配置试验接口，机内关键量以0-10V的标准量送出。所有参量均采用数字显示,可同时显示发电机电压、参考电压、励磁电流、控制角等参数。
10）插入式编程器使得调节器在调试完毕投入运行后防止人为意外误操作。
11）两套装置独立的双重供电电源。一路取自厂用直流系统，另一路取自厂用交流电。
12）采用双脉冲触发技术，脉冲输出双重隔离及指示。
13）各单元之间的连接应采用STD总线，硬、软件均采用模块化结构；完善的自诊断、自恢复功能；
14）所有参量和状态均具有纠错和检错功能，运行维护直观方便，可靠性高。
15）自动励磁调节器和手动控制单元的整定电压变化速度，不大于额定电压的1%/s，不小于额定电压的0.3%/s，在极限位置应有保护和信号装置。
16）微机励磁调节器自动单元调节在发电机空载电压20%-125%额定范围，手动控制单元调节是发电机空载励磁电压的20%至额定励磁电压的130%范围内进行稳定、平滑地调节。
17）微机励磁调节器应保证发电机机端调压精度优于0.5%。在规定的发电机进相运行范围内和突然减少励磁时，励磁系统应保证稳定、平滑地进行调节。
18）励磁调节器应满足如下动态特性指标的要求：
① 发电机空载运行，转速在0.95-1.05额定转速范围内，投入励磁系统使发电机端电压从零上升至额定值时，电压超调量不大于额定电压值的10%，振荡次数不超过2次，调节时间不大于2s。
② 在额定功率因数下，当发电机突然甩掉额定负荷后，发电机电压超调量不大于15%额定值，振荡次数不超过2次，调节时间不大于2s。
19）硬件 WSWLT-2000微机励磁调节器采用STD总线结构，各功能单元实行模块化设计。每套由CPU模板、输入模板、输出模板、通讯模板、显示模板、测量模板、同步模板、脉冲放大模板组成。
3.7.5 发电机励磁系统柜体&
1）励磁系统各元件合理组装成屏柜，其柜体的外型，按用户所提供的技术要求执行。屏柜采用户内安装式的冷轧金属外壳，满足IP42防护等级，钢板厚度不小于2.0mm，柜体装有百叶窗以利通风，并装设防尘滤网，柜体边框装有广泛用于进口设备的密封条，柜体密封性好。柜正面和背面装有供设备检修用的全链接的门，所有的柜门均装有手柄和带钥门锁，柜底底部装有可拆卸的底板，预留电缆出口。屏柜表面颜色可根据用户要求喷涂。
2）仪表和操作开关应用人机工程原理进行设计，布置在便于监视和操作的位置。
3）每套柜体都设有电压表和电流表,精度不低于1级。
4）柜内接线采用耐热、耐潮和阻燃的具有足够强度的绝缘多股软铜导线，导线无损伤，端头采用压紧型的连接件，导线的两头有编号。编号用计算机打印。我方还提供走线槽以便现场固定电缆及端子排的接线。
5）每面柜装有不小于100mm2截面的接地铜排，它连接到主框架的前面、侧面和后面，接地铜牌末端装好可靠的压接式端子，以备接到电站的接地网上。所有柜的接地线的截面不小于4.0mm2，与接地铜牌的接线至少用两个螺钉。接地铜牌上均匀打有不少于15个的6的孔，并配好螺栓，以方便电缆的屏蔽线连接。
6）端子排有足够的绝缘水平。端子排按单元分段，并留有不少于20％的备用端子，每个端子一般只接一根导线，不超过两根。断路器的跳闸和合闸回路不接在相邻的端子上，直流电源的正负极也不接在相邻的端子上，正电源与跳合闸回路也不接在相邻的端子上。
7）柜内导线截面：电流回路不小于4.0mm2；电压回路不小于1.5mm2。绝缘电压水平均不低于500V。
8）每套柜体及其上的装置（包括继电器、控制开关、熔断器及其它独立设备）都有标签，以便清楚地识别。
9）在接线座和导线上，明显标出回路号。电器组件上均标有耐久性的文字符号。在接地螺钉旁，明显标出接地符号。
四、 发电机励磁系统试验内容
a、我方工厂对发电机励磁系统进行下列试验，并提供所有的试验报告。
发电机励磁系统试验项目
现场交接试验
励磁变压器试验
磁场断路器及灭磁开关性能试验
可控硅整流器试验
励磁系统各部件的绝缘测定及介电强度试验
自动励磁调节器总体静态特性试验
励磁系统操作、保护、检测、信号及接口等回路试验
起励、降压及逆变灭磁特性试验
测量自动励磁调节器各调节通道的电压整定范围及给定电压变化速度
带自动励磁调节器测发电机电压频率特性
自动/手动切换及自动调节通道的相互切换试验
手动控制单元调节范围试验
发电机空载状态下10％阶跃响应试验
整流功率柜冷却系统的检测
励磁系统功率单元的均流和均压试验
带自动励磁调节器的发电机电压调整率的测定
发电机无功功率调整及甩负荷试验
发电机在空载和额定工况下灭磁试验
励磁装置低压电流下72小时连续通电试验
励磁系统在额定工况下72小时连续试运行
以上各试验均按有关试验规程进行，试验有详细的出厂试验报告。&
b 、各项试验符合本合同文件的要求。
c 、各项试验的试验报告、记录、有关文件资料及合格证完备，并随时供买方单位检查和审核。
d 、发电机励磁系统试验
(1)励磁系统型式试验：按DL/T650－1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》规定进行。
(2)发电机励磁系统常规试验：按DL/T650－1998规定进行。
e、发电机励磁系统试运行
1．在设备安装完毕，经现场试验，检查合格后，结合机组进行试运行，以检验设备技术性能和保证值是否满足和符合合同文件的规定。试运行期间，由安装单位操作设备，我方对设备和操作方法负责并进行指导。
2．机组经72h试运行合格，签发初步验收证书后，由买方负责运行。
五、发电机励磁装置技术资料及交付进度
5.1 发电机励磁系统现场服务
为使合同设备能正常安装和运行，我方按技术条款中的规定，指导现场安装；派遣人员负责调试、试验；参加试运行。同时对安装承包商安装方法、工艺、程序和注意事项提出要求，并协助对安装和试验质量负责监督。并有责任免费提供相应的技术培训，培训内容应与工 程进度相一致。培训的时间、人数、地点等具体内容由双方商定。
5.2 所提供资料的要求：
a、所提供的图纸资料使用国家法定单位制，图例、图标使用国家标准，语言为中文。
b、资料的组织结构清晰、逻辑性强。资料内容正确、准确、一致、清晰完整、满足工程需要。
c、资料的提交及时充分，满足工程进度要求。
d、提供的技术资料为6套。
e、图纸资料用CAD2004 绘图软件完成，图幅统一采用A4 图纸，并提供图纸资料光盘。
f、其它技术资料如调试报告采用中文WORD2000，并提供技术资料光盘。
g、设备供货时提供下列资料：设备的软件流程框图、图纸、操作说明书、技术说明书、调试说明书，工厂试验报告、产品合格证等。
h、我方提供的图纸、资料应满足设计、施工、调试及运行的需要。
5.3 励磁系统技术资料交付进度
在合同签订15 日内，我方提供下列技术文件（包括电子版（图纸AUTOCAD2004、文字Word2000）），资料清单如下（不限于）：
a、励磁系统方框图
b、励磁系统原理图
c、励磁盘外形及安装尺寸图
d、励磁变压器外形及安装尺寸图
e、励磁系统技术条件和使用维护说明（初步设计）
f、励磁设备总接线图及分装接线图（初步设计）
g、励磁系统设备安装、贮运说明书
h、励磁系统与外部设备接口项目清单（包含接口内容、技术数据、对外部设备的技术要求、接口所对应的接线端子号、电缆规格、电缆长度等具体事项）随机资料和图纸（包括电子版（图纸AUTOCAD2004 文字Word2000）），其清单如下（不限于）：
1.设备开箱资料、部件清单资料、产品合格证
2.励磁系统方框图
3.励磁系统原理图
4.励磁盘外形及安装尺寸图
5.励磁变压器外形及安装尺寸图
6.励磁系统技术条件和使用维护说明（最终设计）
7.励磁设备总接线图及分装接线图（最终设计）
8.励磁系统设备安装、贮运说明书
9.励磁系统设备出厂试验报告
10.励磁系统现场试验大纲
11.励磁变压器说明书
12.励磁变出厂试验报告
13.励磁系统与外部设备接口项目清单（包含接口内容、技术数据、对外部设备的技术要求、接口所对应的接线端子号、电缆规格等具体事项）。
5.4 发电机励磁售后服务
我方保证良好的售后服务，励磁装置正式投产后一年内由我方实行三包。设备投运后若出现故障，我方在得到需方通知后，48小时内到达现场。在产品质保期内设备出现制造质量问题，由我方负责修理或更换。对非我方责任造成的设备损坏，我方有优先提供配件和修理的义务。
5.5 产品验收
出厂前调试我方及时通知买方进行设备出厂前的验收工作。如在验收过程中发现设备不符合技术规范的要求，买方可以拒收，我方应更换被拒收的货物，或进行必要的改造使之符合技术要求，买方不承担上述的费用。
5.6 投运装置出厂后，我方派人指导现场安装、调试及装置投运工作，并负责解决设备在安装调试，试运行中发现的制造及性能等方面的问题。
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南瑞同步发电机励磁系统培训教材
