《同步发电机》课件.ppt

电力系统自动化内容电力系统电力系统调度自动化调度自动化发电厂发电厂自动化自动化变电站自变电站自动化动化发电自自动控制控制无功/电压有功/频率第六讲第六讲第六讲第六讲 同步发电机同步发电机同步发电机同步发电机励磁自动控制系统励磁自动控制系统励磁自动控制系统励磁自动控制系统总总 述述励磁系统的任务励磁系统的类型励磁系统的整流电路并联机组间无功分配励磁装置的原理同步发电机自动励磁控制系统v同步发电机励磁系统的任务同步发电机励磁系统的任务v 一、电力系统无功功率控制的必要性一、电力系统无功功率控制的必要性v1.维持系统电压正常水平维持系统电压正常水平v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的。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的。v整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：无功电源无功电源i向系统供给的无功功率；向系统供给的无功功率；负荷负荷j所消耗的无功功率；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；电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；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?v系统无功负荷系统无功负荷(包括无功损耗包括无功损耗)静态电压特性如图静态电压特性如图5.15.1所示。所示。系统无功电源所发出的无功功率偏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。可能使电网电压超出其允许范围。控控制制无无功功电电源源所所发发出出的的无无功功功功率率就就可可以以维维持持系系统统电电压压运运行行在在其其允允许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。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 v（1 1）系统的无功电源：）系统的无功电源：v主要主要:同步发电机同步发电机,另外另外:并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。v（2 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）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。的。v这些工作做得好不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功率传输过程中这些工作做得好不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功率传输过程中造成的无功和有功功率损耗，因而可以提高系统运行的经济性。造成的无功和有功功率损耗，因而可以提高系统运行的经济性。v例如例如: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。多，电压损耗和有功功率损耗也就越大。v因此，因此，无功功率一般都尽可能地就地、就近平衡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v发发电电机机是是电电力力系系统统中中主主要要的的无无功功电电源源，发发电电机机的的端端口电压是由其励磁调节系统自动控制的。口电压是由其励磁调节系统自动控制的。v合合理理的的选选用用自自动动励励磁磁调调节节器器，就就可可以以保保证证发发电电机机的的端口电压维持不变，从而提高系统的静态稳定性。端口电压维持不变，从而提高系统的静态稳定性。v另另外外，现现代代发发电电机机都都装装有有快快速速响响应应的的励励磁磁调调节节系系统统，可可以以保保证证当当系系统统发发生生故故障障而而使使发发电电机机端端电电压压低低于于(85%90%)(85%90%)时时，能能快快速速而而大大幅幅度度地地增增大大励励磁磁电电流流，以以迅迅速速提提高高发发电电机机的的端端电电压压，从从而而有有效效地地改改善善系系统统的的暂态稳定性暂态稳定性。发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务电电压压控控制制无无功功分分配配提提高高稳稳定定强强行行励励磁磁强强行行减减磁磁发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v电压控制电压控制 等值电路相量图GGEWUEF.IEF.UG IG.xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.j IG xd.Eq.G Gj IQ xd.二、同步发电机励磁系统的任务v同同步步发发电电机机是是系系统统重重要要的的无无功功电电源源，其其无无功功功功率率的的输输出出是是由由它它的的励励磁磁系系统统来来控制的控制的v同步发电机励磁系统的任务主要有以下几个方面。同步发电机励磁系统的任务主要有以下几个方面。v1.1.控制发电机端电压控制发电机端电压 v通过励磁系统来控制调节控制同步发电机的端电压是通过励磁系统来控制调节控制同步发电机的端电压是一种不需耗费投资而且一种不需耗费投资而且最直接的调压手段。最直接的调压手段。v在在发发电电机机不不经经升升压压直直接接向向用用户户供供电电的的简简单单系系统统中中，若若供供电电线线路路不不长长，线线路路上上电电压压损损耗耗不不大大，单单靠靠调调节节发发电电机机的的励励磁磁来来控控制制发发电电机机的的端端电电压压就就能能满满足足负负荷荷对电压质量的要求。对电压质量的要求。v（1 1）单机运行时：）单机运行时：v在正常运行时，励磁电流在正常运行时，励磁电流I IEFEF在发在发电机励磁线圈电机励磁线圈FLQFLQ中建立磁场，使中建立磁场，使定子绕组产生感应电势定子绕组产生感应电势EqEq，在不，在不考虑铁心饱和程度影响时，感应考虑铁心饱和程度影响时，感应电势的大小与励磁电流的大小成电势的大小与励磁电流的大小成正比，因此通过调整正比，因此通过调整I IEFEF的大小就的大小就可使可使EqEq发生相应的变化发生相应的变化 .