同步发电机励磁控制系统实验报告

同步發電機勵磁控制系統實驗

摘要：本課題主要針對如何提高和維持同步發電機運行的穩定性，是保證電

力系統安全、經濟運行，及延長發電機壽命而進行的同步發電機勵磁方式，勵磁原理，勵磁的自動控制進行了深入的解剖。發電機在正常運行時，負載總是不斷變化的，而不同容量的負載，以及功率因數的不同，對發電機勵磁磁場的作用是不同的，對同步發電機的內部阻抗壓降也是不一樣的。為了保持同步發電機的端電壓穩定，需要根據負載的大小及負載的性質調節同步發電機的勵磁電流，因此，研究同步發電機的勵磁控制具有十分重要的應用價值。本課題主要研究同步發電機勵磁控制在不同狀態下的情況，同步發電機起勵、控制方式及其相互切換、逆變滅磁和跳變滅磁開關滅磁、伏赫實驗等。主要目的是是同學們加深理解同步發電機勵磁調節原理和勵磁控制系統的基本任務；瞭解自並勵勵磁方式和它勵勵磁方式的特點；瞭解微機勵磁調節器的基本控制方式。

關鍵字：同步發電機；勵磁控制；它勵

第一章文獻綜述

1.1概述

向同步發電機的轉子勵磁繞組供給勵磁電流的整套裝置叫做勵磁系統。勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，它的可靠性對於發電機的安全運行和電網的穩定有很大影響。發電機事故統計表明發電機事故中約1/3為勵磁系統事故，這不但影響發電機組的正常運行而且也影響了電力系統的穩定，因此必須要提高勵磁系統的可靠性，而根據實際情況選擇正確的勵磁方式是保證勵磁系統可靠性的前提和關鍵。我國電力系統同步發電機的勵磁系統主要有兩大類，一類是直流勵磁機勵磁系統，另一類是半導體勵磁系統。

1.2同步發電機勵磁系統的分類與性能

1.2.1 直流勵磁機勵磁系統

直流勵磁機勵磁系統是採用直流發電機作為勵磁電源，供給發電機轉子回路的勵磁電流。其中直流發電機稱為直流勵磁機。直流勵磁機一般與發電機同軸，勵磁電流通過換向器和電刷供給發電機轉子勵磁電流，形成有碳刷勵磁。直流勵磁機勵磁系統又可分為自勵式和它勵式。自勵與他勵的區別是對主勵磁機的勵磁方式而言的，他勵直流勵磁機勵磁系統比自勵勵磁機勵磁系統多用了一臺副勵磁機，因此所用設備增多，佔用空間大，投資大，但是提高了勵磁機的電壓增長速度，因而減小了勵磁機的時間常數，他勵直流勵磁機勵磁系統一般只用在水輪發電機組上。

採用直流勵磁機供電的勵磁系統，在過去的十幾年間，是同步發電機的主要勵磁系統。目前大多數中小型同步發電機仍採用這種勵磁系統。長期的運行經驗證明，這種勵磁系統的優點是：具有獨立的不受外系統干擾的勵磁電源，調節方便，設備投資及運行費用也比較少。缺點是：運行時整流子與電刷之間火花嚴重，事故多，性能差，運行維護困難，換向器和電刷的維護工作量大且檢修勵磁機時必須停主機，很不方便。近年來，隨著電力生產的發展，同步發電機的容量愈來愈大，要求勵磁功率也相應增大，而大容量的直流勵磁機無論在換向問題或電機的結構上都受到限制。因此，直流勵磁機勵磁系統愈來愈不能滿足要求。目前，在100MW及以上發電機上很少採用。

1.2.2 半導體勵磁系統

半導體勵磁系統是把交流電經過矽元件或可控矽整流後，作為供給同步發電機勵磁電流的直流電源。半導體勵磁系統分為靜止式和旋轉式兩種。

1.2.2.1靜止式半導體勵磁系統

靜止式半導體勵磁系統又分為自勵式和它勵式兩種。

（1）自勵式半導體勵磁系統

自勵式半導體勵磁系統中發電機的勵磁電源直接由發電機端電壓獲得，經過控制整流後，送至發電機轉子回路，作為發電機的勵磁電流，以維持發電機端電壓恒定的勵磁系統，是無勵磁機的發電機自勵系統。最簡單的發電機自勵系統是直接使用發電機的端電壓作勵磁電流的電源，由自動勵磁調節器控制勵磁電流的大小，稱為自並勵可控矽勵磁系統，簡稱自並勵系統。自並勵系統中，除去轉子本體極其滑環這些屬於發電機的部件外，沒有因供應勵磁電流而採用的機械轉動或機械接觸類元件，所以又稱為全靜止式勵磁系統。下圖為無勵磁機發電機自並勵系統框圖，其中發電機轉子勵磁電流電源由接於發電機機端的整流變壓器ZB 提供，經可控矽整流向發電機轉子提供勵磁電流，可控矽元件SCR由自動勵磁調節器控制。系統起勵時需要另加一個起勵電源。

