电力系统自动装置原理-第3章.ppt

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1、第3章 同步发电机励磁自动控制系统 小节导航 1 2 3 4 5 小结2021/9/211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电压控制控制无功功率的分配提高同步发电机并联运行的稳定性（静态稳定暂态稳定）改善电力系统的运行条件水轮发电机组的强行减励三、对励磁系统的基本要求 对励磁调节器的要求对励磁功率单元的要求 转第2节小节导航 1 2 3 4 5 小结2021/9/212同步发电机励磁控制系统的组成励磁调节器：根据测量的信息和给定的调节准则控制下一单元的输出。励磁功率单元：向同步发电机转子提供直流励磁电流。发电机：调节对象（控制对象）。其中，和构成

2、励磁系统。返回2021/9/213电压控制 UG=EqjxdIGUG=Eqcos-xdIGcos(-)=Eqcos-xdIGsin=Eqcos-xdIQEqxdIQ （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jxdEqIGUGUGEqIGjxdIGGIQ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

3、而减小Eq，使UG下降到满足运行条件。2021/9/214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/xd sin=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=U

4、GIGsin=UGk1tg 或 QG=EqUGcosUG2/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2021/9/215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

5、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）。2021/9/216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2021/9/217改善电力系统的运行条件 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

6、的自启动条件为发电机异步运行和自同期并列创造条件提高继电保护装置工作的正确性返回2021/9/218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 2021/9/219A.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

7、复和缩短机组并列过程。改善运行条件 返回2021/9/2110 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 返回2021/9/2111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2021/9/2112对

8、励磁调节器的要求 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；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；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；时间常数小，反应迅速。返回2021/9/2113对励磁功率单元的要求具有足够的可靠性和调节容量，以适应各种工况的需要；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1.62）。励磁电压上升速

9、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2021/9/2114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2021/9/2115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2021/9/2

10、116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）自励它励特点三、交流励磁机系统 自励它励四、静止励磁（自并励）系统 转第3节小节导航 1 2 3 4 5 小结2021/9/2117励磁系统的分类 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。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。静止励磁（

11、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2021/9/2118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G2021/9/2119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

12、方式一般用于水轮发电机组。返回励磁调节器EWDEEEWTVIEEIRCRCPEIAVRG2021/9/2120直流励磁机系统的特点 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。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2021/9/2121自励交流励磁机系统 静止可控整流方式静止硅整流方式返回2021/9/2122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

13、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AVREWTVVSAE自励恒压元件TR电压起励元件起励电源滑环G2021/9/2123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AVREWTVTR电压起励元件起励电源VSAEG2021/9/2124它励交流励磁机系统 静止整流方式旋转整流方式（无刷励磁）返回2021/9/2125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

14、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AVRTVVSVSAE自励恒压调节起励电源磁场开关TA100Hz400Hz交流副励磁机G2021/9/2126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AVRTVVSAE磁场开关TA永磁发电机NS旋转元件GGZEW2021/9/2127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，

15、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2021/9/2128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G2021/9/2129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2021

16、/9/2130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2021/9/2131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 1 2 3 4 5 小结2021/9/213

17、2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2021/9/2133三相桥式不可控整流电路 返回135462eaRf+HLUdebec二极管元件导通的顺序为：6,1,2,3,4,5,6,1其中，UL为线电压的有效值 2021/9/2134三相桥式半控整流电路 返回其中，UL为

18、线电压的有效值 晶闸管及二极管元件触发或导通顺序：6,1,2,3,4,5,6,1135462eaRf+HLUdebec2021/9/2135三相桥式全控整流电路 返回Id晶闸管元件触发顺序：6,1,2,3,4,5,6,1135462eaRf+HLUdebecLf为保证整流桥在投入之际或换流瞬间具有可靠的电流通路，常要求宽脉冲触发或双脉冲触发，即在某一晶闸管被触发导通之际，它前面的一只晶闸管也应处于导通状态（该晶闸管的触发脉冲起作用），才能构成电流通路。它有整流和逆变两种工作状态。2021/9/2136整流关系对负载呈感性且电感量较大的情形，具有足够的续流能力，使输出电压可以具有负值。输出电压平