发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务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机端电压为给定水平的。v因因发发电电机机的的直直轴轴电电抗抗XdXd为为常常数数，发发电电机机的的端端电电压压U UG G的的大大小小是是由由其其感感应应电电势势EqEq及负荷电流无功分量及负荷电流无功分量IqIq的大小决定的。的大小决定的。vEqEq和和发发电电机机励励磁磁电电流流I IEFEF成成正正比比,上上式式说说明明，当当I IEFEF 不不变变时时,Iq,Iq变变化化将将引引起起U UG G变变化化，即即发发电电机机单单机机带带负负荷荷运运行行时时，电电压压变变化化主主要要是是由由定定子子电电流流的的无无功功分分量量IqIq的变化引起的。的变化引起的。v上式还说明，如果发电机无功电流上式还说明，如果发电机无功电流IqIq不变，改变不变，改变I IEFEF可以改变可以改变EqEq，进而可以改，进而可以改变变U UG G或使或使U UG G保持恒定保持恒定.v即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。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v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的无功功率总和无功功率总和与系统中负荷所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。消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。v由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此改变一台由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此改变一台发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不象单机带负荷运行时对发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不象单机带负荷运行时对发电机电压的影响那么大。而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。发电机电压的影响那么大。而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。v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。流对系统的电压水平就一点影响也没有了。v但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入电力系统的但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入电力系统的发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。v下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：变变压压器器漏漏抗抗和和输输电电线线路路电电抗抗归归算算值值(归归算算到到发发电电机机电电压压等等级级下下)；电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值。而而所以所以通通过过调调节节发发电电机机励励磁磁电电流流来来改改变变发发电电机机感感应应电电势势Eq,Eq,可可以以改改变变发发电电机机输输出出的的无无功功电电流流IqIq，从从而而调调节节发发电电机机端端电电压压UxUx和和变变压压器器高高压压侧侧电电压压U UB B，或维持它们在给定的范围内，或维持它们在给定的范围内.如如发发电电机机直直接接接接入入无无穷穷大大电电力力系系统统，即即X XB B=0=0，X XL L=0=0，则则发发电电机机端端电电压压等等于于系系统统电电压压，并并随随系系统统电电压压的的变变化化而而变变化化，此此时时发发电电机机励励磁磁调调节系统不再有调节发电机端电压的作用。节系统不再有调节发电机端电压的作用。发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v控制无功功率的分配 设单机无穷大系统：GIG.UG=常数常数.发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v控制无功功率的分配 由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v提高并联运行的稳定性励磁对静态稳定的影响发电机的输出功率为发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v提高并联运行的稳定性abc同步发电机的功角特性最大可能传输的功率极限为 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v提高并联运行的稳定性它使发电机能在大于90度范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v提高并联运行的稳定性励磁对暂态稳定的影响发电机的暂态稳定等面积法则 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务v强行励磁以改善电力系统运行条件1 1改善异步电动机的自启动改善异步电动机的自启动2 2为异步发电机运行创造条件为异步发电机运行创造条件3 3提高继电保护工作的准确性提高继电保护工作的准确性发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务水轮发电机强行减磁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。