电力系统自动化 励磁控制.pptx

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1、YOUR SITE HERE第一节 概述=基本知识点=一、同步发电机励磁自动控制系统的组成二、励磁控制系统的基本任务 三、励磁系统的任务与要求第1页/共85页YOUR SITE HERE电力系统无功功率控制的必要性 1、维持系统电压正常水平电力系统中的无功电源主要由两部分组成，一部分是发电机，一部分是补偿设备。而发电机供给的无功功率起主要作用，有时是唯一的无功功率来源，补偿设备供给的无功功率起次要作用。电力系统所消耗的无功功率亦包括两部分，一部分是负荷所消耗的无功功率，一部分是线路和变压器所消耗的无功功率。无功电源所产生的无功功率总和在任意时刻都等于系统所消耗的无功功率总和。同步发电机励磁系统

2、的任务第2页/共85页YOUR SITE HERE同步发电机励磁系统的任务2. 提高电力系统运行的经济性3. 维持电力系统运行的稳定性第3页/共85页YOUR SITE HEREv1. 控制发电机端电压第4页/共85页YOUR SITE HERE 1. 控制发电机端电压第5页/共85页YOUR SITE HERE 1. 控制发电机端电压第6页/共85页YOUR SITE HERE 1. 控制发电机端电压第7页/共85页YOUR SITE HERE 1. 控制发电机端电压通过调节发电机励磁电流来改变发电机感应电势E q 可以改变发电机输出的无功电流I q ，从而调节发电机端电压U G 和变压器高

3、压侧电压U B ，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，可将图5.4 中的变压器和线路电抗归为系统电抗X X ，因系统为无穷大，故X X = 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。第8页/共85页YOUR SITE HERE2. 合理分配并联运行发电机间的无功功率 1) 发电机无功功率的控制原理系统为无穷大，系统电压UX恒定不变，发电机端电压UG =UX亦恒定不变，另外在调整发电机无功功率时不会引起发电机有功功率的改变，即发电机输出的有功功率G P 为一常数。系统为无穷大的概念：第9页/共85页YOUR

4、 SITE HERE第10页/共85页YOUR SITE HERE 当调节发电机的励磁电流时，发电机感应电势E q 在纵轴上的分量E q sin 是不变的，E q 的端点在相量图中只能沿虚线AA移动；发电机输出电流I G 在横轴上的分量I G cos? 是不变的， I G 的端点在相量图中只能沿虚线BB移动。当励磁电流I E F 由I E F 1 增加到I E F 2 时，发电机的各运行参数将由下角标为“1”的量变为下角标为“2”的量，从相量图中可以看出，当励磁电流增加时，发电机输出电流I G 的无功分量I G sin? 是增加的，故发电机发出的无功功率QG =UG I G sin? 亦是增加

5、的，同理，当发电机的励磁电流减小时，发电机发出的无功功率就减少。说明：当发电机接于无穷大系统时，通过调节发电机励磁电流的大小就可以控制发电机输出的无功功率的大小，这就是发电机无功功率调节控制原理。第11页/共85页YOUR SITE HERE2) 合理分配并联运行发电机间的无功功率第12页/共85页YOUR SITE HERE3. 提高同步发电机并联运行的稳定性 保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。 电力系统运行的稳定性就是指从一种稳定运行状态能否过渡到另一种稳定运行状态的能力，它分为静态稳定和暂态稳定两类。 1) 对静态稳定性的影响 以图5.5 为例，当忽略发电机定子损耗

6、及凸极效应时，发电机的输出功率为： 如图5.7 所示，当功角 =90时发电机输出功率为最大值P m ，该值称为发电机的极限功率。其大小为第13页/共85页YOUR SITE HERE 2) 对暂态稳定性的影响 同步发电机暂态功角特性曲线如图5.8所示，曲线1 对应于正常运行时的状态；曲线2对应于故障时的运行状态；曲线3 对应于故障切除后的运行状态。 提高同步发电机的强励能力，即提高励磁顶值电压和励磁电压的上升速度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。第14页/共85页YOUR SITE HERE4. 改善电力系统的运行条件 1) 改善异步电动机的自起动条件 图5.9 表示了机组

7、有励磁自动控制和没有励磁自动控制时，短路切除后电压恢复的不同情况。第15页/共85页YOUR SITE HERE2) 为发电机异步运行创造条件3) 提高继电保护装置工作的正确性5. 防止水轮发电机过电压要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能。第16页/共85页YOUR SITE HERE对同步发电机励磁系统设计的基本要求 1. 对励磁调节器的要求 (1) 有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 (2) 系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机端电压的高低，以维持发电机端电压的给定水平。在调差装置不投入的情况下，励磁控制系统的自然调差系数一般在1%内。 (3) 励磁调节器应能合理分配机组的

8、无功功率。为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在 10%以内进行调整。 (4) 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。 (5) 励磁调节器应能迅速反映系统故障，具备强行励磁等控制功能，以提高系统暂态稳定和改善系统运行条件。第17页/共85页YOUR SITE HERE2. 对励磁功率单元的要求(1) 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。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和无功功率控制。因此，励磁功率单元应具备足够的容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。(2) 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从改善电

