电力系统自动化第三版

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Gao Feng, School of EE, SDU,*,第二章 同步发电机励磁自动控制系统,概述,1,2,发电机原理,An electric generator or electric motor that uses field coils rather than permanent magnets requires a current to be present in the field coils for the device to be able to work. (from Wiki),励磁绕组通入直流电，产生磁场，当原动机拖动电机转子旋转时，磁场与定子绕组有相对运动，会在定子绕组感应出交流电势，即定子三相绕组会产生三相交流电势。,一、自动励磁调节系统的概念和构成,3,励磁系统：与同步发电机励磁回路电压,建立,、,调整,及在必要时使其电压,消失,的有关设备和电路。励磁系统一般由励磁,功率单元,和励磁,调节器,两个部分组成,图,2-1,励磁控制系统结构框图,励磁自动控制系统的作用,4,空载电势,发电机,空载电势,决定于励磁电流，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性,;,电力系统在正常运行时,可以通过控制励磁电流来控制电网的,电压水平,和并联运行机组间,无功功率的分配,;,当系统发生故障时,迅速增大励磁电流，可以改善电网的电压水平及,稳定性。,5,同步发电机两种不同的运行方式：,单机运行方式：,与无穷大系统并联方式,特点：机端电压随发电机电流的变化而变化。,特点：机端电压不随发电机电流的变化而变化。,6,控制电压,（,2-1,）,式中，,发电机直轴电抗。,空载电势和机端电压的关系：,（,b,）等值电路,7,图,2-2,同步发电机感应电动势和励磁电流关系,(c),矢量图,发电机感应电动势 与端电压 的幅值关系为,式中,与 间的相角，即发电机的功率角；,发电机的无功电流。,8,一般 很小，可近似认为 ，可得简化的运算式为,（,2-2,）式说明，,负荷的无功电流,是造成 和 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。,由（,2-2,）式可以看出，同步发电机的外特性必然是下降的。当励磁电流一定时，发电机端电压随无功负荷增大而下降。,（,2-2,）,9,图,2-3,同步发电机的外特性,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机端电压为给定水平的。,10,控制无功功率分配,为了分析简便，设同步发电机与无穷大母线并联运行，即发电机的端电压不随负荷大小而变化，是一个恒定的值。,1,、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题,如果发电机的有功功率恒定，即,（,2-3,）,当励磁电流改变时，,11,不考虑定子电阻和凸极效应，发电机功率还可表示为,（,2-4,）,当励磁电流改变时,12,(b),相量图,图,2-4,同步发电机与无限大母线并联运行,由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。,在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，母线的电压将随着负荷波动而改变。,改变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。,13,并联各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性，而上倾的和多于一条水平的外特性都不能起到稳定分配无功电流的作用,。,14,并联运行各发电机间无功功率的分配,图,2-5,并联运行发电机间无功负荷的分配,通常我们希望发电机间无功电流应按机组容量的大小进行,比例分配,，大容量的机组担负的无功增量应相应地大，小容量的机组增量应该相应地小。,只要并联机组的“,U,G ,I,Q*,”,特性完全一致（,I,Q*,为机组无功电流与其无功电流额定值的比值），就能使得无功负荷在并联机组间进行,比例分配,。,要作到这一点，单纯地想把参加并联运行的大小发电机组都做成相同的“,U,G ,I,Q*,”,特性是很难实现的，甚至是不可能的，但是,自动调压器,却可以相当容易地作到这一点。