第二章同步发电机励磁自动控制系统

第二章同步发电机励磁自动控制系统第一节概述一、同步发电机励磁自动控制系统的组成二、同步发电机励磁自动控制系统的基本任务三、同步发电机励磁系统设计的基本要求第一节概述控制同步发电机的励磁同步发电机的运行特性同步发电机的空载电动势的大小发电机的励磁电流一、同步发电机励磁自动控制系统的组成第一节概述同步发电机的励磁系统励磁功率单元励磁调节器G发电机电力系统励磁自动控制系统构成一、同步发电机励磁自动控制系统的组成1.维持系统电压正常水平电力系统电压水平主要是由电力系统中无功功率平衡来维持。整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：GL111nmlijkijkQQQ——无功电源i向系统供给的无功功率；——负荷j所消耗的无功功率；——电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；GiQLjQkQ一）电力系统无功功率控制的必要性二、同步发电机励磁自动控制系统的基本任务在任意时刻，系统所产生的无功功率与系统中所消耗的无功功率总是平衡的。问题是在多高的电压下达到平衡的?系统无功负荷(包括无功损耗)静态电压特性如下图所示。系统无功电源所发出的无功功率偏离系统在额定电压下的无功需求越大，系统实际运行电压就偏离额定电压越大，电网电能质量越差，有可能使电网电压超出其允许范围。控制无功电源所发出的无功功率就可以维持系统电压运行在其允许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。2.提高电力系统运行的经济性（1）系统的无功电源：主要:同步发电机,另外:并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。高压输电线路的充电功率相当于在线路上并联了电容器，出此高压输电线路也可以看成无功电源。（2）选用哪种无功电源，将它们配置在何处．如何控制系统中无功电源的出力，是很重要的。例如:对于还离负荷中心的电厂，就不要它发过多的无功功率送往负荷,这是因为远距离地从电源经过变压器和输电线路内负荷输送无功功率，会产生电压损耗(高压线路和变压器上的电压损失主要是出无功功率造成的)和有功功率损托，而且输送距离越远，经过的环节越多，电压损耗和有功功率损耗也就越大。因此，无功功率一般都尽可能地就地、就近平衡。3.维持电力系统运行的稳定性发电机是电力系统中主要的无功电源，发电机的端口电压是由其励磁调节系统自动控制的。合理的选用自动励磁调节器，就可以保证发电机的端口电压维持不变，从而提高系统的静态稳定性。另外，现代发电机都装有高励磁顶值、快速响应的励磁调节系统，可以保证当系统发生故障而使发电机端电压低于(85%～90%)时，能快速而大幅度地增大励磁电流，以迅速提高发电机的端电压，从而有效地改善系统的暂态稳定性。电压控制无功分配提高稳定强行励磁强行减磁二、同步发电机励磁自动控制系统的基本任务GIEFUGIGEqIGUGdQGqdQGqdGGqXIUEXIUEXIjUEcosIEF1UGUG2UGNIQIEF2IQ2IQ1EqUGIGIQIP负荷中的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因。同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持端电压在给定水平的。（一）电压控制(1)单机运行时即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。（2）当发电机并入电力系统运行时发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无功电源发出的无功功率总和与系统中负荷所消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。当电力系统容量无穷大时，系统电压为恒定值。改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水平就一点影响也没有了。下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：GXqBL()UUIXXqXqdBLEUIXXX——变压器漏抗和输电线路电抗归算值(归算到发电机电压等级下)；—电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值。BXLXXUBUGqqdUEIX而所以通过调节发电机励磁电流来改变发电机感应电势Eq,可以改变发电机输出的无功电流Iq，从而调节发电机端电压UG和变压器高压侧电压UB，或维持它们在给定的范围内.如发电机直接接入无穷大电力系统，即XB=0，XL=0，则发电机端电压等于系统电压，并随系统电压的变化而变化，此时发电机励磁调节系统不再有调节发电机端电压的作用。BXqLUUIX由以上分析可知：同步发电机励磁控制系统对发电机端电压的调节控制作用是与接入系统容量的大小有关，接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，通常在由一台发电机供电的小系统中，仅靠发电机的励磁控制系统对发电机端电压的调节作用，就能满足系统对电压质量的要求。注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较小罢了。GIGUG=ConstantEqUGIGIQIPconstantXUEPconstantIUPdGqGGGGsincosconstantEconstantIqGsincos发电机励磁电流的变化改变了机组的无功功率和功率角的大小。调节与无限大母线并联运行的机组的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。（二）控制无功功率的分配(1)发电机无功功率的控制原理以同步发电机接于无穷大电力系统为例说明发电机无功功率的控制原理。在实际运行中，与发电机并联的电力系统并不是真正意义上的无穷大系统，系统电压UG将随系统负荷的变化而变化。发电机输出的无功功率不仅与发电机的励磁电流IEF有关，还与发电机的端电压UG(即系统电压UX)有关，并且也影响与之并联运行机组输出的无功功率。同步发电机的励磁自动控制系统还承担着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。