电力系统自动化第二章 同步发电机励磁自动控制系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章 同步发电机励磁,自动控制系统,1,本章内容,2.1 概述,2.2 同步发电机励磁系统,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,2.4 励磁调节器原理,2.5 励磁系统稳定器,2.6 电力系统稳定器,2,第一节 概述,3,2.1 概 述,本节内容：,同步发电机励磁自动控制系统的组成,励磁控制系统的基本任务,对励磁系统的基本要求,4,一、同步发电机励磁自动控制系统组成,2.1 概 述,5,一、同步发电机励磁自动控制系统组成,2.1 概 述,6,二、励磁控制系统的基本任务,电压调节,无功分配,提高发电机运行稳定性,改善电力系统运行条件,水轮发电机组要求实现强行减磁,2.1 概 述,7,1. 电压调节,单机运行:,2.1 概 述,8,一般 很小，可近似认为 ，于是，可得简化的运算式为,上式说明，负荷的,无功电流,是造成发电机电势和端电压幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者之间的差值也越大。,1. 电压调节,2.1 概 述,9,励磁,不变,励磁,增加,曲线1：,不变,曲线2：,不变,1. 电压调节,2.1 概 述,10,2. 无功功率的分配,（1）发电机与无穷大系统母线并联, 接线图, 解析式,系统,A,B,2.1 概 述,11, I,EF,对无功功率的控制,2. 无功功率的分配,2.1 概 述,12,（2）并联运行的发电机间的无功功率分配, 无励磁调节,G,1,G,2,I,G,U,G,I,Q,2,I,Q,1,U,m,1,U,m,2,I,Q,2,I,Q,1,2. 无功功率的分配,2.1 概 述,13, 有励磁调节,G,1,G,2,I,G,U,G,I,Q,2,I,Q,1,U,m,1,U,m,2,I,Q,1,I,Q,2,2. 无功功率的分配,（2）并联运行的发电机间的无功功率分配,2.1 概 述,14,3. 提高同步发电机并联运行稳定性,（1）稳定性的概念,静态稳定：小干扰后恢复到原状态；,（如：负荷波动）,暂态稳定：大干扰后恢复到原状态或新状态；,（如：系统故障）,2.1 概 述,15,励磁自动控制系统是通过改变励磁电流 从而改变空载电动势 值来改善系统稳定性的。,（2）励磁对静态稳定的影响,系统总电抗，一般为发电机，两变压器，输电线电抗之和；,发电机空载电动势 和受端电压 间的相角。,3. 提高同步发电机并联运行稳定性,2.1 概 述,16,3.提高同步发电机并联运行稳定性,2.1 概 述,17,励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极限功率。,3.提高同步发电机并联运行稳定性,2.1 概 述,18,（3）励磁对暂态稳定的影响,3.提高同步发电机并联运行稳定性,2.1 概 述,19,功角特性曲线I：对应于故障前双回线运行；,功角特性曲线II：对应于一回线故障时的运行状况；,功角特性曲线III：对应于故障切除后一回线运行。,加速面积abce小于减速面积defg，系统是暂态稳定的。,3.提高同步发电机并联运行稳定性,2.1 概 述,20,故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势 上升而增加电功率输出，使 增加，功角特性曲线II和功角特性曲线III幅值增加，既减小了加速面积，又同时增加了减速面积。,快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数,3.提高同步发电机并联运行稳定性,2.1 概 述,21,改善异步电动机的自起动条件,为发电机异步运行创造条件,提高继电保护装置工作的正确性,2.1 概 述,4.改善电力系统的运行条件,5.水轮发电机组要求强行减磁,22,三、励磁系统的任务与要求,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,2.1 概 述,23,2.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,三、励磁系统的任务与要求,2.1 概 述,24,第二节 同步发电机励磁系统,25,同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。,2.2 同步发电机励磁系统,26,（一）自励直流励磁机励磁系统,发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电,调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流,（二）他励直流励磁机励磁系统,他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台副励磁机,2.2 同步发电机励磁系统,一、直流励磁机励磁系统,27,二、交流励磁机励磁系统,(一)他励交流励磁机励磁系统,2.2 同步发电机励磁系统,28,（二）无刷励磁系统,2.2 同步发电机励磁系统,29,（1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。,（2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。,（3）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。,2.2 同步发电机励磁系统,（二）无刷励磁系统,30,（4）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测（如转子电流、电压，转子绝缘等），必须采用特殊的测试方法。