,15,系统在扰动后，系统能够恢复到原来的运行状态或者过渡到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的。,通常将电力系统的稳定性问题分为三类：静态稳定（,Steady State Stability,）、和暂态稳定（,Transient Stability,）和动态稳定（,Dynamic Stability,）。,励磁电流直接影响的是 。励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变 值来改善系统稳定性的。,16,提高稳定性,17,励磁对静态稳定的影响,图,2-6,单机向无穷大母线送电,(a),接线图；,(b),等值网络；,(c),相量图,18,发电机的输出功率按（,2-4,）式可以写成,式中,系统总电抗，为发电机，变压器，输电线电抗之和；,发电机空载电动势 和端电压 间的相角。,（,2-5,）,发电机输出有功功率和功率角的关系称为同步发电机的功率特性（或称,功角特性,）。,19,图,2-7,同步发电机的功率特性,众所周知，当 时,即 （如图中,a,点所示），系统是静态稳定的。当 时，即,（如,b,点所示），则是不稳定的。 为稳定的极限情况，最大可能传输的功率极限为,20,实际运行时，为了可靠起见留有一定裕度，运行点总是低于对应功率极限值,。,设,P,0,为实际输出的功率，则把比值,（,2-6,）,在正常运行方式下，按功角判据计算的静态稳定储备系数应为,15,20,；在事故后运行方式和特殊运行方式下，不得低于,10,。,电力系统安全稳定导则（,2001,版）,21,自动励磁控制提高静态稳定性的原理,图,2-8,发电机的几条代表性功率特性,图,2-7,同步发电机的功率特性,Notice,：,通常把大于,90,度的区段称为,人工稳定区,。,自动励磁调节器,按电压偏差调节的放大倍数,愈大，发电机维持机端电压的能力愈强，,Eq,增加愈大，功率特性曲线幅值愈高，发电机稳定极限功率就愈大。,有了自动调节励磁后，如果仍按功率,P,0,运行，则提高了静稳定储备；如果按规定的静稳定储备系数运行，则可增大发电机传输的功率。,由此可见，性能优良的励磁系统，改善了实际的运行功率特性，提高了稳定极限，而且可以扩大稳定区，使同步发电机能在 的区段运行。,22,摆次暂态稳定的基本属性：,在遭受扰动后，如果系统在到达不稳定平衡点之前动能减小到零，则该摆次是暂态稳定的。,要求励磁系统必须具有快速响应能力，以及足够高的强励倍数。,23,励磁对暂态稳定的影响,图,2-9,发电机暂态功角特性曲线,励磁顶值电压,是励磁功率单元在强行励磁时，可能提供的最高输出电压值，该值与额定工况下励磁电压 之比称为,强励倍数,。其值的大小，涉及制造和成本等因素，一般,取,1.6-2,。,提高励磁系统的强励能力，即提高电压强励倍数和电压上升速度，被认为是提供电力系统暂态稳定性最经济、最有效的手段之一。随着继电保护和断路器动作速度的提高，强励对暂态稳定的作用有所减小，因为强励作用的时间缩短了。但强励对远距离输电的发电机仍是十分重要的。,24,25,励磁系统时间常数和强励倍数对暂态稳定的影响,图,2-10,励磁系统时间常数,Te,与暂态稳定极限功率的关系，由图可见在,0.3s,以下时，提高强励倍数,K,对提高暂态稳定极限功率有显著效果。当,Te,较大时，效果就不明显。,图,2-10,时间常数与暂态,稳定极限功率的关系,26,图,2-11,强励倍数与暂态,稳定极限功率的关系,从图,2-11,的强励倍数与暂态稳定极限功率之间的关系中，可以说明当励磁系统既有快速响应特性又有高强励倍数时，才对改善电力系统暂态稳定有明显的作用。,改善异步电动机的自起动条件,27,改善电力系统的运行条件,图,2-12,短路切除后电压的恢复,1-,无励磁自动控制；,2-,有励磁自动控制,为发电机异步运行创造条件,同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度下降，严重时危及系统的安全运行。,在此情况下，如果系统中其它发电机组能提供足够的无功功率维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保系统安全运行而且有利于机组热力设备的运行。,28,提高继电保护装置工作的正确性,当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。,励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短路电流。使继电保护正确工作。,29,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。