無勵磁機發電機自並勵系統的優點是：不需要同軸勵磁機，系統簡單，運行可靠性高；縮短了機組的長度，減少了基建投資及有利於主機的檢修維護；由可控矽元件直接控制轉子電壓，可以獲得較快的勵磁電壓回應速度；由發電機機端獲取勵磁能量，與同軸勵磁機勵磁系統相比，發電機組甩負荷時，機組的過電壓也低一些。其缺點是：發電機出口近端短路而故障切除時間較長時，缺乏足夠的強行勵磁能力對電力系統穩定的影響不如其他勵磁方式有利。由於以上特點，使得無勵磁機發電機自並勵系統在國內外電力系統大型發電機組的勵磁系統中受到相當重視。

（2）它勵式半導體勵磁系統

它勵式半導體勵磁系統包括一臺交流主勵磁機JL和一臺交流副勵磁機FL，三套整流裝置。兩臺交流勵磁機都和同步發電機同軸，主勵磁機為100HZ中頻三相交流發電機，它的輸出電壓經過矽整流裝置向同步發電機供給勵磁電流。副勵磁機為500HZ中頻三相交流發電機，它的輸出一方面經可控矽整流後作為主勵磁機的勵磁電流，另一方面又經過矽整流裝置供給它自己所需要的勵磁電流。自動調勵的裝置也是根據發電機的電壓和電流來改變可控矽的控制角，以改變勵磁機的勵磁電流進行自動調壓。

它勵式半導體勵磁系統的優點是：系統容量可以做得很大，勵磁機是交流發電機沒有換向問題而且不受電網運行狀態的影響。缺點是：接線複雜，有旋轉的主勵磁機和副勵磁機，啟動時還需要另外的直流電源向副勵磁機供給勵磁電流。這種勵磁系統多用於10萬千瓦左右的大容量同步發電機。

1.2.2.2旋轉式半導體勵磁系統

在它勵和自勵半導體勵磁系統中，發電機的勵磁電流全部由可控矽（或二極體）供給，而可控矽（或二極體）是靜止的故稱為靜止勵磁。在靜止勵磁系統中要經過滑環才能向旋轉的發電機轉子提供勵磁電流。滑環是一種轉動接觸元件。隨著發電機容量的快速增大，巨型機組的出現，轉子電流大大增加，轉子滑環中通過如此大的電流，滑環的數量就要增加很多。為了防止機組運行當中個別滑環過熱，每個滑環必須分擔同樣大小的電流。為了提高勵磁系統的可靠性取消滑環

這一薄弱環節，使整個勵磁系統都無轉動接觸的元件，就產生了無刷勵磁系統，如圖4所示。

副勵磁機FL是一個永磁式中頻發電機，其永磁部分畫在旋轉部分的虛線框內。為實現無刷勵磁，主勵磁機與一般的同步發電機的工作原理基本相同，只是電樞是旋轉的。其發出的三相交流電經過二極體整流後，直接送到發電機的轉子回路作勵磁電源，因為勵磁機的電樞與發電機的轉子同軸旋轉，所以它們之間不需要任何滑環與電刷等轉動接觸元件，這就實現了無刷勵磁。主勵磁機的勵磁繞組JLLQ是靜止的，即主勵磁機是一個磁極靜止，電樞旋轉的同步發電機。靜止的勵磁機勵磁繞組便於自動勵磁調節器實現對勵磁機輸出電流的控制，以維持發電機端電壓保持恒定。無刷勵磁系統的優點是：取消了滑環和碳刷等轉動接觸部分。缺點是：在監視與維修上有其不方便之處。由於與轉子回路直接連接的元件都是旋轉的，因而轉子回路的電壓電流都不能用普通的直流電壓表、直流電流表直接進行監視，轉子繞組的絕緣情況也不便監視，二極體與可控矽的運行狀況，接線是否開脫，熔絲是否熔斷等等都不便監視，因而在運行維護上不太方便。