同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司第一章发电机励磁系统的发展及现状§1-1 励磁主回路的发展动态在上世纪 60 年代以前，同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式，由于 当时发电机单机容量不大，输电线路不长，因此基本上能满足当时的要求，但直流励磁机维 护困难，炭刷易产生火花，换向器易于磨损，随着发电机单机容量的增大，励磁容量也相应 增大，当汽轮发电机单机容量达 10 万千瓦，励磁机容量已近 500 千瓦，而同轴的转速为每 分钟 3000 转的直流电机，受限于换向的极限容量仅为 500 千瓦。当时大容量发电机或是用 齿轮减速后驱动直流励磁机，或是用带大飞轮的独立驱动的电动发电机供励磁。 后来，随着硅整流元件出现，直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器代替，交流励 磁机的容量基本上不受限制。 在 1960 年代,当时的第一机械工业部委托电器科学研究院， 组 织了汽轮发电机三机交流整流励磁系统的全国统一设计。 这种方式在大型汽轮发电机上一直 延用至今。 为减小时间常数， 交流励磁机通常采用频率 100-250 周， 中频付励磁机用 350-500 周，早期中频付励磁机采用感应子式，转子上无绕组，近年来已逐步被永磁发电机所代替。 1960 年代初，可控硅元件刚出现，电流、电压定额较低，所以他励式可控硅静止励磁 用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上。应该指出 1960 年代末期天津电气传动设计研究所，在发展我国各种主回路励磁方式上，起了很大作用，例 如在 1969 年率先研制，并在天津第一发电厂 4＃机 25MW 汽轮发电机上，投运了直流侧电流 相加的自复励可控硅励磁系统， 并励部分用的是三相半控整流桥。 串联部分用的是三相二极 管整流桥。1971 年投运了由天传所设计，上海华通开关厂、上海整流器厂、上海电机厂参 与生产的富春江 2＃机 60MW 发电机的自复励可控硅励磁系统，容量为当时国内最大。并励 的功率部分用的是三相半控整流桥， 限于当时国内生产元件的水平， 富春江水电厂的可控桥 臂是由（700V,200A）可控硅元件 4 串 6 并组成。此外天传所还为长办试验电站陆水电站 8800KW 发电机设计了他励可控硅励磁系统，可控硅整流桥用三相全控桥，整流桥每臂 SCR 2 串 5 并，于 72 年投运。后来这种方案天传所还用在南桠河、渔子溪水电厂二台 4 万 KW 发电 机上。与此同时，在参照河北省岗南水电站从日本进口的 10MW 抽水蓄能发电机励磁的基础 上，还设计出了可控相复励的励磁系统，在湖北省一台 10MW 调相机上运行。 整流器是不可 控的，是靠改变相复励变压器电压绕组上的电压来调节，后者由饱和电抗器 L 控制，本方案 可靠性高，缺点是相复励变压器，饱和电抗器体积大。动态响应差。-1-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司LAVR图 1-1 可控相复励 1970 年代中期，天传所还为河南安阳发电厂一台 10 万 KW 汽轮发电机研制了无刷励磁 装置，同时还参加了从英国 Brush 公司引进的一台 23MW 燃汽轮发电机的无刷励磁系统的仿 制。同一时期，为给葛洲坝电站励磁方案进行中间试验，天传所（东方电机厂参加）在湖南 省花木桥电站进了交流侧电压相加的自复励磁系统的研制。 在中小型发电机上， 天传所还推出了双绕组电抗分流励磁调节系统， 国内还开发过谐波 励磁系统，最大的一台是用在河北邯郸马头电厂＃25MW 汽轮发电机上。AVR图 1-2 谐波励磁系统 大型发电机定子电压高，谐波绕组和主绕组绝缘困难，制造工艺复杂。谐波励磁只适 用中小电机。 现在美国 GE 公司生产的 P 棒励磁系统也是在发电机定子槽内安放附加绕组(不 是谐波绕组)，作为励磁供电电源。 1970 年代中期，南京热电厂进口了一台 125MW 意大利制造的汽轮发电机，采用他励可 控硅励磁，励磁机本身用不可控相复励，意专家来调试，曾遇困难，不稳定，最后由我国的 技术人员调试成功，在此期间，富春江水电厂从法国进口了 5＃、6＃机，励磁为自复励励 磁系统，其自励部分和复励部分的直流侧电压串联相加，这种方式比较特殊。应指出，1960 年代在大容量发电机励磁研究方面我国受到苏联影响， 在新安江九号机 10 万 KW 水冷发电机-2-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司上， 也是采用了交流侧相加的自复励系统。 这时串联变压器原边的电流要在付边转换为电压， 变压器铁心中要嵌入空气隙， 导致串联变压器体积庞大， 鉴于当时可控硅容量无法满足要求， 整流器采用了汞弧整流器，后者有玻壳的和铁壳的。 （当时苏联斯大林格勒到古比雪夫的长 距离输电也是用汞弧整流器） 。国内电车供电电源当时也是用汞弧整流器（缺点是对环境有 污染）整流得到的。此方案由哈尔滨电机厂和东北的中试所和设计院等研制成。AVR图 1-3 直流侧电压串联相加的自复励(法国方案) 发电机自并励方案，在国内电力部门受旧观念束缚，长期认为自并励不可靠，无强励 能力，故障时无足够短路电流，不能保障继电保护正确动作，在这方面清华大学等曾进行了 卓有成效的研究，并且指出自并励的优点，动态响应快，适当提高强励倍数等，它的缺点是 可克服的。国内例如河北工学院电工厂，在福建省池潭水电厂 50MW 机组上成功地进行了自 并励试验， 从国外进口的天津大港发电厂 320MW 意大利火电机组， 从日本进口的唐山陡河火 电厂发电机用自并激。由于自并激励磁的一系列优点，已逐步为国人所接受。因此后来国内 许多水电厂如白山、龙羊峡、岩滩、隔河岩等单机 300MW 以上电站也普遍采用自并激，三峡 励磁也不用葛洲坝的自复励方案。由于国外许多厂家将自并励作为汽轮发电机主要励磁方 案，我国电力部门也逐步将自并励采用到汽轮发电机上去，如 1991 年辽宁清河发电厂一台 210MW 汽轮发电机励磁系统改造， 就采用了自并励。 当然一般火电厂均建于城市市区或近郊， 靠近负荷中心，没有输电稳定问题，使用三机交流整流励磁系统是没什么问题，但机组往往 存在振动、厂房长投资大的问题。通常建设在煤矿的坑口发电厂，往往要远距离输电，这时 是应该选用快速响应的自并励系统。除了自并励外，无刷励磁系统因不用电刷，无火花，可 用于防爆环境。没有炭刷粉未污染发电机端部绝缘， 有利于延长使用寿命，没有电刷也有 可能做到免维护，适用于无人电站。-3-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司§1-2励磁调节器发展动态最初的同步发电机大都用同轴直流励磁机励磁，后者有用自并励的，用于中小容量发 电机， 大容量发电机大多带直流付励磁机， 早期的励磁调节器 （常称为自动电压调节器 AVR） 实际上只有 2 个功能，即通过自动调节励磁机磁场电阻来达到发电机电压恒定，和调差（使 发电机并联运行下合理分配无功） 。对较大型的发电机还备有继电强励和继电强减功能。亦 即当机端电压下降较大时， 利用低电压继电器短路磁场绕组内串接的某个电阻， 从而达到强 励的目的， 反之当机端电压突然上升时， 用电压继电器把一定电阻串入励磁机磁场中达到强 行减磁的作用。 国内在 1950 年代进口西方国家的 AVR 主要有 3 类：A）炭阻式；B)银针式；C)磁盘式； (亦称摆励接触式） 。 这些都属于机电式直接动作的调压器， 它们的电压敏感元件直接通过机 械机构操作励磁机的磁场电阻。 1、银针式调压器： 西屋公司银针式调压器的原理线路图示于图 1-4。它的电磁铁线圈由发电机电压经 PT 及整流器供电，当发电机电压变化时，衔铁运动，推动杠杆，使电阻的银钮接通或开断 ， 从而改变励磁机磁场回路的电阻，并通过由电流互感器 CT 供电的补偿电阻，来自动分配并 联运行发电机间的无功负荷。励磁机输出经稳定变压器，输出稳定信号到调节电路。图 1-4 银针式调压器原理图及银针触点-4-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司2、 炭阻式调压器 炭阻式调压器的原理图示于图 1-5。发电机电压经 PT 接入磁电式敏感元件的动线圈， 当发电机电压变化时， 动线圈受到电磁力的作用而上下运动， 通过动臂的动作调节炭刷片的 松紧程度， 从而改变串联于励磁机励磁回路中变阻器的电阻值， 藉此调节发电机电压。 此外， 亦通过电流互感器 CT 供电的电阻，来自动分配并联发电机间的无功负荷。励磁机输出经稳 定变压器，输出稳定信号到调节电路。图 1-5 炭阻式调压器原理图及实物图3、 盘式(摆动接触式)调压器 磁盘式调压器亦用于控制串联于直流励磁机励磁回路上的电阻，来调节发电机电压。 图 1-6 是它的原理图。发电机电压通过电压互感器 PT 向分相电动机定子或螺管线圈供电， 电动机转子或螺管线圈的衔铁， 通过转轴或动臂操作变阻器的嵌有弧形炭刷的扇形片， 使它 在固定的弧形接触轨道上摆动， 把接触轨道铜块间所接电阻抽出或接入， 这样便改变了励磁 机的磁场电阻。调压器也装有 CT 供电的补偿电阻，起调差作用。-5-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司图 1-6 磁盘式调压器原理图及磁盘接触摆 在国内上海华通开关厂生产过炭阻调节器，供用户选用。此外 1950 年代学习苏联，引 进了苏式的以磁性元件为主的励磁调节器，主要 2 大类型，电流复励加电磁式校正器方式 和相复励磁调节器方式。 前者国产型号 QF-D、SF-D，Q 为汽轮发电机，S 为水轮发电机，F 指复励，D 指电磁式电 压校正器，这类调节器在发电机空载时，利用直流励磁机自并励作用，调节其磁场电阻使其 达到空载额定电压，发电机带负荷后，利用机端电流互感器反馈的复励电流，整流后补偿发 电机的电枢反应， 由于电流复励没有相位补偿的作用， 要保证发电机的电压调节精度需要用 电压校正器， 这种情况下励磁机励磁绕组往往还设计有 1 到 2 个附加绕组 （单支或双支校正 器） ，电压校正器输出加到附加绕组中来调节励磁，以达到所需调压精度。 相复励调节器采用了相复励变压器，使得励磁电流，不仅与定子电压，电流有关，并且 还和两者之间相位，即负载功率因数有关。这样在发电机定子电压，电流一定而负载功率因 数改变时，调节器也能满足发电机所需励磁。 为保证有较高的调节精度，往往也可装电压校正器，国内型号有称为 KFD（主要厂家： 上海华通开关厂、河北工学院电工厂、哈尔滨宏伟开关厂）它相当于苏联 YBKm 3等。