,30,水轮发电机组强行减磁,对励磁调节器的要求,具有,较小的时间常数,，能迅速响应输入信息的变化。,系统正常运行时，励磁调节器应能维持发电机电压在给定的水平。励磁控制系统的,自然调差率一般在,1,以内,。,励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机,端电压调差率可以在土,10,以内,进行调整。,对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求,励磁调节器没有失灵区,。,励磁调节器应能迅速反应系统故障，,具备强行励磁,等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。,31,二、对励磁系统的基本要求,对励磁功率单元的要求,要求励磁功率单元有足够的,可靠性,并具有一定的,调节容量,。,具有足够的励磁,顶值电压,和电压,上升速度,。,32,第二章 同步发电机励磁自动控制系统,同步发电机励磁系统,33,34,励磁方式的分类,直流,励磁机,交流,励磁机,静止电源,供电,自励,他励,自励,他励,自并励,自复励,一、直流励磁机励磁系统,35,直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励磁方式；,限于换相制约，通常只在,10,万,kW,以下机组中采用。,直流励磁机大多与发电机同轴，它是靠,剩磁,来建立电压的；按,励磁机励磁绕组,供电方式的不同，又可分为,自励式,和,他励式,两种。,自励直流励磁机系统,36,图,2,15,自励直流励磁机系统原理接线图,FLQ,I,RC,LLQ,I,LQ,I,ZTL,Rc,YH,F,励磁调节器,=,L,37,他励直流励磁机系统,I,ZTL,FL,YH,F,L,I,LQ,=,=,励磁调节器,I,RC,图,216,他励直流励磁系统原理接线图,自励与他励的区别,他励比自励多用了一台副励磁机；,他励方式励磁单元的时间常数就是励磁机励磁绕组的时间常数，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率（第三节讨论）。,他励直流励磁机励磁系统,一般用于水轮发电,机组；,自励与他励的区别,直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，从可靠性来说，它又是励磁系统中的薄弱环节。,38,区别,因直流励磁机有整流环，是安全运行的薄弱环节，容量不能制造的很大，故近代,100MW,以上的发电机组都改用交流励磁机系统了。,由于要求励磁系统响应速度很快，所以现在用作,大型机组的交流励磁机系统一般都采用他励的方式,；有交流主励磁机也有交流副励磁机，其频率都大于,50Hz,，一般主励磁机为,100Hz,或更高。,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又可分为以下几种。,39,二、交流励磁机励磁系统,自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统,40,自励交流励磁机系统,图,2-13,自励交流励磁机静止可控整流器励磁接线,41,他励交流励磁机励磁系统,图,2-15,他励交流励磁机励磁系统原理接线,42,图,2-16,永磁式副励磁机系统图,永磁式感应子中频发电机,他励交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统；滑环限值了励磁系统的可靠性的提高。,43,无刷励磁系统,图,2-17,无刷励磁系统原理接线图,无刷励磁系统的性能和特点为：,无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。,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。,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。,44,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，熔断器熔断信号等），必须采用特殊的测试方法。,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。,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。,45,励磁机本身就是可靠性不高的元件，它是励磁系统的薄弱环节致之一，因励磁机故障而迫使发电机退出工作的事故并非鲜见。