电力系统自动装置原理-第3章

第3章同步发电机励磁自动控制系统小节导航12345小结第1节概述一、同步发电机励磁控制系统的组成二、同步发电机励磁控制系统的作用或任务⒈电压控制⒉控制无功功率的分配⒊提高同步发电机并联运行的稳定性（①静态稳定②暂态稳定）⒋改善电力系统的运行条件⒌水轮发电机组的强行减励三、对励磁系统的基本要求⒈对励磁调节器的要求⒉对励磁功率单元的要求转第2节小节导航12345小结同步发电机励磁控制系统的组成①励磁调节器：根据测量的信息和给定的调节准则控制下一单元的输出。②励磁功率单元：向同步发电机转子提供直流励磁电流。③发电机：调节对象（控制对象）。其中，①和②构成励磁系统。返回电压控制UG=EqjxdIGUG=Eqcos-xdIGcos(-)=Eqcos-xdIGsin=Eqcos-xdIQEqxdIQ（当较小时）无功负荷电流IQ主要造成了Eq与UG间的幅值差，IQ越大，幅值差越大。返回jxdEqIGUGUGEqIGjxdIGGIQ参考相位GUEF+GEWIEFUGIGUGIQIEF1IEF2UG2UGeIQ1IQ2由外特性，当励磁电流一定时，UG随IQ的增大而下降。若IQ太大造成UG过小，满足不了运行条件，则需通过励磁控制系统增加励磁电流，从而增大Eq，以使UG上升到满足运行条件；若IQ太小，造成UG过大，则需减小励磁电流，从而减小Eq，使UG下降到满足运行条件。控制无功功率的分配UGEqIGjxdIG参考相位IGcos=k1线Eqsin=k2线设机端电压恒定。正常情况下，发电机机械输入功率Pm和电磁输出功率PG维持相等，Pm只受调速器的控制，与励磁电流大小无关。在此可令Pm维持恒定，因而发电机发出的有功功率也为常数，即：PG=UGIGcos=常数（为功率因数角）(1)又，若忽略发电机定子电阻和凸极效应，则发电机发出的有功功率为：PG=EqUG/xdsin=常数（为发电机的功率角）(2)由（1）和（2）知：IGcos=k1（常数）Eqsin=k2（常数）另，发电机发出的无功功率为：QG=UGIGsin=UGk1tg或QG=[EqUGcosUG2]/xd=k2tg-UG2/xd结论：虽然IEF改变使Eq、及发生了变化，但仍可使PG维持恒定，而QG随之调节，即在调节励磁时，一方面可以维持PG恒定，另一方面又可改变发电机承担的无功功率。因此，在多机系统中，可以通过调节励磁电流来实现并联运行发电机组间无功功率的合理分配。返回提高静态稳定性返回jxlEqIGUGjxdU以单机无穷大系统为例分析。发电机输出的有功功率（功率或功角特性）为：PG=EqUsin/x=Pmaxsin当Eq（与励磁电流相对应）和U固定时，PG是的正弦函数。因此，调节励磁电流，改变Eq，使发电机的有功功率特性得到改变，从而改善系统的有功静态传输能力。对于按参数偏差量的比例进行调节的励磁控制系统，在测量单元无失零区时，功角特性一般只能近似达到以Eq恒定的特性曲线，此时功率极限角大于90（参见P47图3-7）。以单机无穷大系统为例分析。图中，曲线III对应于故障后采取强励的功角特性。（利用等面积法则进行分析）限制励磁对暂稳作用的因素：励磁系统的时间常数和强励倍数。只有当励磁系统既有快速响应特性又有高的强励倍数时，才对改善电力系统的暂态稳定性有明显的作用。提高暂态稳定性返回δPPmⅠⅡⅢo改善电力系统的运行条件①加速短路切除后的系统电压恢复过程，并就此改善异步电动机的自启动条件②为发电机异步运行和自同期并列创造条件③提高继电保护装置工作的正确性返回•电网短路电压降低电动机处于制动状态•短路切除后，电动机的自启动需吸收大量无功功率延缓了电压恢复过程•发电机强励加速电压恢复返回改善运行条件①A.失磁或低励发电机从系统吸收大量无功功率系统电压大幅降低严重时危及安全运行。此时，系统其它机组增加励磁提供足够的无功功率维持系统电压失磁或低励发电机在一定时间内异步运行（确保系统安全运行和有利于机组热力设备的运行）。B.