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1、发电机励磁系统培训 国电南瑞科技股份有限公司 许其品 2012年9月,一、 励磁系统的作用与原理,三、 励磁系统的接口,二、 励磁系统的设计,四、 新一代励磁调节器介绍,1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展,1 励磁系统的主要作用,（1）维持发电机或其他控制点电压在给定水平,维持发电机机端电压 保持一定精度的自动电压调节（能力） 满足必要的快速电压调节性能（能力） 参与全厂几电网的电压控制（性能） 保证电力系统运行设备的安全。 保证发电机运行的经济性。 提高电力系统稳定性。,1 励磁系统的主要作用,1、并列运行的必要条件 并列母线电压相等
2、并列机组的总无功等于各机组无功之和 2、调差的定义 D(%)=(Ug0-Ug)/Ug100%,（2）保证并列运行机组的无功功率有序分配,1 励磁系统的主要作用,3、调差的作用 图1：有差和无差并联 图2：差小和差大的并联 结论：不同容量机组并列调差相同(以机组额定容量为基准值时，不同容量机组的调差曲线应相同)。图3,（2）保证并列运行机组的无功功率有序分配,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,静态稳定性 暂态稳定性 动态稳定性 电压稳定,1 励磁系统的主要作用,发电机输出电磁功率,发电机功角向量图,1 励磁系统的主要作用,单机双回无穷大系统,励磁控制系统对电网稳定性的影响,（3）励磁控制系统
3、对电网稳定性的影响,功角是表征电力系统稳定性重要的量，功角失稳指系统中各发电机之间的相对功角失去稳定性的现象。,系统扰动-发电机输出功率变化-转矩平衡被破坏-发电机转子角摆动 如果发电机转子角的摆动能够平息，则称它是功角稳定的，反之则是功角不稳定的。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,电力系统静态稳定性(Steady Stability)是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。 静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则
4、系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。,（A）提高电力系统的稳定性-静态稳定性,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,如左图所示，采用了自动励磁调节的发电机静态稳定运行的最大电磁功率和最大功率角都有提高。,1 励磁系统的主要作用,电力系统静态稳定性的判据是发电机输出电磁功率对功角的微分dPe/d是否大于0 。,（A）提高电力系统的稳定性-静态稳定性,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,1 励磁系统的主要作用,电力系统暂态稳定性 (Transient Stability)是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持
5、同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。 如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行方式有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间有关。,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,电力系统暂态稳定性的判据是等面积定则。,左图的功率曲线中，当功角从1变化到2时，机械输入功率PT与电气输出功率P3之间的面积正比于转子动能的变化量。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,等面积定则： 减速
6、面积和加速面积如图所示。 如图（a）减速面积加速面积，临界稳定； 如图（b）减速面积加速面积，稳定； 如图（c）减速面积加速面积，不稳定。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,故障切除时间对暂态稳定的影响,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,励磁电压响应速度对暂态稳定的影响,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,提高暂态稳定性的方法就要减小加速面积或增大减速面积。 结论有以下三种方法： 减小继电保护动
7、作时间 提高励磁控制系统励磁顶值电压倍数 提高励磁系统电压响应时间,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（B）提高电力系统的稳定性-暂态稳定性,电力系统动态稳定性 (Dynamic Stability)是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增长的振荡或者滑行而失步的能力。 扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂态稳定性)，但可能由于自动调节装置的配置参数不合适或其他因素，后续的振荡周期幅值不断增大并造成失步。动态稳定问题实际上是指系统在受到小的或大的扰动后，在自动调节装置和自动控制装置的影响下，保持长过程运行稳定性的能力。,1 励磁系统的主要作用,（3）励
8、磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,电力系统动态稳定性目前的主要问题是对系统低频振荡的抑制。低频振荡是发生在弱联系的互联电网之间或发电机群与电网之间，或发电机群与发电机群之间的一种有功振荡，其振荡频率在0.1-2.5Hz之间。其主要表现形式有： 系统弱阻尼时，受到扰动功率振荡长久不能平息 系统负阻尼时，系统发生扰动而振荡或系统发生自激 系统振荡模与某种功率波动的频率相同，且由于弱阻尼，引起特殊的强迫振荡 由发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态