,故相应出现了不用专门励磁机的励磁方式。,静止励磁系统中发电机的,励磁电源不用励磁机,，而由,机端励磁变压器供给整流装置,。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。,46,三、静止励磁系统,概念：发电机的励磁电源取自于发电机机端，经励磁变压器、晶闸管整流后供给发电机励磁。由于励磁变压器是并联在发电机端的，且发电机向自己提供励磁电源，所以称为自并励励磁方式。,47,自并励励磁方式,图,2-18,自并励励磁方式接线原理图,优点,（从取消励磁机分析）,发电机主轴长度缩短、造价降低、占地减少；,没有了机械转动或机械接触类元件，使用元件数目减少，可靠性增加；,缺点,（从励磁电源取自机端分析）,时间常数较大，使响应速度受到不利影响；,在故障情况下，强励不能充分发挥，发电机不能向系统提供充分的无功功率，这对整个系统的反事故能力是十分有害的。,自并励励磁方式具有明显的优点，被推荐用于大型发电机组，特别是水轮发电机组。国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。,48,自并励励磁的特点,由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否能正确的动作；,对于大、中容量的机组。由于其转子时间常数较大，转子电流要在短路,0.5s,后才显著衰减。因此，在短路刚开始的,0.5s,内自并励励磁方式和他励方式的励磁电流是很接近的，只是在短路,0.5s,后，才有明显的差别。考虑到高压电网中重要设备的主保护动作时间都在,0.1s,之内，且都设双重保护，因此没有必要担心。,49,对于自并励励磁系统的疑惑,自并励励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障的影响，在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的励磁，以致影响电力系统的稳定。,自并励,励磁系统特别适宜用于发电机与系统间有升压变压器的单元接线中。由于发电机引出线采用封闭母线，机端电压引出故障的可能性极小，设计时只需考虑在变压器高压侧三相短路时励磁系统有足够的电压即可。,50,Cont,把发电机电流取出一部分经过整流后作为发电机的励磁电流，这种方式称为复式励磁。,同时从,机端电压和机端电流,取得电源的励磁方式，就是自复励励磁方式。,较自并励方式而言，增加了复励部分，,增大了故障情况下的强励能力,；同时增大了接线的复杂性。,实际应用中，自复励要少于自并励方式。,51,自复励励磁方式,52,53,第二章 同步发电机励磁自动控制系统,转子磁场的建立、强励和灭磁,54,事故情况,下要求发电机转子磁场能够迅速增加，以弥补系统无功功率的缺额。,要使继电器强励的效果能够及时发挥，要求励磁机的时间常数要小；其次磁场的建立速度要快，一般用励磁电压响应比来表示转子磁场建立的快慢。,在某些情况下，为防止因过励磁而产生过电压，要求转子磁场内存储的大量能量迅速消释，称为灭磁问题。,55,他励直流机励磁系统时间常数,56,一、励磁机时间常数,式中 、,励磁机励磁线圈的电阻和电感。,（,2-6,）,图,2-14 (a),他励直流励磁机时间常数计算原理图,57,由式（,2-6,），,I,EE,是按指数曲线增长的，其时间常数为,:,（,2-7,）,由于励磁机电势,U,E,正比于 ， 也是按指数曲线增加的。,自励直流机励磁系统时间常数,58,在这条虚线上任一点的励磁机电势为,图,2-15,自励直流发电机等值特性图,59,对自励励磁机的电势 ，也有,式中,自励直流发电机的残余电势值,励磁机的工作电压值,励磁机的工作电流值,k ,比例常数,于是以式（,2-8,）代入，得,（,2-8,）,60,由此得自励系统时间常数,整理得,（,2-9,）,自励与他励系统时间常数的比较,61,（,2-7,）,（,2-9,）,但自励系统,U,E,的建立过程却是,U,E,与,I,EE,相互作用的结果。图,2-20,说明，对自励系统而言，外加电势只是,E,o,，起励以后，虽然,I,EE,促使,U,E,加大，但 本身的增长，又依靠,U,E,增长后的反作用，它们互相促进，最后稳定在,1,点。由于,I,EE,的增长要依赖于,U,E,的增长，所以，他的上升过程就延长了，其等值时间常数就大为增加。,比较式（,2-7,）与式（,2-9,），由于,k,值比较接近于 ，可以看出他励系统的时间常数 远小于自励系统的时间常数 ，其原因就在于他励系统的电压 的建立过程与 本身无关，它完全是由于外加电动势,E,的作用，即只与励磁线圈的时间常数有关。