(2)合理分配并联运行发电机间的无功功率。当多台同步发电机接于同一母线并联运行时，系统所取用的无功功率由这多台发电机共同承担。根据负荷变化的需要，当系统所取用的无功功率发生变化时，并联运行的各发电机输出的无功功率是如何分配的呢？下面以两台发电机并联运行为例，分析无功功率的分配情况。如图(a)所示，UM为母线电压，Iq1、Iq2分别为发电机G1、G2输出的无功电流，Iq为系统所取用的无功电流，二者之间的关系如下：qq1q2III并联运行的各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性，如图(b)所示。当母线电压为UM1时，发电机G1所发出的无功电流为Iq1，G2所发出的无功电流为Iq2，并有Iq1Iq2。从图中可看出：当电网的无功负荷增加时，由于两台发电机的外特性不同，造成它们无功电流的变化亦不相同，即，改变了负荷增加前两台发电机无功电流分配的比例。外特性斜率相差越大，其改变程度也越大。q1q2II在实际运行中，为了合理利用发电机组的容量，希望各台发电机应按照其额定容量的大小成比例的分配其输出的无功电流。从以上分析可以看出，只要并联发电机的特性完全一致时（为发电机无功电流与其无功电流额定值的比值)，才能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。将并联运行且容量不同的发电机组直接做成相同的特性是不可能的。在发电机自动励磁调节系统中有一个形成发电机外特性的环节—----调差环节，通过它可以改变发电机的外特性，很容易地做到使并联运行发电机组的外特性都一致，从而达到并联机组间无功负荷合理分配的目的。*GqUI*qI*GqUI静态稳定暂态稳定电力系统的稳定电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能否过渡到一个新的稳定运行状态、或者恢复到原来运行状态的能力。电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。（三）提高同步发电机并联运行的稳定性sinXUEPqGPPsinXUUPGG1励磁对静态稳定的影响GU=ConstantUGSystem内功率特性外功率特性2励磁对暂态稳定的影响PPG0badcF123PGmax*0.750.700.650.500.3500.20.40.60.8Te(s)K=4K=1K=2PGmax*0.750.700.650.500.3501234KTe=0.1STe=0.8S要使励磁系统在短暂过程中完成符合要求的控制必须要求励磁系统具备快速响应的条件。为此，一方面缩小励磁系统的时间常数，另一方面尽可能提高强行励磁的倍数。(四)强行励磁以改善电力系统运行条件1改善异步电动机的自启动2为异步发电机运行创造条件3提高继电保护工作的准确性短路切除后的电压恢复二、同步发电机励磁自动控制系统的基本任务(五)水轮发电机强行减磁当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度，所以，在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。二、同步发电机励磁自动控制系统的基本任务维持电压水平和无功的合理分配控制能力和调节范围快速反应能力高度的可靠性快速性结构简单，易于维护足够的阻尼能力三、同步发电机励磁系统设计的基本要求1、励磁调节器任务要求迅速响应输入信息变化时间常数小准确调节发电机电压自然调差系数精确合理分配无功功率电压调差系数范围大人工稳定区域运行无失灵区迅速反映系统故障励磁控制功能励磁调节器的主要功能是检测和综合系统运行状态的信息，经相应处理后，产生控制信号，控制励磁功率单元，以得到所要求的发电机励磁电流。2、励磁功率单元任务要求调节系统电压和本身无功可靠性、调节容量较强励磁能力頂值电压快速响应能力电压上升速度发电机励磁功率单元向同步发电机提供直流电流，除自并励励磁方式外，一般是由励磁机担当的。一、同步发电机励磁系统类型励磁系统直流励磁机交流励磁机静止励磁第二节同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统由发电机及其励磁系统组成的反馈自动控制系统.发电机励磁系统由自动励磁调节器及励磁功率单元组成。交流电源整流器励磁系统的整流电路整流电路三相桥式不可控三相桥式半控三相桥式全控静止式:整流元器件是放在地面上静止不动的旋转式:整流元器件是和发电机转子同轴旋转的第二节同步发电机励磁系统二、励磁系统的历史直流励磁机励磁系统机械整流子在换流方面遇到了困难，且大功率半导体整流元件制造工艺的日益成熟。交流励磁机励磁系统(交流发电机和半导体整流元件组成)静止励磁系统(发电机自并励系统)为了缩短主轴长度，降低造价，减少环节。同步发电机励磁自动控制系统基本构成及分类示意图三、直流励磁机励磁系统（100MW以下）按励磁机的励磁绕组供电方式的不同自励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机励磁系统1自励直流励磁机励磁系统DE=G励磁调节器IAVRILLIEEIEFR励磁机EX和发电机G同轴，靠剩磁建立电压。励磁机发出的电流，一部分(IEF)送给发电机的励磁绕组；一部分(IEE)经过磁场变阻器R送给励磁机的励磁绕组。由于励磁机向它自己提供励磁电流，故称为自励。EX自励：R→IEE→UEF励磁机→发电机它的励磁电流控制由两种途径实现：一是通过人工调节励磁机磁场电阻来改变励磁机的励磁电流IEE，从而达到人工调整发电机励磁电流的目的，实现对发电机励磁电流的手动调节。二是通过自动励磁调节器对励磁机的励磁电流IAVR自动调节，从而实现对发电机励磁电流的自动调节。2他励直流励磁机励磁系统G励磁调节器IEEIR=IE=IAVRPEDE它与自励的不同之处在于直流励磁机的励磁电流是由另一台与发电机同轴的副励磁机供给，故称他励。他励直流励磁机时间常数小。他励：REE→IEE→UEF副励→主励→发电机特点：优点：控制方便缺点：有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护应用：中小容量机组（≤100MW）旧型机组直流励磁机励磁系统四、交流励磁机励磁系统（100MW以上）交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同可分为以下几种。他励交流励磁机励磁系统自励交