《电力系统自动化____第三版(王葵、孙莹编)第二章同步发电机励磁自动控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统自动化____第三版(王葵、孙莹编)第二章同步发电机励磁自动控制系统（125页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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,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
3、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：,7,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,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
4、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,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
5、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“UG IQ*” 特性完全一致（IQ*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“UG IQ*” 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。,
6、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,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
7、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,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P0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1520；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,Notice： 通常把大于90度的区
8、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P0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
9、响,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
10、效果。当 Te 较大时，效果就不明显。,26,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,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
11、 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
12、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,
13、交流励磁机,静止电源供电,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,36,37,他励直流励磁机系统,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
14、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,41,他励交流励磁机励磁系统,图2-15 他励交流励磁
15、机励磁系统原理接线,42,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,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。
16、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,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