,自励系统的时间常数比他励系统的大，电压变化过程的惯性比较大，这个结论不仅对直流励磁机适用，对其他的自励系统与他励系统一般的也是适合的。,常规励磁系统一般是指直流励磁机系统，快速励磁系统则是有高频交流励磁机组成的。由于其频率较高，达到同样励磁电压需要磁通量可以大为减少，因而励磁机的时间常数也大为减小。,62,第二章 同步发电机励磁自动控制系统,磁场建立、强励和灭磁,63,当发电机电压因故障降低到约,（,80,85,）,额定值时，希望同步发电机的励磁能迅速上升到顶值。,发电机励磁的速度增大，有利于,继电保护、,系统电压恢复、电机自起动。,机端电压降低时,迅速将励磁增加到顶值,的措施称之为强行励磁，简称强励。,64,二、同步发电机的强行励磁,要使强励充分发挥，都应满足强励电压顶值高、励磁响应速度快的基本要求。所以,强励倍数,和,强励电压响应比,是衡量强励能力的两个指标。,强励倍数,强励时实际能达到的,最高励磁电压,U,L,max,与,额定励磁电压,U,Le,的比值，称为强励倍数。,K,越大，强励效果越好。但提高,K,值受到励磁系统结构和设备费用的限制，一般,K,取为,1.82,。,65,两个强励指标,励磁电压响应比,66,励磁电压响应比又称为,励磁电压响应倍率,，能反映出励磁响应速度的大小，表示了励磁电压的响应能力。,对励磁机而言，发电机转子回路是励磁机的负载。考虑到转子绕组是一个电感，故有：,（,2-10,）,图,2-22,励磁绕组等值电路图,式中,发电机励磁电压上升曲线；,强励,t,秒时转子回路的磁通量；,与转子参数有关的常数,。,67,一般地说，在暂态稳定过程中，发电机功率角摇摆到第一个周期最大值的时间约为，所以，通常将励磁电压在,最初,0.5s,内上升的平均速率,定义为,励磁电压响应比,。,图,2-16,励磁电压上升速度的确定,68,对,常规励磁,系统，该值为,2,左右；在,快速,励磁系统中，可达,6,7,。,对于快速励磁系统来说，如果,t,取,0.5s,，则显得强励太慢而无实际意义。为此，出现了用,0.1s,或,0.2s,时间来定义快速励磁系统的励磁电压响应比。,69,图,2-23,励磁系统电压响应时间,如果励磁系统电压响应时间为,0.1s,或更短的励磁系统，称为,高初始响应励磁系统,。,响应时间,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。,方法：,励磁回路断开；,将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁。,对灭磁要求,灭磁时间要短，这是评价灭磁装置的重要技术指标,灭磁过程中转子电压不应超过允许值，通常取额定励磁电压的,4,5,倍。,70,三、灭磁,71,励磁绕组对恒定电阻放电灭磁,图,2-24,灭磁开关接线图,图,2-25,灭磁过程示意图,灭磁电阻一般为转子绕组热状态电阻值的,4,5,倍,。灭磁时间约为,5,7s,。,灭磁时间与灭磁电阻成反比：,72,理想的灭磁过程,理想的灭磁过程，在每次过程中始终保持,GEW,的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。,图,2-26,灭磁过程比较,第二章 同步发电机励磁自动控制系统,励磁调节器原理,73,74,一、自动调节器的功能和基本框图,励磁调节单元的最基本部分是一个闭环比例调节器。它的输入量是,发电机电压,，输出量是励磁机的,励磁电流或是转子电流,。,两个功能：保持发电机,端电压,、并联机组间,无功功率分配,。,75,人工调节规律总结,图,2-30,人工调压的作用,76,图,2-31,自动励磁系统基本原理框图,构成励磁调节器的型式很多，但自动控制系统的核心部分却很相似。基本的控制由,测量比较、综合放大、移相触发,单元组成。,77,二、励磁调节器原理,78,测量比较单元,图,2-26,电压测量环节原理图,测量,比较,单元的作用是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,。,1,、电压测量,79,图,2-34,比较整定电路,(a),原理电路；,(b),输出特性,2,、比较整定电路,80,综合放大单元,图,2-35,综合放大单元的输入信号,各输入控制信号按其性质可分为三种类型：,被调量控制量,（基本控制量）、,反馈控制量,（为改善控制系统动态性能的辅助控制量）、,限制控制量,（按发电机运行工况要求的特殊限制量）。,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,可以改变相位的脉冲,，用以触发功率整流单元的晶闸管，从而改变可控整流单元的输出，达到调节发电机励磁的目的。