这类励磁系统直流励磁机维护困难，调节器时间响应长达 1-5 秒，动态性能差，空载起励发电机 电压超调量大，频率特性差，但励磁调节器运行基本稳定，整流器件由硒片改为硅元件后， 维护工作量较小。-6-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司相复励电压校正图 1-7 带电压校正的相复励在同一时期， 西方国家采用电机 扩大机励磁调节， 由于电机扩大机 放大倍数可达百倍甚至千倍， 对励 磁控制信号功率要求十分小。 图 1-8，图 1-9 为美国通用电气公 司生产的带直流励磁机和交流励 磁机的励磁系统，调节器功率元 件为电机扩大机。 图 1-8 美国 GE 公司生产的直流机励磁系统图 1-9美国 GE 公司生产的交流励磁机励磁系统-7-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司1950 年代， 苏联为解决斯大林格勒和古比雪夫上千公里的远距离输电， 用直流励磁机无 法解决，提出了用汞弧整流器整流电流，直接向发电机磁场供电的离子励磁系统，调节器方 面在 KFD 基础增加了端电压、频率的一阶、二阶微分 U’,U”,f’,f”等所谓强力调节器， 国产新安江 9 号机离子励磁也是这种背景下的产品。 随着晶体管元件出现， 60 年代可控硅出现， 我国可控硅元件是 61-62 年由一机部电器科 学研究院率先研制出，后转给北京椿树整流器厂（当时为弄堂工厂）生产。励磁调节器开始 向固态型转变，出现了以晶体管为主，用电阻、电容等分立元件组成的半导体励磁调节器， 功率元件开始采用可控硅， 比起磁性励磁调节器和电机扩大机等来， 固态调节器动作速度快， 如果设计正常， 理论上讲也可以是半永久性的。 国内从 1970 年代开始转入研制这类调节器， 但是由于文革期间，研制厂家纷杂，缺乏励磁系统统一标准，加上当时国产元器件质量不过 关，各厂自行设计的产品，制造工艺不良，功能不全，不经过工业试验，正式鉴定，便投入 生产，因此可靠性差，故障频繁。应当提到当时国内一机部广州电器科学研究所生产的调节 器质量较好。采用了半导体励磁调节器后，由于电子线路的灵活性，励磁调节器逐渐增添了 许多附加功能，使其逐步完善。随着线性集成电路和数字集成电路出现，进一步改善了半导 体励磁调节器，原来要用 6-8 个晶体管组成的直流运算放大器常至少要占一个印刷电路板， 有了集成运算放大器，一个芯片上集成 2-4 个运放。 1970 年代后期， 天津大港发电厂从意大利进口的 320MW 火电机组的自并激励磁系统， 其 励磁调节器是典型的集成电路组成调节器， 其励磁功能已相当完善， 但所用的印刷电路板多 达 68 块，国外的工艺能保证这种调节器能正常工作。80 年代我国从西屋公司引进的模拟式 励磁调节器， 适合于三机交流整流励磁系统或无刷励磁系统， 西屋的 WTA 调节器功能也较完 善，但有约 40 多块印刷电路板，国内仿制后，有时运行就不稳定，这与所选用的元件，是 否经严格老化筛选，以及加工工艺和质量有关。1970 年代末期，清华大学与天津电传所合 作研究开发了模拟式最优励磁控制调节器，1980 年代中期在碧口水电站 10 万 KW 带直流励 磁机的励磁系统上运行，效果并不理想，模拟式调节器无计算能力，运行中参数无法调整， 另外经过直流励磁机，无法发挥励磁最优控制的优点，因此没有发展前途。 在利用计算机进行励磁方面的研究，最早要推加拿大和苏联两国曾联合研究和研制，当 时用小型机 MINICOMPUTER 进行研究，并且在试验室中对小发电机进行了试验。那时计算机 在电厂的应用，主要承担，监视，数据记录，报警，打印制表等。那时计算机体积庞大，价 格昂贵，只有出现了微型计算机，才有可能实际使用，1979 年底电力部南京自动化研究所 自控室，筹建了励磁组，经过蕴酿讨论，决定不搞模拟式励磁调节器，直接自主开发微机型-8-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司励磁调节器，报请部科技司，80 年电力部下达了微机励磁的七五攻关项目。南瑞电气控制 公司经多年攻关，于 1984 年 7 月研制出第一台工业样机，经所内长达半年的试验，编制各 种调节限制软件，于 1985 春节前运至池潭电站，用在 2#机，5 万千瓦发电机，4 月上旬开 始现场调试，经过一系列试验，于 4 月 27 日通过 72 小时运行考验。正式投入运行。 这使我国发电机励磁发展转入新的一页，在世界上也是属于领先地位，并得到了在北京 参 加 IFAC” 电 厂 和 电 力 系 统 控 制 ” 国 际 会 议 主 席 、 美 国 电 厂 和 电 力 系 统 控 制 权 威 Tomas.E.Dyliacco 教授的赞扬。随后，华中理工大学与东方电机厂合作生产了微机-模拟双 通道励磁调节器，88 年在渔子溪电厂 1 号机试验，采用了最优控制算法。与南瑞电气控制 公司微机励磁不同的，触发部分仍用模拟式的，而用的 Z80 单板机不是工业专用机。微机的 作用只是起着模拟调节器的综合放大等功用，此外微机一模拟双通道，增加用户维护困难， 既要维护模拟式又要维护微机部分。 由于微机励磁调节器比起模拟式励磁调节器来有许多优点，从上世纪 90 年代开始，国 内也有许多单位竞相研制，但经过十多年的竞争淘汰，有实力的研制单位已不多，现列述如 下： 1）南瑞集团电气控制公司 其前身为电力部南京自动化研究所，系微机励磁调节器首创者，1985 年 4 月在池潭水 电厂#2 号 50MW 发电机可控硅励磁上投运成功后，经电力部鉴定，被评为 1986 年部科技进 步一等奖，1987 年被国家科委评为国家科技进步三等奖。但新生事物，难以得到业界承认， 直到 1988 年池潭电厂要求将其#1 号机 50MW 也改用微机励磁调节器，才有第二台的投入， 为提高运行可靠性，该调节器由原有单自动及单手动通道，改制为双自动控制通道。后来葛 洲坝水电厂对微机励磁调节器也有兴趣，提出要借用一台试运行，考虑到该厂的重要性，同 意借一台给二江分厂。据了解在随后的一次事故中，厂内许多机组因低励限制失效而跳闸， 而微机励磁调节器所在发电机事故后，仍继续运行，此后，葛洲坝二江电厂又订购了两台微 机励磁调节器。1991 年龙羊峡水电厂 320MW 发电机励磁装置，故障频繁，厂内职工奖金罚 没，为此该厂派员外出调查，了解到微机励磁运行较好，到南瑞电气控制公司订购了一台， 于 1992 年投运，结果良好，过了大半年后，决定将该厂另外三台 320MW 发电机也改用微机 励磁。1992 年科研体制改制，电气控制公司成立，随着龙羊峡电厂微机励磁成功运行，得 到了业界的承认，电控公司业务量大增。1994 年新建的铁H火电厂因励磁装置运行不稳定， 拟采用微机励磁，厂内虽有不同意见,最后决定采用微机励磁，消息传出，徐州发电厂因励 磁运行不好， 要求先给该厂的 2 台 200MW 发电机供货。 至此电控公司在水电和火电方面应用-9-同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司局面被打开。该所微机励磁调节器型号最初为 WLT-1 后改为 SJ-800，进入新世纪升级换代 后，采用 DSP 和 FPGA 等后改为 SAVR-2000，截止 2004 年 3 月底已投运的发电机约 650 台， 水电机组最大为 320MW，火电机组为 600MW 及 800MW.2）广州电器科学研究所 该所 1970 年代中生产励磁装置，开始主要面对中小用户，质量较好，1992 年开始研制 数字式励磁调节器，当年 12 月在新丰江水电厂 85MW 机组投运。还搞过模拟-微机混合励磁 系统。现在在水电厂励磁中，己挤身于大机组励磁投标者的行列，成为南瑞集团竞争对手。 其微机励磁调节器型号为 LTW-6200，30 年来已为数百座电站提供了上千台励磁装置，多数 是用于中小型发电机。此外该所还与 ABB 结为合作伙伴。3）河北工学院电工厂 该厂生产励磁装置有很长的历史， 原来主要生产磁性元件为主的调节器和模拟式励磁装 置，1987 年南京自动化研究所向该厂转让了微机励磁调节器技术，该厂为辽宁清河发电厂 200MW 发电机研制了第一台微机励磁装置。 近年来独立开发了适用于中小型同步电机的 DWLZ 型，和中大型同步发电机的 WLZ 型的双通道微机励磁调节器。4）武汉洪山电工研究所 早先专业生产模拟式励磁调节器，性能基本稳定，有不少用户，近年来开发了新的一代 TDWLT-01 的微机励磁系统，目前它向市场提供的模拟式励磁调节器型号为 HJT-071S，数字 式励磁调节器型号为 5C800。5）能达公司 葛洲坝水电厂在微机励磁运行成功的基础上， 成立了能达公司， 也研制了微机励磁装置， 首先用于更新本厂的老励磁设备，进而参加了市场竞争，其励磁装置型号为 MEC-31B。6）清华同方 清华大学励磁装置先是和”国电南自”合作生产，后因后者退出市场，改由清华同方生 产，其微机励磁装置型号为 GEC-1，特点是在控制策略方面采用了非线性最优。但实际上仍 是用 PID 作为基本的控制规律，其它三种，PSS，线性最优 LOEC，非线性最优 NOEC,可以选- 10 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司作为附加分量，加入调节环节中。由于依靠了清华大学品牌效应，发展态势比较强劲，已成 为有力的市场竞争者。7）主机厂励磁车间 东方电机厂和哈尔滨电机厂励磁车间，原来励磁产品质量不过硬，虽具有成套供应的优 势，但它们的励磁产品，仍逃不过被改造的命运，后来东方电机厂引进了 ABB 公司的微机励 磁系统及元件组装， 在此基础上进行了自主开发， 研制了型号为 DWLS-2C 的微机励磁调节器， 推入了市场。哈尔滨电机厂近日也推出 HWLT-4 微机励磁调节器，使用不多，正在进一步打 入市场。