9、力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的指标。第18页/共85页YOUR SITE HERE同步发电机励磁系统常用同步发电机励磁系统的工作原理1. 直流励磁机励磁系统1) 自励直流励磁机励磁系统第19页/共85页YOUR SITE HERE2) 他励直流励磁机励磁系统第20页/共85页YOUR SITE HERE2.交流励磁机励磁系统1)他励交流励磁机静止整流励磁系统第21页/共85页YOUR SITE HERE2)他励交流励磁机旋转整流励磁系统(无刷励磁)第22页/共85页YOUR

10、 SITE HERE3.静止励磁系统(发电机自并励系统)第23页/共85页YOUR SITE HERE励磁调解装置的基本原理励磁调解装置的基本原理与调节特性励磁调解装置(自动励磁调节器)的最基本部分是一个闭环比例调节器。图5.14是最原始也是最简单的励磁系统。第24页/共85页YOUR SITE HERE比例式励磁调节器第25页/共85页YOUR SITE HERE第26页/共85页YOUR SITE HERE第27页/共85页YOUR SITE HERE a、电磁式同步发电机传递函数 对于恒速恒频电源系统，忽略发电机阻尼绕组作用以及电枢绕组变压器电势，电磁式同步发电机可以等效成一阶惯性环节

11、b、永磁同步发电机传递函数 在三级发电机系统中，采用永磁同步发电机作为副励磁机，与二极管整流桥构成永磁无刷直流发电机，为励磁机提供励磁电源和为控制器供电。在三级发电机系统中，副励磁机可看成一放大的比例环节;第28页/共85页YOUR SITE HERE第29页/共85页YOUR SITE HERE第30页/共85页YOUR SITE HERE第31页/共85页YOUR SITE HERE第32页/共85页YOUR SITE HEREZTL型励磁调节器的构成与工作原理第33页/共85页YOUR SITE HERE1.电压测量比较单元测量比较单元由电压测量和比较整定环节组成。1)电压测量电路电压测

12、量电路的作用是将发电机端电压降压、整流、滤波后转换成一直流电压。具体电路见图5.17简化原理图中的电压测量部分。2)比较整定电路图5.18是ZTL型励磁调节器的比较电路3)发电机端电压整定过程第34页/共85页YOUR SITE HERE2.综合放大单元1)综合放大单元的作用 (1)综合放大各种励磁控制信号。这些信号包括发电机电压偏差信号、为改善励磁控制系统动态性能的微分反馈信号、最大及最小励磁限制信号等。 (2)改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标。根据自动控制原理知，合理选取综合放大单元的放大系数，可以做到使系统既有足够的静态调节精度，又有良好的动态调节特性。 (3)输出移相单元所需的

13、输入电压。不同的移相触发电路对输入电压有不同的要求，这种要求是靠综合放大单元来满足的。第35页/共85页YOUR SITE HERE2)对综合放大单元的基本要求 (1)能线性无关地综合、放大各输入信号。所谓线性无关地放大各输入信号，是指输出与输入之间呈线性关系，而且改变输入信号的任何一个信号的放大倍数，不影响其他输入信号的放大倍数。 (2)要有足够的运算精度和放大系数，且放大系数可调。 (3)要有足够的响应速度，即时间常数要小。 (4)工作稳定可靠，输出阻抗低。即要求零点漂移小，负载能力强，保证综合放大单元的输出电压不受移相触发单元工作的影响。 (5)输出电压范围应满足移相触发单元的要求。第3

14、6页/共85页YOUR SITE HERE3)综合放大单元的工作原理及特性第37页/共85页YOUR SITE HERE第38页/共85页YOUR SITE HERE3.晶闸管整流电路1)晶闸管整流电路的作用 晶闸管(旧称可控硅)整流电路的作用是将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕组供给可控制的励磁电流。2)晶闸管整流电路的工作原理及特性第39页/共85页YOUR SITE HERE下面说明其工作原理：(1)整流元件的通断。(2)整流元件的导通次序。(3)晶闸管的控制角 。(4)晶闸管的导通角。(5)整流电路的输入电压。(6)整流电路的输出电压。(7)续流管的作用。第40页/

15、共85页YOUR SITE HERE第41页/共85页YOUR SITE HERE第42页/共85页YOUR SITE HERE4.同步和移相触发单元1)对移相触发单元的要求(1)晶闸管的触发脉冲应与晶闸管阳极电压同步。(2)触发脉冲的移相范围要符合相应可控整流电路的要求。(3)触发脉冲应有足够的功率以保证晶闸硅可靠地导通。(4)触发脉冲上升沿要陡。上升沿的上升时间一般在10s左右。(5)触发脉冲应有足够的宽度。(6)保证各相晶闸管的控制角一致。(7)触发脉冲应与主电路相互隔离。2)移相触发电路的工作原理及特性第43页/共85页YOUR SITE HERE第44页/共85页YOUR SITE