,81,移相触发单元,图,2-31,移相触发单元原理框图,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。,AC,调节器是主励磁调节器，按发电机端电压对给定值的偏差量大小自动调节发电机励磁，以维持机端电压稳定，正常运行时，,AC,调节器工作，,DC,调节器作,AC,调节器的备用,。,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，可保证发电机的正常运行。,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。,82,自动手动的自动切换,静态工作特性的合成,K,1,、,K,2,、,K,3,、,K,4,分别表示各单元的增益，其间输入量输出量的符号如图所示。,83,励磁调节器,的静态工作特性,图,2-34,励磁调节器简化框图,测量,K,1,综合放大,K,2,移相触发,K,3,可控整流,K,4,84,综合放大单元：,测量单元：,85,三相桥式,全控整流电路,具有线性特性,86,图,2-35,调节器的静态工作特性,右移,当调整整定电位器使参考电压增大时，特性曲线将右移，反之，特性曲线将左移。,87,励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即,式中,K,调节器的放大倍数,可见，励磁调节器总的放大倍数等于各组成单元放大倍数的乘积。,88,发电机,励磁控制系统,静态特性,图,2-36,发电机无功调节特性的形成,(a),调节特性；,(b),无功调节特性,89,调差系数用 表示，其定义为,式中,发电机额定电压,、,分别为空载运行和带额定无功电流时的发电机电压,一般取,。,(2-19),图,2-37,无功调节特性,90,图,2-44,发电机调差特性与外特性,调差系数 也可用百分数表示，即,调差系数表示无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化。,调差系数越小，无功电流变化时，发电机电压变化越小。,调差系数表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力,。,励磁调节器总的放大倍数越大，,ab,直线越平缓，调差系数就越小。,需要对自动励磁调节器工作特性进行调整：,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,；,保证发电机能平稳的投入和退出工作，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,。,91,四、励磁调节器静态特性的调整,发电机的调差系数决定于自动励磁调节系统的总的放大倍数。,一般放大系数足够大，调差系数一般都小于,1,，近似为无差调节。,不利于发电机组在并列运行时无功负荷的稳定分配；调差系数要人为的加以调整，使调差系数加大到,3,5,左右。,92,调差系数的调整,93,称为无差调节。,图,2-38,发电机调差系数与外特性,正调差系数,，有利于维持稳定运行。,至于,负调差系数,，一般只能在大型,发电机,-,变压器,组单元接线时采用，这时发电机外特性具有负调差系数，但考虑变压器阻抗压降以后，在变压器高压侧母线上看，仍具有正调差系数，因此负调差系数主要是,用来补偿变压器阻抗上的压降,，使发电机,-,变压器组的外特性下倾度不致太厉害，这对于大型机组是必要的。,正负调差系数可以通过改变调差接线极性来获得，调差系数一般在,5%,以内。调差系数的调节原理见下页。,94,在不改变调压器内部元件结构的条件下，在测量元件的输入量中，,除,U,G,外，再增加一个与无功电流,I,Q,成正比的分量，就获得调整调差系数的效果。,95,图,2-39,调差系数原理框图,在图,2-39,中，测量单元的内部结构并未改变。其放大倍数仍为 ，只将输入量改为,由于测量单元的放大倍数 并未变化。所以有时称,调差接线为无功补偿接线,。,于是测量输入变为,96,图,2-46,两相式正调差接线,97,发电机调节特性的平移,发电机投入或退出电网运行时，要求能平稳的转移负荷，不要引起对电网的冲击。,图,2-48,调节特性的平移与机组无功功率的关系,98,图,2-49,调节特性的平移,通过改变励磁调节器的整定值,R,P,来实现移动发电机调节特性。,整定值增加，无功调节特性上移。,整定值减小，无功调节特性下移。,辅助励磁控制的必要性：,线路充电电容导致电压升高,发电机进相运行；受静态稳定极限和定子端部发热限制。