8）一些老牌励磁研发单位，如机电部自动化研究所，天津电气传动研究所等，过去曾有过 辉煌业绩，但受制于老体制，已基本被逐出市场。§1-3国外励磁发展动态国外在进行计算机控制励磁研究，早在 1960 年代末期就已开始，用的是小型计算机， 大都是在一些大学和研究单位进行， 在理论上对控制方法规律进行了研究， 有的还在试验室 的小的模型发电机上进行了试验，70 年代加拿大和苏联对计算机（当时称数字式自动电压 调节器 DAVR）励磁进行了联合研究，但是真正用于现场是在微型计算机出现后才有可能。 应该指出，南瑞电气控制公司第一台 WLT-1 微机励磁调节器在 1985 年投运时，通过国际专 利联网查询，以及 1986 年葛洲坝电站励磁招标会议，向国外公司询价时，没有哪个能提供 微机型励磁调节器。实际上国外微机励磁的应用，也只是在 80 年代中叶后兴起的，如日本 东芝公司于 1989 年 7 月在日本的东北电力 （株） ， 八户火力发电所 3 号机上开始投运双微机 系统的数字式励磁调节器， 加拿大通用电气公司 CGE 于 90 年 5 月已开发出微机励磁调节器。 又如瑞士 ABB 公司利用厂用微机系统开发了 UNITROL-D 型微机励磁调节器， 很快就停止生产 模拟式励磁调节器。95 年又推出了新的一代微机励磁调节器 UNITROL-F，及 UNITROL-P。- 11 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司1、瑞士 ABB 公司， 大约是 1989 年开发出 UNITROL-D 的数字式 电压调节器，是多微机励磁调节器，一共 用了六个 CPU,1 个 CPU 完成自动调节和脉 冲形成，1 个 CPU 完成手动调节和脉冲形 成， （自动及手动双通道） ，1 个 CPU 完成 自适应电力系统稳定器，1 个 CPU 完成励 磁系统保护功能，1 个 CPU 完成顺控，另 1 个 CPU 完成监视功能。在 50 周波下每秒 300 次中断。采用了直接交流采样。图 1-10 为 UNITROL-D 调节器的外外貌图， 它还具有一 个小终端， 通过它可以用来修改调节器各项参 数及各个量的上、下限值 。华能上海石洞口 第二电厂从瑞士引进的 60 万千瓦汽轮发电 机，就是使用了这种励磁调节器，瑞士 ABB 图 1-10 UNITROL-D 调节器公司 H.Herzog 先生在 93 年曾来南京自动化研究院访问，探讨双方合作可能性，95 年该公 司又派人员前来，介绍了该公司新开发的适用于中小发电机的 UNITROL-F 和大型发电机的 UNITROL-P 的新一代微机励磁调节器，其特点是硬件进一步减少。例如 UNITROL-P 是由双微 机组成的双自动控制通道，每个通道只有 3 块电路板组成，1 块是微机板，1 块是模拟量， 数字量输入/输出板，另 1 块是脉冲放大板，和南瑞电气控制公司的 SJ-800 类似。 由于微处理器的快速发展， 其计算处理能力不断加大， 利用 1 个 CPU 处理所有励磁调节 功能是完全可能，这样大量任务转移到软件中，减少硬件，使调节器结构简单、明确，并不 会降低其可靠性。新世纪瑞士 ABB 公司进一步推出了 UNITROL-5000 的微机励磁系列，增加 了多种调试手段，完善了通讯功能，增加了可控硅整流桥动态和智能化均流方法等。- 12 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司图 1-11瑞士 ABB 公司 UNITROL-P 励磁系统方块图- 13 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司2、美国通用(GE)公司 近年来从该公司进口的火电机组上， 配用了该公司生产的 GENEREX-PSS 励磁系统， 国内 常称为 P 棒电压源励磁系统， 即在发电机定子槽内另嵌一组励磁专用的线棒， 但其输出仍要 接至整流变压器上。究其原因是发电机短路时，P 棒有一定电流复励磁能力，对维持故障时 机端电压有利，该系统功率电路有的还采用三相半控可控硅整流桥，比较落后，无法采用逆图 1-12 美国 GE 公司 GENEREX-PSS 励磁系统 变灭磁， 在半控桥丢脉冲的情况和续流管管压降因老化而升高时， 常会产生某相可控硅和其 它两相二极管持续导通的误强励情况， 国内早期的可控硅励磁曾多次遇到这类问题。 进口的 客户必须引起注意。该公司的微机励磁调节器型号为 EX2000 有手动和自动控制通道，它的 一个特点是，有一个基于微处理器的智能操作员站，上有按钮，信号灯，诊断显示，仪表的 数码显示，所有操作、远方通讯和透平控制系统联系等都集中在此。3、英国罗-罗（Rolls-Royce）公司： 1991 年研制了全数字式励磁调节器，1996 年升级到第二代，用了 DSP，型号为(TMR)即 三通道冗余，图 1-13 表示了它的原理框图。 每通道自动（以端电压为调节量）手动（以励磁电源为调节量）方式可用软件设置，自 动用 PID 调节，手动用 PI 调节，控制算法每 3.3ms 即 60°电角度进行一次，灭磁用磁场开 关，也可加非线性电阻。国内张家口发电厂和上安电厂 300MW 火电机组有用，洪山电工所为 其组装。- 14 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司图 1-13罗―罗公司的三模块冗余(TMR)调节器示意图4、日本三菱电气公司。 从 1984 年开始研制数字式励磁调节器，称为 D-AVR，截止 2000 年 1 月已生产 80 套， CPU 采用 Intel 公司奔腾（586） ，型号为 MEC5000，有单通道和双通道型，图 1- 14 为其 双通道电路图。图 1-14三菱公司双通道微机励磁系统配置表 1 中表示了该系统运行可靠性，只有工作通道和备用通道供电电源同时故障，或脉 冲同时消失，才导致停机。- 15 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司表 1 调节系统同时发生两个故障时，对系统的影响。Normal stand-bypower sourceCPUAIDIOPulse outputInput signalpower source CPU AI DIO Pulse output Input signalAVR继续运行失磁停机手动运行5、加拿大通用电气(CGE)公司 隔河岩水电厂，4 台 300MW 机组采用 CGE 生产的 SILCO 型微机励磁调节器的自 并励系统。 由两台微机励磁调节器组成双通道系统。 CPU 用 Intel 公司 80C188， 时钟频 8MHZ 每个励磁调节器由 9 种印刷电路组成，特点是有 2 块带 CPU 的板，一作为调节用，另一作 为顺控用。联接个人计算机 IBM-PC 后，可实现相应的软件模块修改，投入或切除等。并可 在调试时修改 PID 调节参数，用的是直接数字触发。 励磁系统的特点是采用了冗余设计，运行过程中单台装置故障一般不影响正常运 行。励磁系统还包括了电气制动功能，起励变压器和制动变压器公用。隔河岩 1，2 号是 93 年 6，11 月投入运行，现在 4 台机全都运行。据从现场了解，除了整流变压器发热外，励磁 系统运行良好。- 16 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司6、意大利 ANSALDO(ASG)公司CTPTA2TIA1 TIA2 A/DA1CRTQrCPU TKB D/A OA A1 A2 trotorTVCCPU VA2 A/D IAA1MUXSERRS232CPU RD/DIL32bit 32bitD/D VMEOLMC 移相器 DCONC DESPBTREDANIAVcon syncuLILTIA TIMTVA1 TV CBCB GuL380V 50 ~图 1-15利港发电厂意大利 ASG 的双通道励磁调节器原理- 17 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司利港发电厂 1#号机 350MW 发电机微机励磁系统是意大利生产的，于 1992 年底投入运 行，主结线为自并励，调节装置由调节器和移相器组成见图 1-15，调节器为双自动控制通 道。每个通道有三个 CPU 插件，CPU R，CPU T，CPU V， 用的 Motorola 的 16/32，68010， 10MHZ，VME96 位总数。CPUR 为主机负责调差，PID 调节，欠励，过励限制及电力系统 稳定器 PSS 功能，CPU V 负责人机接口，参数整定，显示等，CPU T 负责交流采样 U、I、 P、Q 频率 f 等计算及数字滤波等。此外调节器还具有开关量输入/输出、模拟量输入/输出四 个插件与外部联系用。 应该指出调节器的控制信号， 仍通过 D/A 转成模拟的控制信号 Vcon， 输出到移相器产生触发脉冲，因此不属直接数字触发移相器。CPU 是采用 16 位单片机， 8096BH，12MHZ，即图中 Dconc。除此外还有 9 通道模拟插件 DANIA 以及脉冲发生器 DESPB。DINIA 输入信号有 7：RST 三相 3 个同步信号、励磁电压 UL、电流 IL、由调节器 输出的控制信号 Vcon，及跨接器的电流信号。DESPB 输出 6 相触发脉冲外，还有 1 路脉冲 用于启动跨接器的。这个励磁系统的另一个重要的特点是完全取消了励磁回路的灭磁开关。综合以上来看，励磁发展动态可初步归结为： 1) 采用微机励磁调节器的趋势是肯定的，微机励磁也由简单地代替综合放大器作用， 扩大到直接数字触发等功能，由于微机处理器及 CPU 功能愈来愈强，执行时间愈来 愈快，使硬件简化，一个通道调节器用多个 CPU 不是方向。