,（5）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。,（6）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。,2.2 同步发电机励磁系统,（二）无刷励磁系统,31,三、静止励磁系统（发电机自并励系统）,2.2 同步发电机励磁系统,32,静止励磁方式的主要优点：,（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。,（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，减小基建投资。,（3）直接用晶闸管控制转子电压，励磁电压响应速度快。,（4）由发电机机端取得励磁能量。机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系统输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。,2.2 同步发电机励磁系统,三、静止励磁系统（发电机自并励系统）,33,第三节励磁系统中转子磁场,的建立和灭磁,34,建立：,事故情况下，系统母线电压极度降低，系统无功缺额很大，要求有关的发电机转子磁场迅速增强，以弥补系统无功缺额，使系统迅速恢复正常。,两个指标：,转子励磁电压的最大值，磁场建立的速度，即,强励顶值,与,响应比,。,灭磁：,发电机绕组内部故障等，使转子磁场内存储的大量能量迅速消释，而不致在发电机内产生危险的过电压。,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,35,（一）他励直流励磁机时间常数,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,一、时间常数,36,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,（一）他励直流励磁机时间常数,37,（二）自励直流励磁机时间常数,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,38,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,（二）自励直流励磁机时间常数,39,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,40,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,41,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,42,电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,二、电压响应比,43,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,44,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,45,励磁系统电压响应时间:,指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95所花费的时间。励磁系统电压响应时间为或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统。,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,46,所谓,灭磁,就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到最小程度。,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁,47,用断开转子回路的办法来灭磁是不恰当的，因为励磁绕组是一个大电感。,灭磁方法：,将转子励磁绕组自动接到放电电阻。,要求：,1.灭磁时间短,2.灭磁过程中转子电压不应超过允许值,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,48,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,49,理想的灭磁过程，就是在整个灭磁过程中始终保持转子线圈GEW的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,四、理想的灭磁过程,50,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,51,利用晶闸管的有源逆变特性来进行转子回路的快速灭磁。,保证逆变过程不致 “颠覆” ：,逆变灭磁过程是一个理想的灭磁过程,剩余磁场能量向并联的电阻放电,2.3 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,五、交流励磁机系统的逆变灭磁,52,第四节 励磁调节器原理,53,励磁调节器是一个闭环比例调节器,。,输入量：,发电机电压,输出量：,励磁机的励磁电流或是转子电流，通称为,功能：,一是保持发电机的端电压不变；其次是保持并联机组间无功电流的合理分配。,2.4 励磁调节器原理,一、自动调节器的概念和基本框图,54,2.4 励磁调节器原理,人工不断调整 的大小，以达到维持其端电压不变的目的。,人工在调压过程中的作用可用图2-23中的ab线段来表示。,人工和发电机形成了一个“封闭回路”。