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浅谈发电机励磁系统的应用

加入收藏〗 发布时间:2017-11-28
  摘 要: 发电机励磁系统对发电机电压的建立,发电机所在的电力系统及其发电机本身的稳定起着至关重要的作用.本文介绍着重介绍了发电机励磁系统的基本结构和原理、作用及其励磁方式,分别分析了励磁系统在水利( 同步发电机励磁系统) 、风力发电系统中( 双馈发电机励磁系统) 的应用.
 
  关键词: 同步发电机 双馈发电机 励磁系统
 
  1 发电机励磁系统介绍
 
  1. 1 励磁系统的基本结构和原理
 
  供给发电机供应励磁电流的电源设备及其附属设备,称之为发电机励磁系统.发电机的励磁系统可以分为励磁功率单元和励磁调节器,其中,励磁功率单元向发电机转子提供直流励磁电流,励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出.励磁自动控制系统是一个由励磁调节器、励磁功率单元及发电机构成的一个反馈控制系统,其基本结构框架如图 1 所示.
 
  1. 2 励磁系统的作用
 
  励磁系统是整个电站、发电机的重要组成部分,它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的作用,其具体作用如下:
 
  ( 1) 稳定机端电压: 依据电机自身的负荷变化而调节励磁电流,当电力系统维持发电机机端电压在给定水平,保证电力系统运行设备的安全以及发电机运行的经济性; 总而言之,在提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定性的要求在许多方面是一致的.
  ( 2) 合理分配无功功率: 控制并联运行机组无功功率的合理分配.
  ( 3) 提高稳定性: 提高电力系统稳定性、发电机并列运行的稳定性( 包括静态和暂态) .( 4) 及时灭磁,减小故障损失:
 
  励磁系统的灭此部分在发电机内部出现故障时,迅速灭此,达到减小故障损失程度的预期.
 
  1. 3 励磁方式
 
  ( 1) 直流发电机励磁: 由专用的直流发电机为其提供励磁电流.这个直流发电机,称为直流励磁机,此种励磁方式的优点: 励磁电流独立,工作可靠、减少自身用电消耗,但其也存在励磁调速慢,维护工作量大的缺点.
  ( 2) 他励静止励磁: 交流励磁机装在发电机大轴上,其输出的交流电流经过整流后供给发电机转子励磁,其交流副励磁机( 永磁机或具有自励恒压装置之发电机) 提供励磁电流.这种方式下,发电机属于他励方式,且采用静止的整流装置.此种励磁方式的优点: 工作可靠、结构简单,且制造工艺方便,然而,同时具有噪音大,交流电势谐波分量大的缺点.
  ( 3) 自励式静止励磁: 此种励磁方式中,励磁电源曲子发电机本身,而不设置专门励磁机,其分为两种方式:①自并励静止励磁: 如图 2 所示,其励磁电流取自于发电机出口的整流变压器,发电机经端口处获得的三相交流电经过励磁变,经整流装置整流后得励磁电流供给发电机励磁,并且通过直流刀连接到主备励切换柜、灭磁柜,最后到发电机转子; 此种励磁方式结构简单、设备少、投资省和维护工作量少.②自复励静止励磁: 这类励磁方式,除设有与自并励励磁方式一样的整流变压器外,还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器,在发生短路时由互感器给发电机提供较大的励磁电流以便弥补整流变压器输出不足.
 
  2 发电机励磁系统的应用
 
  2. 1 在水利发电系统中的应用
 
  在水利发电工程中,励磁系统是整个水电站的重要组成部分,它不仅影响发电机( 一般为同步发电机) 本身的安全运行,且在很大程度上维持整个水电系统的稳定性.调节励磁系统,可使整个系统各点电压满足要求,全网的无功功率分布合理,有功功率损失达到最小程度.以 ALSTOM 发电机自并励励磁系统为例来说明励磁系统的组成.其励磁系统的模型如图 3 所示,整个励磁由励磁变压器 T1、励磁和调节柜组成.励磁变压器,主要作用是将高电压转换为适合整流器使用的低电压,为励磁系统提供三相交流励磁电源; 并实现高电压和低电压的电气隔离.而励磁和调节柜由起励 & 交流输入、整流、灭弧 & 保护以及调节等 4 个单元组成.
 
  ( 1) 起励 & 交流输入单元: 在自并励励磁系统中,由于发电机启动初期在发电机出口电压建立之前,励磁变压器无法提供励磁电源,需要首先利用起励单元人为地对发电机进行励磁,使得发电机转子得到励磁电流.当发电机端口电压达到或超过 10%额定电压时,自
 



 
  动退出起励单元,转换为励磁变压器为转子绕组提供励磁电源.起励单元由起励电源开关( 引入起励电源) 、起励变压器、起励接触器( 控制起励回路投切) 、二极管( 限制电压方向) 和限流电阻( 限制电流) 等器件组成.
 