其中包括取消模拟式变 送器硬件，而采用直接交流采样。 为了加强发电机励磁系统的可靠性，许多厂家都采用从变送器，微机励磁调节器， 及其供电的稳压电源，到可控硅整流器，都用双通道冗余，使得工作通道故障时，自动 切到备用通道，避免了发电机的因励磁故障停机。 此外，附加的励磁系统智能调试功能，采集的电气量及调节参数显示和修正等人机 会话界面，以及事件记录，故障自检和自诊断也被广泛采用，使得励磁系统运行比过去 更为便利。 2) 对于水轮发电机来讲，为加快停机速度，只用机械方式制动，是不够的，因存在着许 多缺点， 而应该采用电气制动和机械制动配合工作。 电气制动要求定子短路电流为定值， 这时可利励磁调节器的恒励磁电流控制功能来完成，因此有趋势将水轮发电机的电气制 动功能包括进励磁系统来。 3) 取消机械式灭磁开关的趋势 灭磁开关主要的作用是： 在发电机发生故障时迅速切除发电机励磁电流， 与一般开关- 18 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司不同之处，发电机磁场绕组电感很大，因而发电机磁场绕组中贮存着大量能量，需要利 用开关迅速释放，才能达到灭磁效果。图 1- 16 表示了现在常用的灭磁方式：(a)DM4SW UL(b)D FRUSFR(c) 图 1-16 常用的几种灭磁方式(d)（a） 灭磁开关 MZK 由 2 个常开 1 常闭触头组成，正常运行时常开触点接通，常闭断 开，要灭磁，常闭触点先接通，励磁电流增加一条能通过灭磁电阻 R 的通路，然后常开触 头断开，常开触头断开时，靠拉弧也消耗部分能量，但磁场主要能量消耗在灭磁电阻 R 上。（b）利用 DM2 灭磁开关拉弧。当 DM2 开关拉开时，励磁电流因有磁场电感，有保持 不变趋势，当开关拉开时，在开关 2 端感应出很高电势，使开关 2 端产生电弧，在磁场作用 下，电弧被吹进灭弧栅中，在灭磁过程中能量消耗在电弧的燃烧上，但这时励磁电源仍在供 应能量。另外开关电弧灭磁能量大小无法调整。会发生烧毁开关的情况。（c）利用 DM4 双断口空气开关加非线性电阻 FR，二极管 D 灭磁。发电机正常运行， 由于 D 及非线性电阻饱和电压较高而不通。当故障发生后，双断口开关 DM4 跳开时，由于 转子电感作用下，励磁组 2 端感应出反向高电压，使励磁电流通过非线性电阻及二极管 D， 把主要磁场能量消耗在非线性电阻 FR 上。非线性电阻可按其所吸收的能量，任意组合比较 灵活。- 19 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司（d）三相交流开关灭磁，近来国外的一些汽轮发电机上，采用交流开关灭磁，省去庞 大而昂贵的直流灭磁开关，如图 1-16 D 所示，交流开关分闸前，切除可控硅脉冲，这时整 流桥阳极组和阴极组各有一元件流过电流，分闸后，触头间产生交流电弧电压 Us，要能克 服交流线压 UL 后，仍大于非线性电阻 FR 的动作电压时，才能导致成功灭磁。 随着大功率电力电子元件，如大功率晶闸管的出现，静止固态开关必将最终代替机械 开关。前者动作时间快，维护工作量小，后者动作慢，不宜频繁操作，触头易烧坏，维护工 作量大。当然使用静止固态开关的前提，是其可靠性大于机械开关，图 1-17 为意大利公司 为利港电厂励磁装置提供的固态开关的灭磁和转子侧过电压保护综合装置。图 1--17利港电厂意大利发电机固体灭磁及过电压保护综合装置CBP ，CBN 是正，反向跨接器（Crowbar）的晶闸管开关，RES 为灭磁电阻。① 当来正向过电压时（励磁绕组上+，下-） ，正向电压经二极管 D6，4 层触发二 极管 BOD1，D7，D8，如过电压足够高，BOD1 导通，使正向电压加在 CBN 控制极上，使 CBN 可控硅导通，达到限制正向过电压的目的。在 CBN 导通瞬间，通过逻辑信号去使整流 器逆变，以保证 CBN 自动关断，然后恢复整流器正常工作。 ② 当反向过电压来时（励磁绕组下+，上-） ，加在 D4，BOD1，D5，D3 的电压使 BOD1 导通，触发 CBP，使过电压能量消耗在灭磁电阻上。这并不影响整流柜器正常工作。- 20 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司③系统正常灭磁，由移相器来脉冲传送到脉冲变压器 CN，CN 副边输出脉冲经D9 触发 CBP，释放发电机转子能量到灭磁电阻 RES。④ 系统正常灭磁，也可使 SDE 继电器失电，SDE 接点断开 K1，继电器失电，其 常闭触点接通，如这时有正电压（*）经 D1，K1 加到 BOD2 上，BOD2 的电压动作值一般 较低，如 BOD2 动作，则有正脉冲加至 CBP，使发电机转子灭磁。* 注意：这 2 种情况下灭磁命令发出前，令整流桥先处于逆变状态，有正电压出现在转子 绕组下端。具体灭磁时序如下，停机令到后，立即逆变灭磁，约 20ms，CBP 跨接器接通， 这时，逆变灭磁和跨接器同时灭磁。30ms 后，切脉冲电源后，完全由跨接器灭磁。SDE动作 逆变命令20ms 2S 30msCBP动作 切脉冲电源t图 1--18固体开关灭磁时序图4) 励磁主接线方式 不论是汽轮发电机还是水轮发电机，国外许多公司励磁，均采用自并励方式。因 无旋转部分，维护方便，对水电厂取消同轴励磁机，可降低厂房高度，节省投资，另外自并 励磁系统，动态性能优良，有利于长距离输电稳定。对汽轮发电机而言，用自并激，可减小 发电机长度，有利于减小振动，缩短厂房长度，节省投资。 另一方式是无刷励磁系统，也是国外采用较多。无刷系统取消了炭刷，有利于发 电机端部绕组绝缘，不受污染，简化了维护，特别对大型发电机，对石化等防爆地点，以及 无人控制电站，无刷励磁方式也比较理想。- 21 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司俄罗斯汽轮发电机系列包括 500MW，800MW 选用的他励静止式可控硅励磁，比 起静止自并励来，快速旋转的交流励磁机和静止的整流变压器比，体积小，重量轻，并且他 励，动态响应性能也不比自并励差。国内发电机上微机励磁总的应用情况缺乏调查， 现在仅以华北电网发电机励磁调查结果 来看，截止到 2002-6 月/20 日，100MW 以上发电机总共 129 台，用数字调节器为 71 台，国 产共 53 台，南瑞电控 26 台， 清华同方 17 台，武汉红山 10 台，占全部数字调节器的 74.6%， 进口的 R-R 公司 10 台，法国 ALSTOM 2 台，ABB 4 台，日本三菱 2 台，共计 18 台。广州 电器科学研究所等的装置在华南及其它地区有使用。华北的例子没有普遍性。第二章励磁控制系统§2-1 励磁控制系统的主要任务1、 维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线)的电压在给定水平 维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务，有以下 3 个主要原因: 第一， 保证电力系统运行设备的安全。 电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最 高运行电压。 保持发电机端电压在容许水平上， 是保证发电机及电力系统设备安全运行的基 本条件之一， 这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下， 而且能在大扰动后的稳态下保证 发电机电压在给定的容许水平上。 发电机运行规程规定， 大型同步发电机运行电压不得高于 额定值的 110％。 第二，保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电 压下降,则输出相同的功率所需的定子电流将增加,从而使损耗增加。 规程规定大型发电机运 行电压不得低于额定值的 90％；当发电机电压低于 95％时，发电机应限负荷运行。其他电 力设备也有此问题。 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。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，而且是最为 简单、经济而有效的措施。2、 控制并联运行机组无功功率合理分配- 22 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。 发电机端电压的调差率 有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。 两台或多台有差调节的发电机并联运行时,按调差率大小分配无功功率。调差率小的分 配的无功多,调差率大的分配到的无功少。 如果发电机变压器单元在高压侧并联 ,因为变压器有较大的电抗,如果采用无差特性,经 变压器到高压侧后 ,该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大 ,为使高压母线电压稳定 , 就要使高压母线上的调差率不至太大,这时发电机可采用负调差特性,其作用是部分补偿无功 电流在主变压器上形成的电压降落,这也称为负荷补偿。调差特性由自动电压调节器中附加 的调差环节整定。与大系统联网的机组,调差率 Ku 在土(3%~10%)之间调整。3、 提高电力系统的稳定性 1）励磁控制系统对静态稳定的影响 对于汽轮发电机,其功角特性为:P?EqUs Sin? Eq Xd?式中 Eq 一发电机内电势; Us 一受端电网电压; XdΣ 一发电机与电网间的总电抗。 当无励磁调节时, Eq=常数,相应功角特性如图 2-1(a)所示。此曲线亦称内功率特性曲 线。静态稳定功率极限等于 PM=EqUs 0 。对应的功角为 90 。 