系统有功功率发生缺额时，备用水轮机组自同期投入吸收大量无功功率系统电压突然降低系统中其它机组应迅速增加励磁保证电网电压恢复和缩短机组并列过程。改善运行条件②返回系统低负荷运行时，发电机的励磁电流不大。若此时系统发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致于带时限的继电保护不能正确工作。这时，可增加励磁，从而增加短路电流，使继电保护正确工作。改善运行条件③返回水轮发电机组的强行减励水轮发电机组发生故障突然跳闸时，调速系统不能迅速关闭导水叶（惯性作用的结果），致使转速急剧上升，如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（在励磁电流一定时，转子转速上升，定子绕组切割磁力线的速度加大，从而使Eq增大。）返回对励磁调节器的要求①正常运行时，能反映发电机组的电压高低并维持其在给定水平、能合理分配机组间的无功功率及实现无功功率的转移；②对远距离输电的发电机组，为能在人工稳定区域运行（增加静稳传输能力），要求无失灵区；③能迅速反映故障，具备强励功能，以提高暂稳水平和改善系统运行条件；④时间常数小，反应迅速。返回对励磁功率单元的要求①具有足够的可靠性和调节容量，以适应各种工况的需要；②具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。励磁顶值电压UEFq：强励时励磁功率单元可能提供的最高输出电压值。强励倍数：励磁顶值电压UEFq与额定工况时的励磁电压UEFe之比（视制造和成本，常取1.6~2）。励磁电压上升速度：衡量励磁功率单元动态行为（快速响应能力）的指标。具体指标有两种，即励磁电压响应比和响应时间。返回励磁电压响应比G=励磁电压响应比=（绝对量）励磁电压响应比=（相对量）(斜线下的面积增量与曲线下的面积增量相等）UEFeUEF(V)t(s)0.5abcdUEFq返回通常，将励磁电压在最初0.5秒内上升的平均速率定义为励磁电压响应比。具体求法为：因为励磁电压曲线下的面积增量对应于该时间段内转子磁通量的增量，即tEFdttUkΔΔ0)(1cbUUtΔtUUUbbcΔ响应时间在规定条件下，励磁电压达到顶值电压与额定电压之差的95的时间。若该时间为0.1秒或更小时，则称高初始响应励磁系统。返回第2节同步发电机励磁系统一、同步发电机励磁系统的分类二、直流励磁机系统（靠剩磁建立电压）⒈自励⒉它励⒊特点三、交流励磁机系统⒈自励⒉它励四、静止励磁（自并励）系统转第3节小节导航12345小结励磁系统的分类①直流励磁机系统：由与发电机同轴的直流发电机供给励磁电流。它靠机械整流子换向整流，当励磁电流过大时，换向就很困难，故只适合于10万kW以下中小容量的同步发电机组。②交流励磁机系统：由与发电机同轴的交流发电机和半导体整流元件供给励磁电流，它适合大容量同步发电机（10万kW以上）。其中，交流发电机的频率和电压需特殊设计，频率一般为100Hz或更高。③静止励磁（自并励）系统：由同步发电机自身作为励磁电源（静止），使发电机组主轴缩短，降低了造价，被推荐用于大型发电机组，尤其适合于水轮机组。返回自励直流励磁机系统IEE=IRC+IAVR从IRC的角度看，属自励方式。IEE中IAVR只占一部分，使励磁调节器的容量得到减小，特别适合功率放大系数较小、由电磁元件组成的励磁调节器。返回励磁调节器EWDEEEWTVIEEIAVRIRCRC励磁机磁场电阻G它励直流励磁机系统PE、DE和G同轴。励磁单元的时间常数仅为励磁机励磁绕组（EEW）的时间常数，与自励方式相比，时间常数减小了，即提高了励磁系统的电压增长速度。这种方式一般用于水轮发电机组。返回励磁调节器EWDEEEWTVIEEIRCRCPEIAVRG直流励磁机系统的特点①直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护量大，是最薄弱环节。②励磁调节器常为电磁型，它以磁放大器为功放和综合信号的元件，速度较慢，但工作较可靠。