,55,2.4 励磁调节器原理,56,2.4 励磁调节器原理,57,1、,基本环节,：测量、放大、同步、触发，实现电压调节和,无功功率分配等最基本的调节功能。,2、,辅助控制,：是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定 性，改善励磁控制系统动态特性而设置的单元。,3、当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控单元投入。,2.4 励磁调节器原理,58,（一）测量比较单元,作用：,测量发电机电压并变换为直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。,测量比较单元由,电压测量,、,比较整定环节,组成,。,2.4 励磁调节器原理,二、励磁调节器原理,59,2.4 励磁调节器原理,60,2.4 励磁调节器原理,电压测量是将机端三相合成电压,降压,、,整流,、,滤波,后转换成一正比于发电机电压的直流电压。,1. 电压测量,61,2.比较整定电路,2.4 励磁调节器原理,62,2.4 励磁调节器原理,63,电位器,R,5,用作最小电压整定,电位器,R,8,用作电压调节范围整定,电位器,R,14,用作运算放大器,AJ,的增益系数的调整,2.4 励磁调节器原理,3.比较整定电路的整定,64,输入控制信号：,1.被调量控制量： （正常情况）,2.反馈控制量：励磁系统稳定信号、电力系统稳定信号（正常情况）,3.限制控制量：最大、最小励磁限制信号（异常情况）,2.4 励磁调节器原理,（二）综合放大单元,65,综合放大单元原理接线图由,正竞比电路,，,负竞比电路,、,信号综合放大电路,和,互补输出电路,组成。,（1）正竞比电路。,它由 所组成。,2.4 励磁调节器原理,66,2.4 励磁调节器原理,67,2.4 励磁调节器原理,68,2.4 励磁调节器原理,69,2.4 励磁调节器原理,70,2.4 励磁调节器原理,71,2.4 励磁调节器原理,移相触发单元是励磁调节器的输出单元，它根据综合放大单元送来的综合控制信号的变化，产生触发脉冲，用以触发功率整流单元的晶闸管，从而改变可控整流柜的输出，达到调节发电机励磁的目的。,（三）移相触发单元,72,2.4 励磁调节器原理,图2-31 移相触发单元原理框图,73,励磁调节器由自动励磁（AC）调节器和手动励磁（DC）调节器组成，为双通道结构。,1、正常运行时，AC调节器工作，DC调节器作AC调节器的备用。,2、当AC调节器故障时，由AC-DC自动切换装置控制，将DC调节器投入运行。,3、为了防止AC调节器向DC调节器切换引起冲击，在励磁调节器中还设有DC调节器自动跟踪AC调节器的自动跟随器，可确保切换冲击最小。,2.4 励磁调节器原理,（四）自动手动的自动切换,74,2.4 励磁调节器原理,75,2.4 励磁调节器原理,三、励磁调节器的静态工作特性,76,2.4 励磁调节器原理,图2-35 调节器的静态工作特性,R,P,右移,R,P,右移,77,2.4 励磁调节器原理,78,2.4 励磁调节器原理,79,2.4 励磁调节器原理,80,2.4 励磁调节器原理,81,2.4 励磁调节器原理,82,2.4 励磁调节器原理,83,2.4 励磁调节器原理,84,对自动励磁调节器工作特性进行调整，主要是为了满足运行方面的要求：,保证并列运行发电机组间无功电流的合理分配，即改变调差系数；,保证发电机能平稳地投入和退出工作，平稳的改变无功负荷，而不发生无功功率的冲击现象，即上下平移无功调节特性。,2.4 励磁调节器原理,四、励磁调节器静态特性的调整,85,（一）调差系数的调整,2.4 励磁调节器原理,86,2.4 励磁调节器原理,87,2.4 励磁调节器原理,88,2.4 励磁调节器原理,89,2.4 励磁调节器原理,1、在超高压电力系统中输电线的电压等级很高，此时，输电线的电容电流也相应增加。,当线路输送功率较小时，线路的容性电流引起的剩余无功功率使系统电压升高，以致超过允许的电压范围。使发电机进相运行吸收剩余无功功率是一个比较经济的办法。,五、自动励磁调节器的辅助控制,90,2.4 励磁调节器原理,2、发电机进相运行时，容许吸收的无功功率和发出的有功功率有关。,此时发电机最小励磁电流值应限制在发电机静态稳定极限及发电机定子端部发热允许的范围内。,为此，在自动励磁调节器中设置了,最小励磁限制,。,91,2.4 励磁调节器原理,3、对大容量发电机组由于系统稳定的要求，励磁系统应具有高起始响应特性这对于带有交流励磁机的无刷励磁系统而言，必须采取相应措施才能达到高起始响应特性。,这些措施之一是提高晶闸管整流装置电压，使发电机励磁顶值电压大大超过其允许值。励磁电流过大，超过规定的强励电流会危及发电机的安全，为此，在调节器中必须设置瞬时电流限制器以限制强励顶值电流。,92,2.4 励磁调节器原理,对励磁调节器这些新功能的要求，由调节器的辅助控制去完成。辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是，,辅助控制不参与正常情况下的自动控制,，仅在发生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时，通过信号综合放大电路中的竞比电路闭锁正常的电压控制使相应的限制器起控制作用。,93,2.4 励磁调节器原理,自动励磁调节器中常用的几种励磁限制功能简述,（一）最小励磁限制（ “欠励磁限制”）,1、静态稳定极限的限制,发电机欠励磁运行时，发电机吸收系统的无功功率，这种运行状态称为进相运行。发电机进相运行时受静态稳定极限的限制。,以单机无限大系统为例来讨论电力系统静态稳定极限的问题。