,励磁系统应具有高起始的响应特性,励磁电流过大，超过规定的强励电流会危及发电机的安全；须设置瞬时电流限制器以限制强励顶值电流。,不参与正常情况下的自动控制,；通过信号综合放大电路中的,竞比,闭锁正常的电压控制起作用。,99,五、自动励磁调节器的辅助控制,发电机欠励时，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,100,最小励磁限制,（也称之为“欠励磁限制”）,图,2-6,单机无穷大母线相量图,101,从式（,2-25,）中很明显的看到：计及外部阻抗时，发电机进相运行静稳定极限的轨迹是一个圆，其圆心在,Q,轴上，距原点为,其半径为 ，如,图,2-51,所示。,限制发电机在,允许进相容量曲线之上,，从而防止发电机定子端部过热。,在,相同视在功率,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。,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。,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,。,102,103,图,2-44,最小励磁限制线,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。,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,。,由于电力系统稳定的要求，大容量机组的励磁系统必须具有高起始响应的性能。,104,瞬时电流限制,图,2-53,励磁机励磁电压对励磁机电压的影响,当励磁机电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时，应立即对,励磁机的励磁电流,加以限制。,基本原理：,瞬时电流限制器,检测励磁电流,判断,信号控制,。,瞬时电流限制器必须设置多级，一般分为三级，其限制定值分别为,1.0,、,1.05,、,1.1,倍顶值电流,，以此来确保发电机、励磁机的运行安全。,105,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。,106,最大励磁限制,转子电压,标幺值,允许时间,转子电压,标幺值,允许时间,1.12,120,1.46,30,1.25,60,2.08,10,表,2-1,不同励磁电压的允许时间,107,最大励磁限制器具有反时限特性,。,另外，,定时限限制器,可以与,反时限限制器,配合使用；当反时限限制器动作后，转子电流在规定时间（如,3,5s,）内未能恢复到反时限限制器的,启动值（如,1.1,倍的额定励磁电流）以下,，则定时限限制器动作，跳发电机出口开关。定时限限制器作为反时限限制器的后备保护。,图,2-55,最大励磁限制器反时限特性,发电机端电压可能较高,如甩负荷时；,发电机端频率可能较低,如机组启动期间。,如果其机端电压,U,G,与其频率,f,G,的比值,U,G,/,f,G,过高，则同步发电机及与其相连的,主变压器的铁心就会饱和,，使空载励磁电流造成铁心过热。,V/Hz,（伏,/,赫）限制器的任务，就是保证在任何情况下，将比值,U,G,/,f,G,限制在允许的安全数值以下。,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,108,V/Hz（,伏,/,赫）限制器,109,励磁控制系统的任务,同步发电机的励磁系统,励磁系统的功能,电压控制,无功功率分配,提高稳定性,直流励磁机,交流励磁机,静止励磁,強励,灭磁,自励,他励,励磁调节器,测量比较,综合放大,移相触发,静态特性,第七节 励磁控制系统仿真,1.,对第五节中励磁自动控制系统的稳定性算例进行,MATLAB,仿真,已知开环传递函数为,闭环传递函数为,其中,1.1,求当,K=01315,变化时的根轨迹,指令如下：,num =1;,den = 1 26.95 49.475 18.125;,figure (1), rlocus(num, den);,axis(-30 5 -10 10),结果如图,2-73,所示。,与课本图,2-54,比较，完全一致,。,图,2-73,1.2,用,matlab,指令求阶跃响应,指令如下：,kA=50;,numc=0.725*kA*1 25;,denc=1,，,26.95,，,49.475,，,18.125+18.125*kA;,t=0:.05:20;,c=step(numc, denc, t);,figure(2), plot(t, c), xlabel(t, s), grid,title(Terminal voltage step response),机端电压阶跃响应如图,2-74,。