返回自励交流励磁机系统①静止可控整流方式√②静止硅整流方式√返回静止可控整流方式自励交流励磁系统•AE起励电压较高，依靠剩磁无法起励，须外加起励电源，直至AE的输出电压足以使自励恒压元件正常工作时，起励电源方可退出。•AE的励磁采用可控硅自励恒压方式。它总是工作于顶值电压，因而AE容量较大。AVR为半导体励磁调节器，时间常数很小，响应速度快。返回AVREWTVVS~AE自励恒压元件TR电压起励元件起励电源滑环G静止硅整流方式自励交流励磁系统•AE自励回路对励磁控制系统的动态响应有影响，与静止可控整流方式相比，响应速度较慢。返回AVREWTV~TR电压起励元件起励电源VSAEG它励交流励磁机系统①静止整流方式√②旋转整流方式（无刷励磁）√返回静止整流方式它励交流励磁系统•交流中频副励磁机的起励电压较高，它也需要外加起励电源。•缺点：加长了发电机主轴长度；副励磁机和自励恒压调节器的故障均可使发电机组失磁（解决办法之一：副励磁机以永磁发电机充当）；当发电机容量增大后，转子电流相应增大，给滑环的正常运行和维护带来困难。返回AVRTVVSVS~AE~自励恒压调节起励电源磁场开关TA100Hz400Hz交流副励磁机G旋转整流方式它励交流励磁系统•副励磁机为永磁发电机，其磁极旋转，电枢静止；交流励磁机正相反，即磁极静止，电枢旋转。副励磁机的磁极（N和S）、AE的电枢、硅整流元件GZ和EW均在同一根轴上同步旋转，它们之间无需任何滑环和电刷等接触元件。•优缺点√返回AVRTVVS~AE~磁场开关TA永磁发电机NS旋转元件GGZEW无刷励磁系统的优缺点•优点：无整流子、滑环和电刷，减少了维护，提高了可靠性；无接触部件的磨损，故无炭粉和铜末引起的电机线圈的污染，从而绝缘的寿命较长。•缺点：与转子回路连接的旋转元件无引线输出，因而不易检测和监视各种信息；无法采用传统的灭磁装置灭磁；可靠性要求较高；响应速度较慢（通过励磁机转子采用叠片结构、减小绕组电感、增加励磁机励磁绕组顶值电压、引入转子电压深度负反馈等措施减小励磁机的等值时间常数）。返回静止励磁（自并励）系统•优点√•疑虑与解决√返回AVREWTVVSTR起励元件起励电源G静止励磁（自并励）系统的优点•取消了励磁机，设备和接线简单，可靠性得到提高；缩短了机组长度，降低了造价；调节速度很快。返回静止励磁（自并励）系统的疑虑与解决•疑虑：发电机近端短路时是否满足强励要求，机组此时是否会失磁；由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否会拒绝动作。•解决：在短路刚开始的0.5秒内，自励方式与它励方式的励磁很接近，因此只需配合快速保护，并适当提高强励倍数，这种方式是可以采用的；至于带时限的继电保护，也可以采取一些措施加以解决返回第3节励磁系统的整流电路一、整流电路的分类二、三相桥式不可控整流电路三、三相桥式半控整流电路四、三相桥式全控整流电路1.电路2.整流关系3.逆变关系4.外特性转第4节小节导航12345小结整流电路的种类1．按整流输入的交流信号利用的波形分（半波与全波整流）2．按整流输入的交流信号的相数分（单相、三相、六相与十二相整流）3．按整流电路器件的构成类型分（不控、全控与半控整流）4．按整流电路结构类型分（桥式整流、非桥式整流、多重化）5．励磁系统中常用的整流电路•同步发电机转子励磁回路常采用三相桥式不可控或全控整流电路•励磁机励磁回路常采用三相桥式半控或全控整流电路返回三相桥式不可控整流电路返回135462eaRf+HLUdebec二极管元件导通的顺序为：…6,1,2,3,4,5,6,1…LLLabdUUtdtUtdtuU35.123)()6sin(23)()(62126260其中，UL为线电压的有效值三相桥式半控整流电路返回其中，UL为线电压的有效值晶闸管及二极管元件触发或导通顺序：…6,1,2,3,4,5,6,1…135462eaRf+HLUdebec2cos135.12cos1