9、稳定性,海拂勒-菲力蒲斯小信号模型,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,励磁控制系统对动态稳定的影响 Uf=K5+K6Eq 当K5 0，Mex=DAW+KA 可知： 励磁调节器放大倍数越大， KA越大， Mex幅值越大，负阻尼也越大 励磁调节器响应越快，KA越大， Mex幅值越大，负阻尼也越大,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,励磁控制系统对动态稳定的影响,电力系统的固有自然阻尼小，而使用快速励磁调节器或使用自并激可控硅快速励磁系统，又削弱了系统阻尼，甚至使系统
10、产生负阻尼。为了抑制低频振荡，在励磁系统中加入了电力系统稳定器（PSS）。 电力系统稳定器(PSS)的作用是：利用附加控制，产生附加阻尼转矩，增加正阻尼抑制低频振荡。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,电力系统稳定器PSS的实现 附加控制输入一个与低频振荡相关的电气量，如-Pe等。经过超前或滞后的相位校正，增益放大，叠加到励磁调节环节，该附加控制分量在发电机中产生一附加转矩，使与同相。从而产生正阻尼，抑制发电机的低频振荡。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,为了抑制低频振荡，增加系统的阻尼在励磁控制
11、系统设计中加入了一个附加控制，称之为电力系统稳定器（PSS）。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,PSS1A型电力系统稳定器传递函数,常用的稳定器输入信号是转速、频率或功率。 T6用于表示了变送器时间常数，稳定器增益KS，信号冲洗(Washout 隔直)由时间常数T5设置。下一方块中A1和A2允许高频扭振滤波器（有些稳定器用）的一些低频效应被计入。随后的2个方块可允许2级领前一滞后补偿，用常数T1到T4设置。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,PSS2A型电力
12、系统稳定器传递函数,常用的稳定器输入信号是转速、频率或功率。南瑞集团电控公司选用的为功率和频率。 函数的结构和作用大致与PSS1A模型相同。,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,PSS2A型试验录波曲线,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,PSS2A型试验录波曲线,1 励磁系统的主要作用,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（C）提高电力系统的稳定性-动态稳定性,1 励磁系统的主要作用,励磁系统维持电压稳定 电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后所有母线都持续地
13、保持可接受的电压能力。当扰动、增加负荷或改变系统条件造成渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。造成不稳定的主要因素是系统不能满足无功功率的需要。,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（D）提高电力系统的稳定性-电压稳定性,1 励磁系统的主要作用,典型的电压崩溃情况： 负荷中心大型发电机退出运行，一些高压线路严重过载，导致无功缺乏； 重载线路跳闸，导致相邻线路负荷增加，要求额外的无功。 对励磁系统的要求：提供发电机所能提供的最大无功电压调节范围；AVR内无功补偿功能使得恒定电压点向高压侧移动；采用电力系统调节器或者电网二次电压控制。,（3）励磁控制系统对电网稳定性的影响,（D）
14、提高电力系统的稳定性-电压稳定性,（3）提高电力系统的稳定性-电压稳定,1 励磁系统的主要作用,（D）提高电力系统的稳定性-电压稳定性,1、励磁系统的主要作用 2、励磁系统的控制原理 3、励磁系统的调节性能 4、励磁方式和发展,（1）PID算法及其实现,PID调节及其算法,按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器, 是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。 比例控制：稳态时可以减少误差，提高精度，不能完全消除静差；动态时增加灵敏度，提高响应速度，但使振荡次数变多，调节时间加长，太大不稳，太小精度和灵敏度低； 积分系数可以提高稳态精度，消除静差，太大振荡次数多，调节次数增加，太
15、小调节时间长； 微分系数可以提高动态放大倍数，产生超前校正的作用，有较好改善动态特性的能力 。太大容易造成不稳定，太小限制放大倍数，动态特性变差。,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,PID调节及其算法,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,并联PID控制调节,以上为输入输出之间微分方程 Kp 一比例系数 Ti 一积分时间常数 Td 一微分时间常数,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,并联式PID算法 对于计算机控制,用差分方程代替微分方程。采用梯形积分来逼近积分,采用后向差分来逼近微分,可得PID数字控制算法。 全量式差分方程为：,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,串联PID控制调节,串联PID传递函数,数字化控制系统中,应使用离散法将上式转化为差分方程 ：,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,PID算法的幅频特性示意图,Tb1约为Tc1的510倍 Tb2约为Tc2的15110,2 励磁系统的控制策略,1、发电机励磁系统稳态电压方程和框图 自并励励磁系统简化 方程： 式中： 为开环放大倍数， 为闭环放大倍数,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,开环放大倍数与电压调节精度的分析,2、当发电机空载时 如果 ： 误差为：,2 励磁系统的控制策略,（1）PID算法及其实现,开环放大倍