,94,2.4 励磁调节器原理,95,2.4 励磁调节器原理,96,2.4 励磁调节器原理,97,2.4 励磁调节器原理,98,2.4 励磁调节器原理,99,2.4 励磁调节器原理,100,2、防止发电机定子端部过热,在相同的视在功率和相同的端部冷却条件下，发电机随着功率因数由滞相向进相转移，发电机定子端部漏磁磁密值相应增高，这将引起定子端部元件的损耗发热也趋向严重。因此，随着发电机进相程度的增大，要维持发电机端部元件的温度不超过允许值，其出力便要相应的降低。显然，,防止定子端部过热，是发电机进相运行深度的一个限制因素。,2.4 励磁调节器原理,101,3、留有适当的裕量,在P-Q平面上，绘制出发电机运行容量曲线和临界失步曲线，再在两曲线围定的公共区域内留有适当的裕量，整定一条最小励磁限制线，如图2-44所示。,欠励限制器的任务就是确保在任何情况下，将发电机的功率运行点（P、Q）限制在这条最小励磁限制线之上。,2.4 励磁调节器原理,102,最小励磁限制器首先检测发电机的现行功率运行点（P、Q），并与最小励磁限制线加以比较，若现行功率运行点高于最小励磁限制线，则输出一个负值电压，其电位低于综合信号放大器正竞比门的其他输入，最小励磁限制器的输出被封锁，不起作用；若功率开关运行点低于最小励磁限制线，则输出正电压，其电位高于综合信号放大器正竞比门的其他输入，欠励限制信号起作用，迫使功率运行点（P、Q）上移或不再下移。在最小励磁限制起作用期间，最小励磁限制器承担了调节励磁的任务。,2.4 励磁调节器原理,4、输出到正竞比端,103,1、唯有采用高励磁顶值的方法才能提高励磁机输出电压的起始增长速度,由于电力系统稳定的要求，大容量发电机组的励磁系统必须具有高起始响应的性能。交流励磁机-旋转整流器励磁系统（无刷励磁）在通常情况下很难满足这一要求。,2、输出到负竞比端,励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁机的励磁电流，一旦该值超过发电机允许的强励顶值，限制器输出立即由正变负。,2.4 励磁调节器原理,（二）瞬时电流限制,104,2.4 励磁调节器原理,105,2.4 励磁调节器原理,106,（三）最大励磁限制,最大励磁限制是为了,防止发电机转子绕组长时间过励磁,而采取的安全措施。,（四）V/Hz（伏/赫）限制器,V/Hz（伏/赫）限制器，用于,防止发电机的端电压与频率的比值过高，,避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起的过热。,2.4 励磁调节器原理,107,表2-1 不同励磁电压的允许时间,2.4 励磁调节器原理,108,最大励磁限制器反时限,2.4 励磁调节器原理,109,第五节 励磁系统稳定器,110,励磁自动控制系统动态特性是指在较小的或随机的干扰下，励磁自动控制系统的时间响应特性，他可以用线性方程组来描述，分析这些问题的方法有经典的,传递函数法,及现代的,状态变量法,两种。,2.5 励磁系统稳定器,111,一、励磁自动控制系统响应曲线的一般讨论,2.5 励磁系统稳定器,112,2.5 励磁系统稳定器,113,二、励磁控制系统的传递函数,在第二节中我们讨论了同步发电机的励磁系统，励磁方式多种多样。,2.5 励磁系统稳定器,114,2.5 励磁系统稳定器,115,2.5 励磁系统稳定器,116,（二）励磁调节器各单元的传递函数,励磁调节器主要由电压测量比较、综合放大及功率放大等单元组成。,电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。其时间常数要取决于滤波电路的参数。数值通常在之间。,2.5 励磁系统稳定器,117,2.5 励磁系统稳定器,118,2.5 励磁系统稳定器,119,2.5 励磁系统稳定器,120,2.5 励磁系统稳定器,121,三、励磁自动控制系统的稳定性,（一）典型励磁控制系统的稳定计算,设某励磁控制系统的参数如下：,2.5 励磁系统稳定器,122,2.5 励磁系统稳定器,123,2.5 励磁系统稳定器,124,2.5 励磁系统稳定器,125,2.5 励磁系统稳定器,126,2.5 励磁系统稳定器,127,2.5 励磁系统稳定器,128,（二）励磁控制系统空载稳定性的改善,要想改善励磁控制系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点间根轨迹的射出角，使之只处于虚轴的左半平面。为此必须增加开环传递函数的零点，使渐进线平行于虚轴并处于左半平面。,2.5 励磁系统稳定器,129,2.5 励磁系统稳定器,130,由于,图2-66,的根轨迹可见，引入电压速率反馈后，由于增加了一对零点，把励磁系统的根轨迹引向左半平面，从而使控制系统的稳定性大为改善。,在发电机的励磁控制系统中，一般都附有励磁控制系统稳定器，作为改善发电机空载运行稳定性的重要部件。这种方法是,将发电机转子电压（或励磁机励磁电流）微分再反馈到综合放大单元的输入端参与调节,。,这种并联校正的转子电压负反馈网络称为励磁稳定器，,由于它有增加阻尼，抑止超调和消除振荡的作用，故又称为,阻尼器,。,2.5 励磁系统稳定器,131,第六节 电力系统稳定器,132,电力系统运行的,稳定问题与同步发电机受到干扰后的特性有关,。一个稳定的电力在受到干扰时，系统内的同步发电机经过一段动态过程后，或者回到原始运行状态；或者逐渐达到一个新的运行状态，而不致失去同步。,电力系统稳定一般专指有转子角差的振荡过程的稳定问题。,电力系统中也有不包含转子角差的振荡过程。凡是不包含转子振荡的一般都不属于电力系统稳定的范畴。,电力系统稳定又分为暂态稳定与动态稳定。,2.6 电力系统稳定器,133,2.6 电力系统稳定器,一、同步发电机的动态方程组,134,2.6 电力系统稳定器,135,2.6 电力系统稳定器,136,二、励磁调节器与电力系统稳定问题,2.6 电力系统稳定器,137,2.6 电力系统稳定器,138,2.6 电力系统稳定器,139,