Xd?- 23 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司图 2-1 发电机内、外功率特性曲线及端电压和内电势变化图 (a) Eq 恒定, (b)当 Eq 恒定,Eq’及 U 的变化; (c) Eq’恒定, (d)当 Eq’恒定,Eq 及 U 的变化; (e) U 恒定, (f)当 U 恒定,Eq 及 Eq’的变化如果发电机在运行中可自动调节励磁,则此时 Eq 为变值,相应的传输功率可得到显著的 提高。假定自动励磁调节是无惯性的,并假定在负载变化时可保持发电机的暂态电势 Eq'近 似为常数,由于随负载变化时,内电势 Eq 亦随励磁调节而变化,此时的功率特性己不是一条 正弦曲线,而是由一组 Eq 等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成, 如图 2-1(c) 中曲线所示。为区别 Eq 等于恒定值时的内功率特性曲线,当 Eq 随负载而变化的功率特性曲 线称之为外功率特性曲线。另由图 2-1(d)可看出,如维持 Eq'近似不变,则随着负载增加,Eq 是上升的。静态稳定功率极限理论值 PM=0E ' qUs ，具体数值取决于微动态稳定的条件。对应 X 'd ?的功角大于 90 。 如果励磁调节器具有更良好的性能和更高的电压放大倍数,在负载变化中可维持发电机 的电压 U 为恒定值,此时的外功率特性曲线将具有更高的斜率,如图 2-1(e)中所示的外功率 特性曲线。静态稳定功率极限理论值 PM=UUs ，具体数值也取决于微动态稳定的条件。对 X?- 24 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司应的转子功角更大于 90 。 同步电机的静态稳定能力提高后，相应系统传输功率的能力也得到提高。 理论分析研究结果表明:励磁系统的电压放大倍数 Kou 与励磁系统的时间常数 Te 以及转 子功角δ 间具有图 2-2 所示的关系。由此图可看出:在同一转子功角条件下,随时间常数 Te 的增加,为保证发电机稳定运行所允许的电压放大系数是增加的;在同一时间常数 Te 条件下, 随转子功角δ 的增加所允许的电压放大系数是减少的。 由此引起了如图 2-1 (c)和图 2-1(e) 所示的功率振荡情况。0图 2-2 极限放大倍数(阴影部分为稳定工作区)2）励磁控制系统对暂态稳定的影响 现以图 2-3(a)所示的线路为例,讨论在短路故障下功率特性的变化。 在图 2-3(b)中曲线 1 表示双回路供电时的功率特性曲线,其幅值等于:Pm ?EqUs X?其中 XΣ =Xd+XT+Xe/2。- 25 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司图 2-3 在短路故障下,功率特性曲线的变化 (a) 单机元限大母线系统; (b)短路故障下,功率特性曲线的变化曲线 2 表示切除短路故障线路后的功率特性曲线。由于线路阻抗由 Xe/2 增加到 Xe,使 功率特性曲线的幅值减小到EqUs ,其中 X’Σ =Xd+XT+Xe。曲线 3 表示故障中的功率特性曲 X '?线。 如果发电机初始工作点在功率特性曲线 1 的 a 点,短路后工作点将由功率特性曲线 3 所 决定。在故障瞬间,由于惯性的影响,转速维持不变,功率角δ 仍为δ 0,工作点由 a 移至 b。 其后,因输出电磁功率减小,转子开始加速,功率角开始增加。 当达到δ 1 时故障切除,功率特 性为曲线 2,工作点由 c 移到 e 点。 由于惯性的影响,转子沿功率特性曲线 2 继续加速到 f 点, 对应的转子功率角为 δ 2。经过反复的振荡,最后稳定在工作点 g 处。同前所述,暂态稳定 性决定于加速面积 abed 是否小于或等于减速面积 dfed。 显然,当故障切除较慢时, δ 1 将 增大,加速面积 abed 将增大。 如果减速面积小于加速面积,将进一步加速,失去暂态稳定性。 提高暂态稳定性有两种方法,减小加速面积或增大减速面积。 减小加速面积的有效措施 之一是加快故障切除时间,而增加减速面积的有效措施是在提高励磁系统励磁电压响应比的 同时,提高强行励磁电压倍数,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。相应变化如图 2-4 所示。p e'h' 1 e h f' f 3 c b 2pa d goδ 1δ 2δ M- 26 -δ M’δ同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司图 2-4 功率特性曲线 由图 2-4 可看出,正常时,发电机的工作点在功率特性曲线 1 的 a 处;当发生短路事故时, 相应 功率特性曲线为曲线 3。 如在此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势 Eq,使功率特 性曲线由 bc 段增加到 bc'段,由此在故障切除前减少了加速面积 (由 abcd 减少到 abc’d)。 在δ =δ c 时故障切除后亦能增加减速面积(由曲线 2 的 dehg 增加到 de’h’g)。 如面积 de'h’g 等于面积 def’f,则可使转子功角最大值由δ m’降到δ m,明显地提高了暂态稳定 性。显然,励磁顶值电压越高,电压响应比越快,励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但 是,考虑到发电机绝缘的强度,强励顶值电压以(7~9)倍为宜,于此基值取为发电机空载励磁 电压。 3）励磁控制系统对动态稳定的影响 电力系统的动态稳定性问题， 可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。 励磁控制系统 中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱 (甚至变负)的最重要的原因之 一。在―定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，特 产生负的阻尼作用。 在正常实用的范围内， 励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的 增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。 解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施， 是在励磁控制系统中增加其它控 制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的，而 使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。 这种控制信号不影响电压调节通道的电 压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位，因此，称为附加励 磁控制。§2-2 励磁控制系统的一些调节和控制算法1、PID 调节及其算法 按偏差的比例、 积分和微分进行控制的 PID 调节器, 是连续系统控制中技术成熟、 应用 最为广泛的一种调节器。 比例调节可以减小控制系统惯性时间常数， 但相对稳定性降低， 而且不能消除稳态误差； 积分调节可以消除稳态误差； 微分调节可以提高控制系统的稳定性， 相应可以增加比例调节 放大倍数。 在励磁控制系统中,应用电压偏差 PID 调节可以达到: 1)稳态时有较大的放大倍数,使机- 27 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司端电压接近恒定, 调节精度达 0.1%以内,从而有较大的小干扰稳定极限; 2)暂态时有较小的 放大倍数,以避免超调和振荡。 1.1 并联 PID 调节：(理想 PID 调节) 输入输出之间微分方程为： Y (t ) ? Kp ? e(t ) ? Ki ?de (t ) dt t 1 de (t ) ? Kp[e(t ) ? ? ? e(t )dt ? Td ? ] 0 Ti dt? e(t )dt ? Kd ?0te(t ) ? Ug ? Uc式中：Y(t)一一控制输出; e(t)一一机端电压偏差信号; Ug Uc Kp Ti Td 一一电压给定值; 一一电压测量值,与机端电压成比例; -一-比例系数用于提高控制系统的响应速度,以减少静态偏差; 一一积分时间常数用于消除静态误差; 一一微分时间常数用于改善系统的动态性能。连续系统传递函数为： Y ( S ) ? Kp ? E ( S ) ? Ki ? E ( S ) ?1 ? Kd ? E ( S ) ? S S 1 1 ? Kp[ E ( S ) ? ? E ( S ) ? ? Td ? E ( S ) ? S ] Ti S对于计算机控制,必须将上式离散化,用差分方程代替微分方程。 采用梯形积分来逼近积 分,采用后向差分来逼近微分,可得 PID 数字控制算法: 离散系统全量式差分方程为：Y ( KT ) ? Kp ? e( KT ) ? Ki ? ? e( JT ) ? T ?J ?0KKd ? [e( KT ) ? e( KT ? T )] T? Kp[e( KT ) ?T 一一采样周期。T K Td ? ? e( JT ) ? ? [e( KT ) ? e( KT ? T )] Ti J ?0 T离散系统增量式差分方程为：?Y ( KT ) ? Kp ? ?e( KT ) ? Ki ? e( KT ) ? T ? ? Kp? ?e( KT ) ?Kd ? [?e( KT ) ? ?e( KT ? T )] TT Td ? e( KT ) ? ? [?e( KT ) ? ?e( KT ? T )] Ti T?