19、均值为 对纯电阻性负载（无续流能力），输出电压平均值为 返回2021/9/2137逆变关系当控制角 90时，Ud变为负值，进入逆变工作状态。=-称逆变角。逆变状态下，Ud0为：实际工作时，必须大于min。若0UI一台无差+一台正调差UGIQIQ2oI:=0II:0UI一台无差+一台负调差查看结论2021/9/2151无差+有差的结论返回机组I和II均保持电压UI。由机组II的调节特性知，它承担的无功负荷为IQ2，其余剩下的无功负荷由机组I承担。因此，在总负荷电流一定且保持并联母线的电压不变时，可以通过移动机组II的调节特性来达到重新分配无功负荷的目的。另外，若相改变并联母线的电压，则需移动机组

20、I的调节特性。结论：一台无差特性的机组可以和多台正调差特性的机组并联运行。但由于在保持并联母线的电压不变时，无功负荷增量全部由无差特性机组承担，这种分配方式极不合理，故很少采用或不用。设在无任何扰动情况下机组I和II均保持电压UI运行，此时机组II承担的无功负荷为IQ2，其余剩下的无功负荷由机组I承担。现若因偶然因素使机组II承担的无功负荷增加，则由其调节特性知，励磁调节器将增大励磁力图使端电压升高，从而使其承担的无功负荷进一步增加；同时，机组I尽量想维持端电压不变，使其励磁电流减小，因此它承担的无功负荷将减少。同理可分析出，当机组I承担的无功负荷因偶然因素减小时，两机组间承担的无功负荷也将具

21、有相反的变化趋势。结论：工作点不稳定。结论：具有负调差特性的机组不能在公共母线上并联运行。2021/9/2152定性分析 对两台具有正调差特性的发电机组间的并联运行，当总的无功负荷一定时，两机组最终会稳定运行在某一母线电压UG1下。此时，两机组间的无功负荷分配按照各自的调节特性确定（电压为UG1)。当总的无功负荷增加时，引起公共母线电压下降，两机组增加励磁，最终稳定运行在某一母线电压UG2下（UG2 R4）剩余的高次谐波用型或型滤波器即可滤去。2021/9/2161主控单元 与模拟式不同，数字式的主控单元可以根据控制功能的不同有选择地从指定的存储单元中调用相关信息、经计算和处理形成不同的控制量

22、或综合形成特定的控制量。参见课本P75图3-49。在主控单元，控制量的形成可以利用不同的控制模型和算法获得，例如PID调节、增量式PID调节以及可能采用的先进控制方法。返回2021/9/2162移相触发单元 该单元的任务是产生相位可以随主控单元控制量改变的触发脉冲，用来改变整流桥中晶闸管元件的控制角，使整流桥的输出电压产生变化，从而起到调节励磁电流的作用。返回2021/9/2163励磁调节器的辅助控制 辅助控制一般工作在非正常运行工况或特殊运行工况，例如：（1）当快速励磁系统的励磁电压达到允许的最大励磁顶值电压时，必须对励磁机的励磁电流进行限制。（2）发电机进相运行时，吸收的无功功率随励磁电流

23、的减小而增加。由于进相受到稳定极限的制约，具有一定的深度限制，因此必须设置最小励磁限制器以防发电机欠励磁运行过于严重。（3）发电机机端电压/频率比值限制器，用于防止发电机及其相连主变由于电压过高和频率过低引起铁心饱和发热（由于交流磁通量与电压/频率比值成正比）。（4）发电机失磁监控。失磁后的发电机容易导致发电机进入异步运行状态。返回2021/9/2164第3章小结1 同步发电机励磁控制系统的组成及任务2 励磁系统的分类及各自的特点3 励磁调节器的基本特性及分类4 数字式励磁调节器基本环节的构成5 同步发电机励磁控制系统的调节特性及并联运行机组间无功负荷如何分配转结尾小节导航 1 2 3 4 5 小结2021/9/2165谢谢！2021/9/2166