16、HERE第45页/共85页YOUR SITE HERE第46页/共85页YOUR SITE HEREZTL型励磁调节器静态工作特性ZTL型励磁调节器各单元的工作特性可用式(5-14)描述。第47页/共85页YOUR SITE HERE第48页/共85页YOUR SITE HERE第49页/共85页YOUR SITE HERE同步发电机励磁调节器静态特性的调整同步发电机电压调节特性的调整 对同步发电机电压调节特性进行调整，主要是为了满足运行方面的要求。这些要求是： (1)保证并列运行发电机组间无功功率的合理分配(通过调整各发电机的调差系数，使其相等即可实现)； (2)保证发电机能平稳地投入和退出

17、运行，而不发生冲击现象(通过上下平移发电机调节特性曲线即可实现)。图5.30所示是同步发电机电压调节特性的三种类型：第50页/共85页YOUR SITE HERE第51页/共85页YOUR SITE HERE第52页/共85页YOUR SITE HERE发电机调节特性的平移第53页/共85页YOUR SITE HERE同步发电机励磁系统的动态特性概述 图5.35是同步发电机在额定转速下突然加入励磁时发电机电压从零升至额定值时的时间响应曲线。第54页/共85页YOUR SITE HERE同步发电机励磁系统的传递函数第55页/共85页YOUR SITE HERE1.励磁调节器的传递函数1)电压测量

18、单元的传递函数2)综合放大单元的传递函数第56页/共85页YOUR SITE HERE设设第57页/共85页YOUR SITE HERE因为，所以第58页/共85页YOUR SITE HERE第59页/共85页YOUR SITE HERE第60页/共85页YOUR SITE HERE第61页/共85页YOUR SITE HERE3)积分单元的传递函数第62页/共85页YOUR SITE HERE第63页/共85页YOUR SITE HERE第64页/共85页YOUR SITE HERE第65页/共85页YOUR SITE HERE第66页/共85页YOUR SITE HERE第67页/共85页

19、YOUR SITE HERE4)移相触发单元的传递函数 移相触发单元由移相角确定电路、三稳态触发电路、脉冲放大电路和移相角限制电路等四部分组成。第68页/共85页YOUR SITE HERE第69页/共85页YOUR SITE HERE2.励磁功率单元的数学模型第70页/共85页YOUR SITE HERE第71页/共85页YOUR SITE HERE第72页/共85页YOUR SITE HERE第73页/共85页YOUR SITE HERE第74页/共85页YOUR SITE HERE3.同步发电机的传递函数4.同步发电机励磁自动控制系统的传递函数第75页/共85页YOUR SITE HER

20、E微机型励磁调节器微机型励磁调节器硬件构成第76页/共85页YOUR SITE HERE1.模拟量输入和电量变送器1)采用电量变送器2)采用交流采样2.工业控制微型计算机3.接口电路4.同步和数字触发控制电路5.并行I/O和显示接口第77页/共85页YOUR SITE HERE微机型励磁调节器软件结构1.软件的组成 发电机的励磁调节是一个快速实时的闭环调节，对发电机端电压的变化要有很高的响应速度，以维持端电压在给定水平。 微机型励磁调节装置的调节、限制及控制等功能，都是通过软件实现的。 微机型励磁调节装置的软件由监控程序和应用程序组成。2.主程序流程及功能1)系统初始化2)开机条件判别及开机前

21、设置3)开中断4)故障检测及检测设置5)终端显示和人机接口命令第78页/共85页YOUR SITE HERE第79页/共85页YOUR SITE HERE3.调节控制程序的流程和功能第80页/共85页YOUR SITE HERE空载逆变条件有三个：(1)有停机令。(2)发电机端电压大于130%额定电压。(3)发电机频率低于45Hz。4.电压调节计算电压调节计算流程包括采样程序、调差计算程序和对电压偏差的比例调节等。 调差计算是为了保证并联运行机组间合理分配无功功率而进行的计算，作用相当于模拟式励磁调节装置的调差单元。5.限制判别程序 限制判别程序包括强励定时限和反时限限制判别程序、过励限制判别

22、程序、及欠励限制程序三部分。第81页/共85页YOUR SITE HERE1)强励定时限和反时限限制判别程序第82页/共85页YOUR SITE HERE2)过励限制判别程序3)欠励限制判别程序欠励限制判别程序与过励限制判别程序的工作机制基本相同。第83页/共85页YOUR SITE HERE思考题与习题5-1简述电力系统无功功率的平衡与电压水平的关系。5-2为何要控制电力系统无功功率？5-3同步发电机励磁控制系统的主要任务有哪些？5-4对同步发电机励磁控制系统的基本要求有哪些？5-5简述交、直流励磁机励磁系统的基本构成、特点及使用范围。5-6何谓同步发电机励磁控制系统静态工作特性？何谓发电机端电压调差率？5-7微机型励磁调节装置与模拟励磁调节装置相比有何优点？5-8强励、过励及欠励限制的作用各是什么？第84页/共85页YOUR SITE HERE感谢您的观看！第85页/共85页