微机励磁调节器中 PID 程序设计时要考虑到调节死区、积分溢出和微分限幅。- 28 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司1.2 串联 PID 调节： 在模拟电路控制中无法采用理想 PID 控制，而代之以下述串联式 PID。 输入输出在频域中的传递函数表达式为:Gc( s) ?Y ( s) 1 ? Tc1 ? s 1 ? Tc2 ? s ? Kp ? ? E ( s) 1 ? Tb1 ? s 1 ? Tb2 ? s上式以波德图表示的幅频特性如图 2-5。G(dB) GAINKp Kr ? KpTc1 Tb1Kh ?KpTc1Tc 2 Tb1Tb 21 1 Tb1 Tc11 1 ω (rad/s) Tc 2 Tb 2图2-5 标准PID滤波器的幅频特性Kp 表示直流增益,用于确定调节器的调压精度,经过积分带宽控制时间常数 Tb1、 积分时 间常数 Tc1 确定的积分区段,在中频区表现为暂态增益降低的比例增益 Kr,以提高系统的暂 态稳定性，Tc1 可取发电机励磁回路时间常数，Tb1 约为 Tc1 的 5―10 倍；通过微分时间常 数 Tc2 和微分带宽控制时间常数 Tb2 确定的微分区段,在高频区表现为微分增益抑制的高频 增益 K h,用于防止高频杂散信号对微分环节的干扰。在具有励磁机的励磁系统中,微分区段 主要用于补偿励磁机滞后对增益和相位裕度的影响,以提高调节系统的稳定性，Tc2 可取励 磁机时间常数，Tb2 约为 Tc2 的 1／5―1／10。 Kp 与大信号调节性能有关,当机端电压降低 至额定值的 80%时,Kp 的最小值应保证不至于在所处频段对强励顶值形成限制。 在微机励磁数字化控制系统中,应使用离散法将上式转化为差分方程。Y ( KT ) ? [Tb1 Tb2 Tb1 ? Tb2 ? ]Y ( KT ? T ) ? Y ( KT ? 2T ) T ? Tb1 T ? Tb2 (T ? Tb1)(T ? Tb2) (T ? Tc1)(T ? Tc2) Tc1(T ? Tc2) ? Tc2(T ? Tc1) e( KT ) ? Kp e( KT ? T ) (T ? Tb1)(T ? Tb2) (T ? Tb1)(T ? Tb2)- 29 -? Kp同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司? KpTc1 ? Tc2 e( KT ? 2T ) (T ? Tb1)(T ? Tb2)2、 转子电压软负反馈（励磁系统稳定器 ESS） 自动电压调节器(AVR)为了保证发电机有足够的调压精度，必须采用较大的 Kp．但 Kp 增大将造成励磁控制回路的不稳定， 在发电机空载运行时可能导致发电机电压振荡。 为了解 决调压精度与稳定性之间的矛盾， 早期的自动电压调节器采用了转子电压软负反馈， 又称为 （励磁系统稳定器 ESS）。其结构如图 2-6 的实线部分所示。它的主要作用是使暂态时的增 益降低，以防止发电机空载时励磁控制回路振荡。一般情况下．由于 Vt 反馈，在系统低频 振荡时产生负阻尼，其负阻尼值与增益成正比，因此暂态增益衰减小，可以减小Δ Vt 所产 生的负阻尼．这在一定程度上可改善电力系统动态稳定特性。 采用 ESS 虽可提高励磁控制回路的稳定性， 但整个暂态过程中增益的减小， 也减小其励 磁响应速度。为提高高频段的增益．又增加了微分环节(1 十 TcS)／(1 十 TbS)，如图 2-6 中虚线各部分所示，这也是 PID 调节。PID 调节可使暂态增益衰减限制在低频振荡区，而不 影响其它频段 Vt 调节作用的充分发挥。PSS1 ? sT FKFUref?KA1 ? sT C1 ? sT BK 1 ? sTEEEFDK 1 ? sTGVGT1 1 ? sT A图 2-6 转子电压软反馈方框图3、 励磁电压硬负反馈 交流励磁机励磁系统中，交流励磁机的时间常数较大，影响励磁系统的调节速度。为了- 30 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司提高强行励磁时励磁系统的响应比， 在提高晶闸管电源电压的同时， 采用励磁机输出电压或 励磁机励磁电流硬负反馈，以减小励磁机时间常数，如图 2-7 所示。VA?VFKB1 ? sT EKEKF图 2-7 转子电压硬反馈方框图 没有负反馈时 K F ? 0, K B ? 1 ，励磁机增益为 K E ，时间常数为 TE 。增加负反馈后， 为保持励磁系统增益不变，需增大 K B ，此时励磁机等值增益为 K E ' ?KE KB ，要求 1? KE KBKFK E ' ? K E 即使得 1 ? K E K B K F ? K B ，而等值时间常数 TE ' ?TE T ? E 。 在大 1? KE KB KF KB干扰机端电压下降很大时，即使晶闸管全开放，如只采用负反馈，在暂态时不能达到提高励 磁电压上升速度的效果， 只有同时配合提高可控整流装置电源电压， 才能构成高起始励磁系 统。 当不采用 PSS 时， TE 减小将使 VT 反馈回路的负阻尼加大，在采用 PSS 后， TE 减小将 加强 PSS 的作用， 更多地增加正阻尼， 故采用 PSS 后交流励磁机励磁系统适当采用励磁电压 硬负反馈是合适的。对于快速励磁系统，如静态励磁系统，励磁时间常数本已很小，再采用 励磁电压硬负反馈就没有必要了。4、 PSS(电力系统稳定器) 在 60 年代中期，由于快速励磁系统的普遍应用，在一些大型输电系统中频繁地出现了 低频功率振荡以及在大扰动事故后动态稳定恢复过程中的振荡失步的情况。 对此， 美国学者 F.D.迪米洛(Demello)和 C.康柯迪亚(Concordia)首先从分析低频振荡发生的机理入手，探- 31 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司讨了在采用快速励磁系统以及特定电力系统参数条件下造成动态稳定性恶化的原因。 他们利 用 R.A.菲利浦斯和 W.G.埃佛伦提出的建立在线性化小偏差理论基础上的数学模型，经分析 得出结论， 认为单机－无限大系统的正阻尼转矩恶化的主要原因是由于励磁系统和发电机励 磁绕组的滞后特性所致。 在正常运行条件下，以发电机端电压为负反馈量的发电机闭环励磁调节系统是稳定的。 当转子功率角发生振荡时， 励磁系统提供的励磁电流的相位滞后于转子功率角。 在某一频率 下，当滞后角度达到 180°时，原来的负反馈变为正反馈，励磁电流的变化进一步导致转子 功率角的振荡，即产生了所谓的“负阻尼” 。 如果励磁系统采用 PID 控制方式， 以发电机电压偏差信号进行调节励磁， 有助于改善发 电机电压的动态和静态稳定性。同时，向励磁系统提供的超前相位输出，会在一定程度上补 偿励磁电流的滞后相位和克服负阻尼转矩。但是 PID 调节主要是针对电压偏差信号而设计 的， 它所产生的超前相位频率未必与低频振荡频率同相， 亦即未必能满足补偿负阻尼所需的 相位。此外，在 PID 调节系统中为了控制电压，必须连续地对电压偏差进行调节，因此无法 区别阻尼转矩在正、 负之间变化的两种截然不同的情况， 以及难以兼顾发电机电压调节及保 证阻尼转矩为正值的要求。为此，PID 调节方式对于抑制系统低频振荡的作用是有限的。 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。当 前，PID+PSS 的控制方式，在励磁系统中获得了广泛的应用。 PSS 是在自动电压调节的基础上以转速偏差、功率偏差、频率偏差中的一种或两种信号 作为附加控制，其作用是增加对电力系统机电振荡的阻尼，以增强电力系统动态稳定性，它 显然与 ESS 不同，ESS 主要是解决励磁控制回路的稳定性，对于发电机空载稳定性良好的 快速励磁系统，在采用 PSS 提高正阻尼后，可以不采用 ESS。5、 线性最优（LOEC）调节 线性最优控制是比较成熟的现代控制技术。当电网结构较薄弱时,传输功率极限主要受 静态稳定极限的约束,电网小干扰问题比较突出,存在各种频率的小功率振荡。 线性最优控制 用于发电机励磁控制时，是一种电力系统小干扰稳定控制理论与方法,设计用于抑制各种频 率的小功率振荡。它利用电力网络结构与参数不变,负荷动力群动态模型可用恒定阻抗特性 代替,在某一平衡点周围可进行线性化处理这三个假设, 将问题归结为研究多输入多输出线 性系统的最优控制问题,即:- 32 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司X?? AX ? BU式中 A 一一状态系数矩阵; B 一一控制系数矩阵; X 一一 n 维状态向量; U 一―r 维控制向量。 设计上述系统的控制器时,选择二次型性能指标：J?1 T??0( X T QX ? U T RU )dt通过黎卡提方程的求解可得最优控制解为:U ? ? R ?1 B T PX ? ? KX其中,P 为代数黎卡梯方程的解。 从上面的解可以看出,最优控制问题的解为系统全状态变量的定常反馈。但由于电力系 统中的机组在地理位置上是高度分散的,在机组之间进行实时状态信息传输极其困难, 因而, 实现电力系统小干扰稳定最优控制几乎是不可能的。因此,早期一般按单机对无穷大系统模 型设计。当发电机转子励磁回路由功率晶闸管供电时,采用三阶状态方程。当发电机转子励 磁回路由整流管供电,励磁调节器控制交流励磁机励磁回路晶闸管时,则采用四阶状态方程。 对于三阶状态方程,通常取 X=[Δ Pe、Δ ω 、Δ Ut] 。给出二次型性能指标,解最优化问 题,可得出反馈增益矩阵为: K=[Kp Kω Ku] 则控制增量: U=-KX=-[KpΔ Pe+Kω Δ ω +KuΔ Ut] 式中Δ Pe 一一有功功率动态基准 Pb 与测量值 Pe 之差; Δ ω 一一转速动态基准ω b 与测量值ω 之差; Δ Ut 一一机端电压给定值 Ug 与测量值 Ut 之差。 