其中时域特性指标为：,图,2-74,峰值时间,=0.52174s,，超调量,=85.7143%,；,上升时间,=0.30434s,，稳定时间,=19.1667s,在,simulink,中建立模型框图,2-75,，使其运行结果与图,2-74,相同。,2.,添加电压负反馈,把参数代入图,2-63,的框图，并取 ， 得开环传递函数和闭环传递函数为,图,2-75,闭环传递函数为,取 ，代入上式得,稳态响应为,2.1,求阶跃响应,MATLAB,指令如下：,kA=50;,numc,=0.725*kA*1 25.55 13.75;,denc=1,，,27.5+0.805*kA,，,64.298+20.527*kA,，,45.336+28.175*kA,，,9.969+10.062*kA;,t=0:.05:10;,c=step(numc, denc, t);,figure(2), plot(t, c), xlabel(t, s), grid,title(Terminal voltage step response),阶跃响应如图,2-76,所示，时域性能指标为：,峰值时间,=5.03126s,，超调量,=3.84615%,上升时间,=2.17333s,，稳定时间,=6.96671s,图,2-76,在,simulink,中建立模型框图,2-77,，使其运行结果与图,2-76,相同。,结果表明暂态响应特性还是比较好的，超调量只有,3.85%,，稳定时间大约为,7s,。,图,2-77,例,2.1,一个发电单元的简化线性,AVR,系统如图,2-78,。（,a,）利用劳斯判据，求使控制系统稳定的 的取值范围。（,b,）用,MATLAB,中,rlocus,函数求出根轨迹。（,c,）置放大器增益为 。求系统的闭环传递函数，并用,MATLAB,求阶跃响应。（,d,）在,SIMULINK,中建立仿真框图，求出阶跃响应。,图,2-78,解：,AVR,系统的开环传递函数为,（,a,）特征方程为,特征多项式为,该特征多项式的劳斯表为,从 行可以看出，若控制系统稳定， 必须小于,43.3125,；从 行可,行可以看出，若系统稳定， 必须大于,1.25,。因此，当系统稳定时，放大器增益的取值范围为（ 为正值）,（,b,）用,MATLAB,指令画出根轨迹曲线,num =32;,den = 1 23 62 40;,figure (1),rlocus(num, den);,根轨迹如图,2-79,所示。,图,2-79,（,c,）当 时，系统闭环传递函数为 用下面的,MATLAB,指令求阶跃响应,阶跃响应如图,2-80,所示,numc,=1280;,denc,= 1 23 62 1320;,t=0:0.05:20;,step(numc,denc,t,);,xlabel(t, s), grid,图,2-80,（,d,）建立,SIMULINK,仿真框图,2-81,，运行可得阶跃响应。,例,2.2,把一个速度反馈稳定器增加到例,2.1,的,AVR,系统，如图,2-82,。稳定器时间常数为,=0.04,秒，微分增益调整到 。,（,a,）求系统的闭环传递函数并用,MATLAB,求阶跃响应。,（,b,）建立,SIMULINK,仿真模型，并求阶跃响应,图,2-81,解：（,a,）系统闭环传递函数为,用下面的命令求阶跃响应如图,2-83,所示。,图,2-82,图,2-83,（,b,）,建立,SIMULINK,仿真框图，如图,2-84,所示，运行可得阶跃响应。,图,2-84,例,2.3,在例题,2.1 AVR,系统前行通路中加入,PID,控制器，如图,2-85,所示。试在,SIMULINK,中建立仿真框图。设置比例增益 ，调整 和,以获得具有最小超调量和较小的稳定时间的阶跃响应（建议值 ， ， ）,（,a,）求系统的闭环传递函数并用,MATLAB,求阶跃响应。,（,b,）建立,SIMULINK,仿真模型，并求阶跃响应,解：（,a,）闭环传递函数,图,2-85,用下面的命令求阶跃响应如图,2-86,所示。,numc=1280*0.17 1 0.15; denc=1 240.6 1342 232; t=0:.01:10; step(numc, denc,t), grid; xlabel(t, s) title(Terminal voltage step response),（,2,）建立,SIMULINK,仿真框图如图,2-70,，调整,， ， ，运行可得阶跃响应。,图,2-86,图,2-70,