对励磁系统的要求对励磁系统的要求维持电压水平和无功的合理分配维持电压水平和无功的合理分配控制能力和调节范围控制能力和调节范围快速反应能力快速反应能力高度的可靠性高度的可靠性高度的可靠性高度的可靠性快速性快速性快速性快速性结构简单，易于维护结构简单，易于维护足够的阻尼能力足够的阻尼能力同步发电机励磁系统类型同步发电机励磁系统类型励励励励 磁磁磁磁 系系系系 统统统统直流励磁直流励磁直流励磁直流励磁机机机机交流励磁交流励磁交流励磁交流励磁机机机机静止励静止励静止励静止励磁磁磁磁励磁系统的整流电路励磁系统的整流电路整整整整 流流流流 电电电电 路路路路三相桥式三相桥式三相桥式三相桥式不可控不可控不可控不可控三相桥式三相桥式三相桥式三相桥式半控半控半控半控三相桥式三相桥式三相桥式三相桥式全控全控全控全控励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配v励磁控制系统框图 同步发电机励磁功率单元励磁调节器手动自动励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。励磁系统其他信号励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的基本特性与框图 v比例式励磁调节器 励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。常用的励磁调节器是比例式调节器，它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。电压升高时输出减小，电压降低时输出增大。励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的基本特性与框图v励磁调节器基本框图测量K1综合放大K2移相触发K3可控整流K4UGUREFUdeUSMIEEv励磁调节器的静态工作特性励磁调节器的简化框图调节器放大系数K与组成调节器的各单元增益的关系为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 K调节器的放大倍数励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性v发电机励磁控制系统静态特性 发电机调节特性励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性v励磁控制系统静态特性 无功调节特性在公共母线上并联运行的发电机组间无功功率的分配，主要取决于各台发电机的无功调节特性。而无功调节特性是用调差系数来表征的:调差系数越小说明IQ对UG影响越小UGUG1UG20IQIQNUG励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性v励磁控制系统静态特性 调差系数存在的意义:能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击；保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。UGIQ=0 0UG0励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性v发电机无功电流的转移 3-2-1IQ投入运行到合适点,无冲击1-2-3退出运行,IQ减小到零,无冲击UGIQUM123IQ2IQ1并联运行机组间的无功功率分配并联运行机组间的无功功率分配v无差调节特性 1 无差+有差 有困难无法稳定不能并联运行 2 无差+无差 UGIQ =0 0UUUIQ2UGIQUU并联运行机组间的无功功率分配并联运行机组间的无功功率分配v有差调节特性 UGUGUG0IQIQUG0UGNIQIQIQIQN N我国励磁调节器的发展及分类我国励磁调节器的发展及分类 机械式机械式机电型机电型磁放大器磁放大器电磁型电磁型电子模拟放大器电子模拟放大器电子型电子型CPU存储逻辑存储逻辑数字型数字型20世纪初1950s1960s1980sv数字式励磁调节器的优点 方便地实现复杂的控制策略 便于修改，灵活性强 可以实现更加完备的限制和保护功能 操作简单、维护方便以及便于试验和调试励磁调节装置原理励磁调节装置原理励磁调节装置原理励磁调节装置原理v图为600MW发电机自并励励磁系统励磁调节装置原理励磁调节装置原理v图为300MW三机励磁系统励磁调节器人人机接口机接口调节控制输出调节控制输出励磁调节装置原理励磁调节装置原理基基 本本控控 制制电压调节无功分配辅辅 助助控控 制制瞬时电流限制最大励磁电流限制最小励磁电流限制电压频率保护失磁监控励磁系统稳定器PSS等等数字式励磁调节器数字式励磁调节器硬件硬件+软件软件信息采集单元信息采集单元主控制单元主控制单元励磁调节装置原理励磁调节装置原理v数字式励磁调节器原理框图数字式励磁调节器原理框图励磁调节装置原理励磁调节装置原理v控制的数学模型 PID模型:离散化为 励磁调节装置原理励磁调节装置原理v控制的数学模型 增量式PID调节 增量式PID调节的优点是，因为数字调节器只输出增量，所以计算误差或精度对控制量影响较小，控制的作用不会发生大幅度变化。且增量算式只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。励磁调节装置原理励磁调节装置原理v基本调节方式 算法:v辅助控制 瞬时电流限制 最大励磁限制器 最小励磁限制器 电压频率（V/Hz）限制和保护 发电机失磁监控 励磁调节装置原理励磁调节装置原理v最小励磁限制功率园方程如下：励磁调节装置原理励磁调节装置原理v功率园M 为静态稳定功率极限考虑实际运行因素，最小励磁限制应在N 之内当发电机运行在Q 0 的部分时，发电机为进相运行状态励磁调节装置原理励磁调节装置原理v励磁调节器的运行励磁调节器的运行对发电机组运行工况的监控对发电机组运行工况的监控 1.增加或减少励磁，增加或减少励磁，调节调节U,Q2.信号显示信号显示3.调节器的可靠性调节器的可靠性:双重化配量双重化配量4.