  ( 2) 整流单元: 由可控硅整流桥组成,一般采用三相全控整流桥结构,其作用是把交流电转换为可控直流电,比如: ALSTOM 自主设计的 REDEX100、200、300 整流桥应用在静止励磁系统中,其最大励磁最高电流可达 10000A.
  ( 3) 灭磁 & 转子过电压保护单元:由灭磁开关( 采用法国 CEX 系列双端口开关,双线圈跳闸 or 瑞士 HPB 单端口,带 2 个 Crowbar) 、非线性灭磁电阻和灭磁回路开通控制单元组成.在发电机内部出现短路或停机时,接入灭磁回路,通过把转子电感中存储的能量转移到灭磁电阻中,使得转子励磁绕组中的磁场能量尽快地衰减、消耗掉,以避免事故扩大,保护机组和其他设备安全.
  ( 4) 励磁调节单元: 调节器用来实现对励磁电流的调节,其基本组成单元如图 4 所示,主通道的测量信号来自于发电机端口的电压互感器,它通过与给定值的比较,对两者的偏差进行综合放大,得到移相触发的控制信号,进而获得控制整流桥的触发脉冲,最终确保整流桥输出合适励磁电流.
 
  励磁调节器是电厂自动化的重要组成部分,当前主要采用采用标准化的模块和特定功能的专用模块的组合形式来实现自动控制方式进行控制,它主要由 两 部 分 组 成: 自 动 电 压 调 节 器( AVR) 和电力系统稳定器( PSS) 附加控制.其中 AVR 用于自动维持发电机出口电压的稳定,一般采用 PLC 系统来实现自动监控、调节,PSS 则可用于提高系统阻尼,缓解系统低频振荡的问题.
 
  2. 2 在风力发电系统中的应用
 
  双馈发电机( DFIG,Doubly Fed In-duction Generator) 的定子绕组接入电网向电力系统发送电能,转子绕组通过一台双向电力电子变换器与电网相连,为其提供频率、电压幅值、电压相位和相序都可调节的三相低频励磁电流.其结构图 5 所示.双馈发电机在结构上等同于绕线式异步电机,其励磁系统的控制方案在转子绕组侧实现,转子电流通过滑环接入.交流励磁双馈发电机励磁系统( 位置传感器和定子矢量控制) ,采用双馈变频器控制,具有励磁调压和调频率的功能.不仅可以实现变速恒频控制,减小变频器容量,还可通过调节励磁电流相位改变功率角,参与电网的无功功率调节.
 
  ( 1) 风电系统励磁系统组成: 风电变频器( 如: ABB 的 ACS800 - 67) 为发电机转子回路提供变频与可逆双向励磁功率,改变磁场方向,并建立电压,它在风力发电励磁系统中处于核心地位.
  双馈发电机系统如图 6 所示: 发电机的转子绕组是由两个"背靠背"连接的电力电子换流器进行励磁,之后,电网电流经过滤波电抗、励磁变压器,经过电网侧的换流器整流为直流电,再经过转子侧的换流器逆变为可作为转子的励磁电流( 此交流电的电流频率、电压波形满足要求) .通常,两个电力电子换流器采用脉宽调制( PWM,Pulse - widthmodulation ) 策略进行调制,使得换流器的电压和电流能够在四象限内任意调节.通过适当的控制手段,经过换流器,转子绕组既可以从电网吸收功率,也可以向电网输出功率,从而实现功率的双向流动.
  网侧、转子侧由不同的换流器分别进行控制来实现不同的功能.网侧换流器的主要任务: 通过控制维持直流母线电压的稳定; 保证从电网输入的电压、电流的波形以及功率因数,而转子侧的换流器主要任务: 根据转子的转速来确定转子励磁电流的频率、大小,达到调节双馈发电机输出的有功、无功功率的目的,进而实现发电机的高效率运行.
  ( 2) 变速恒频运行原理: 当发电机转速变化时,通过控制电力电子变换器来调节转子绕组上的励磁电流的频率,从而改变转子绕组上感应磁场的旋转速度,使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的,保证了定子感应电势频率的恒定,如此,发电系统便可做到变速恒频运行.正常情况下,转子转速( 发电机同步转速时,发电机的转子将通过励磁系统向电网供电.反之,则发电机从电网中吸收电能.
 
  3 结 语
 
  当今,励磁系统在各大发电系统中都有着广泛的应用.在水利发电系统中,水利发电机的转子转速是恒定的,其转子上的励磁电流为直流电流,通过对励磁电流幅值的控制,可以调节发电机的机端电压、发出的无功功率,进而影响功率因数.作为应用最为广泛的发电设备,水利发电机励磁系统的发展也最为成熟.而在风里发电系统中,双馈发电机的转子转速不固定,需要与变频器( 风力发电机专用) 配套使用.采用交流电流作为励磁电流,通过控制励磁电流的频率可以控制发电机发出的有功功率,通过控制励磁电流的大小可以控制发电机发出的无功功率,随着风力发电的迅速发展,对于双馈发电机励磁系统的研究必将更加深入.
 
  参考文献:
 
  [1]廖明夫. 风力发电技术[M]. 西安:西北工业大学出版社,2009( 03) .
  [2]黄耀群,李兴源. 同步电机现代励磁系统及其控制[M]. 成都: 成都科技大学出版社,1993.
  [3]樊俊,陈忠,涂光瑜. 同步发电机半导体励磁原理及应用[M]. 北京: 水利电力出版社,1991.
  [4]李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用[M]. 北京: 中国电力出版社,2002.
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