1.3同步發電機勵磁系統的發展史

由於電力系統運行穩定性的破壞事故,會造成大面積停電,使國民經濟遭受重大損失,給人民生活帶來重大影響,因此,改善與提高電力系統運行的穩定性意義重大。早在20世紀40年代,有電力系統專家就強調指出了同步發電機勵磁的調節對提高電力系統穩定性的重要作用,隨後這方面的研究工作一直受到重視。研究主要集中在2個方面:一是勵磁方式的改進,二是勵磁控制方式的改進。

在勵磁方式方面,世界各大電力系統廣泛採用可控矽靜止勵磁方式,因為這種無旋轉勵磁機的可控矽自並勵方式具有結構簡單、可靠性高及造價低廉等優點;在勵磁控制方式上,針對靜止勵磁方式的控制器研究也取得了很大的進展,到現在為止,已經經歷了3個階段,即單變數控制階段、線性多變量控制階段、非線性多變量控制階段。

由於電力系統具有高度的非線性特性,當系統的運行點改變時,系統的動態特性會顯著改變,此時,單一變數的控制方式和線性控制器就難以滿足電力系統穩定的要求,只有非線性控制方式的控制器才能有效地提高電力系統穩定能力。本文將綜述半個多世紀以來專家學者在探索可控矽靜止勵磁控制方式中取得的成就

第二章實驗裝置及其工作原理

2.1實驗操作臺介紹

實驗操作臺是由輸電線路單元、危機線路保護單元、負荷調節和同期單元、儀錶測量和短路故障模擬單元等組成。其中負荷調節和同期單元是由“TGS-03B 型微機調速裝置”、“WL-04B微機勵磁調節器”、“HGWT-03B微機准同期控制器”等微機型的自動裝置和其對應的那個裝置組成。而同步發電機勵磁系統實驗研究主要用了TGS-03B型微機調速裝置和WL-04B微機勵磁調節器。

2.1.1TGS-03B型微機調速裝置介紹

TGS-03B型微機調速裝置面板包括：6位LED數碼顯示器，13個信號指示燈，7個操作按鈕和一個多圈指針電位器等。其詳細介紹如下：

信號指示燈13個

裝置運行指示燈1個

電源指示燈1個

方式選擇指示燈1個

並網信號指示燈1個

監控電機速度指示燈1個

增減速操作指示燈2個

開機、停機指示燈各1個

平衡指示燈2個

操作按鈕4個區，共7個按鈕

開機方式選擇區有2個按鈕，一個為模擬方式按鈕，另一個為微機方式的自動、手動按鈕。

顯示切換有2個按鈕可進行顯示切換。

微機調節區有2個按鈕，即為“增速”、“減速”操作。

停機開機有1個按鈕

模擬調節區1個

數碼顯示器

2.1.2WL-04B微機勵磁調節器裝置介紹

WL-04B微機勵磁調節器其勵磁方式可選擇：它勵自並勵兩種。

微機勵磁調節器的控制方式可選擇恒UF、恒IL、恒α、恒Q等四種。

設有定子過電壓保護和勵磁電流反時限延時過勵限制、最大勵磁電流瞬間

限制、欠勵限制、伏赫限制等勵磁限制功能。設有按有功功率回饋的電力系統穩定器（PSS）。勵磁調節器控制參數可線上修改，線上固化，靈活方便，能做到最大限度地滿足教學科研的靈活多變的需要。具有實驗錄波功能，可以記錄UF、IL、UL、P、Q、α等信號的時間回應曲線，供實驗分析用。

微機勵磁調節器面板包括：8位LED數碼顯示器，若干指示燈和按鈕，強、弱電測試孔。

8位LED數碼顯示器

用途1：用以顯示同步發電機勵磁控制系統狀態量，包括：

發電機機端電壓、發電機輸出有功功率和無功功率

發電機勵磁電壓、勵磁電流

發電機頻率

勵磁調節器輸出控制角等

用途2：用以查詢、修改勵磁調節器的控制參數，如：

PID回饋係數

指示燈

勵磁調節器面板公有32只指示燈，共分成三個類型。

第一類：“控制電源”指示燈4只

第二類：勵磁調節器“輸出”觸發脈衝指示燈6只

第三類：勵磁調節器工作狀態指示燈22只

微機正常指示燈

定子過壓指示燈

同步異常指示燈

進相運行指示燈

自勵指示燈

助磁指示燈