由于所用线性模型是在运行点线性化条件下得来的,因此,系统的状态平衡点即为状态 量的动态偏差基准。 系统运行时,状态量总是在其平衡点附近波动的,可以认为状态量的波动 中心就是状态量的平衡点,也就是待求的动态基准。根据几次采样值求波动中心, 可用软件 实现。 状态系数矩阵 A 中的一部分元素是随机组的运行点变化而变化的。 实现微机励磁最优控 制时,事先要根据给定的参数离线计算出在各运行点(P,Q)的最优反馈增益矩阵 K,折算后以- 33 T同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司表格方式存放在微机的存贮器中。励磁调节器运行时,微机定时采样,计算出Δ Pe、Δ ω 、 Δ Ut,再根据当时的运行点(P,Q),找出相应的 Kp、 Kω 、Ku,进而得出 U。输出 Y=Yo+U,因为 U 为增量,故须加基值 Yo 以得到全量输出。 Yo 的的计算有几种方法。 简单的方法是取的 Yo (k) 为前 N 次的算术平均值,递推公式为:1 n Y0 (k ) ? ? Y0 (k ? i) N i ?1另一种方法为:Y0 (k ) ? Y0 (k ? i) ? Ki ? e(k )式中,Ki e(k)为积分项,Ki为积分系数。6、 非线性最优（NOEC）调节 当前我国电力系统在提高小干扰条件下的稳定性和抑制低频振荡等方面均取得了长足 的进展,影响电网安全运行的主要问题已由小干扰转移到大扰动暂态稳定性方面。 为此,发展 直接按多机系统精确非线性模型设计出最优励磁控制器已成为迫切的需要。 基于微分几何理 论设计的非线性控制器,至70年代以来,已经形成了较完善的理论体系,在诸多领域中得到应 用。微分几何属反馈线性化方法的一种,其基本原理是利用微分几何数学方法对受控系统的 数学模型进行必要的坐标变换,进而求得非线性反馈,在此非线性反馈作用下将原来的非线 性系统映射为一个积分型的精确线性系统,而经过坐标变换后系统的控制特性仍保持不变， 电力系统中采用了这种方法实现了非线性最优励磁控制。 非线性控制策略的基本思路是假定非线性电力系统的特性具有下列仿射非线性数学模 型表达式:x ? f ( x) ? ? g i ( x)u(i)i ?1?myi ? hi ( x), i ? 1,2,3,...,m应用微分几何原理求得一组非线性坐标变换和控制变换:Z ? T ( x) V ? ? ( x) ? ? ( x)u将电力系统仿射非线性数学模型表达式精确线性化为下列线性控制系统:- 34 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司Y ? CZZ ? AZ ? BV?经过上述两式坐标转换和控制变换,可将非线性系统控制问题转换为精确线性化系统的 控制问题,优化控制的策略为:U?? KT ( x) ? ? ( x) ? ( x)当用于励磁控制系统时,经一定的近似化处理可得到非线性最优控制的算法:Uc ?HTd0 ? Eq' Td 0 ? HTd0 ( K1?? ? K 2 ?? ? 0 K 3 ?Pe) ? ? I q ? Eq Kv?Vt ?0 Iq H Iq ?0 Iq第三章 励磁系统分类与配置§3-1 发电机励磁系统的分类同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。1、交流励磁机系统 当前，交流励磁系统是汽轮发电机组比较主要的励磁方式。 交流励磁机系统根据励磁机的励磁方式不同，可分为它励和自励交流励磁机系统。 交流励磁机系统若按整流是静止或是旋转、 以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不 同，又可分为下列四种励磁方式： （a） 交流励磁机加静止硅整流器； （b） 交流励磁机加静止可控硅； （c） 交流励磁机加旋转硅整流器； （d） 交流励磁机加旋转可控硅；- 35 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司交流励磁机系统的具体接线方式很多，下面给出几种典型的接线方式。 1）它励交流励磁机系统（三机它励励磁系统） 它励交流励磁机系统原理如图 3-1 所示。FLQ ACFL ACL F CTPT 自动恒 压装置 自动励磁调节器图 3-1 交流励磁机系统接线原理一（三机它励） 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。 2）自励交流励磁机系统 自励交流励磁机系统没有副励磁机。 交流励磁机的励磁电源是从该机的出口电压直接获 得。其原理见图 3-2。 交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流； 自动励磁调节器控 制可控硅的触发角，调整其输出电流。其原理见图 3-3，亦称为两机它励励磁系统。 励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获 得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电 压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统，其原理图见图 3-4。- 36 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司ACLFLQFCTPT自动励磁调节器图 3-2 交流励磁机系统接线原理二FLQ ACL F CTPT自动恒 压装置自动励磁 调节器图 3-3 交流励磁机系统接线原理三（两机它励）FLQ ACL FZB CTPT自动励磁调节器图 3-4 交流励磁机系统接线原理图（两机一变）- 37 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司3） 无刷励磁系统 上述交流励磁机系统， 励磁机的电枢与整流装置都是静止的。 虽然由硅整流元件或可控 硅代替了机械式换向器， 但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。 滑环是 一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节。随着巨型发电机组的出现，转子电流大 大增加， 可能产生个别滑环过热和冒火的现象。 为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环 的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。这种励磁方式整个 系统没有任何转动接触元件。其原理图见图 3-5。FLQ ACL F CTPT PMG kz 自动励磁 调节器图 3-5 无刷励磁系统接线原理 无刷励磁系统中，主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极 管整流桥整流后直接送发电机转子回路。 由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都 在同一根轴上旋转， 所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。 无刷励磁系统中 的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组 是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。 无刷励磁系统彻底革除了滑环、 电刷等转动接触元件， 提高了运行可靠性和减少了机组 维护工作量。 但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高， 不能采用传统的灭磁装 置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题。2、 静止励磁系统 静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机 出口或厂用母线上。 因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统， 故这种励磁 方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机式励磁方式相比，在自励系统中，励 磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。- 38 -同步发电机励磁系统培训教材南京南瑞电气控制公司静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称 为自并励方式。 如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变压器 （或串联变压器） ，二者结合起来，则构成所谓自复励方式。结合的方案有下列四种： (a) 直流侧并联自复励方式： (b) 直流侧串联自复励方式； (c) 交流侧并联自复励方式； (d) 交流侧串联自复励方式； 1) 自并励方式 这是自励系统中接线最简单的励磁方式。其典型原理图如图 3-6 所示。只用一台接在机 端的励磁变压器 ZB 作为励磁电源，通过可控硅整流装置 KZ 直接控制发电机的励磁。这种 励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比}