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1、河 南 科 技 学 院成人教育本科生毕业论文(设计)（ 2014 届）论文题目：可控励磁发电系统综合性实验的研究与设计学生姓名：张晨光专业：电气工程及其自动化年级：完成时间：2016年4月13日可控励磁发电系统综合性实验的研究与设计张晨光河南科技学院成人高等教育郑州法商专修学院函授站（点） 电气工程及其自动化 专业 2014 届摘要 现代电力系统的发展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反映作用是不同的，要维持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发
2、电机的励磁。在各类电站中，励磁系统是保证同步发电机正常工作，提高电网稳定水平的关键设备。同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着十分重要的意义。本文主要对可控励磁发电系统进行了实验设计，首先对可控励磁发电系统做了相关简介并探讨了可控励磁发电系统的国内外未来发展形势。本文着重在可控励磁系统中的过励限制方面作了重点分析，并设计了相关的一个过励限制特性试验，对过励限制系统加深了了解。 关键词 电力系统；同步发电机；励磁控制系统；过励限制第1章 绪论1.1 发电机励磁控制系统简介同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机的励
3、磁电源的一套系统。励磁装置一般由两部分组成，一部分用于向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分;另一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元，亦称励磁调节器)。 同步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电机励磁电流IL的函数，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。因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实施控制的重要内容之一。 电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电
4、力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。 同步发电机的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。如图1-1所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。图1-1 同步发电机励磁控制系统构成示意图在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与
5、发电机组同轴的直流发电机供给，即直流励磁机方式。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率过大时制造存在困难，因此在大容量的发电机组上很少采用。同步发电机半导体励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经半导体整流后得到的。根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机半导体励磁系统又可分为两大类：1.他励半导体励磁系统这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励磁系统由于交流励磁电源取自轴功率，即主发电机之外的独立电源，故称为他励半导体励磁系统，简称他励系统。用作励磁电源的同轴交
6、流发电机称为交流励磁机。2.自励半导体励磁系统这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。1.2励磁控制系统的作用1.2.1维持发电机端电压在给定水平在发电机正常运行条件下，励磁系统应维持发电机机端（或指定控制点）电压在给定水平。通常当发电机负荷变化时，发电机机端电压将随之变化，这时，励磁系统将自动的增加或减少发电机的励磁电流，使机端电压维持在一定的水平上，保证有一定的调压精度。当机组甩负荷时，通过励磁系统的快速调节作用，应限制机端电压不致过分升高。维持发电机机
7、端（或制定控制点）电压在给定水平上是励磁控制系统最基本和最重要的作用。1.2.2提高电力系统的静态稳定性当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。我们知道，对于一条交流输电线路，在不计电阻损耗的前提下，其上流动的有功功率P与线路两端电压、，线路电抗X间的关系为： （1-1）其中，为两端电压之间的电角度差。在=时线路达到所能输送的极限功率，即对于单机无穷大母
8、线系统，不考虑凸极效应和定子电阻。发电机送出的有功功率P可用以下两式表示 （1-2） （1-3）式中：为Eq与Us间的电角度差；为Ut与Us间的电角度差；Xd为发电机同步电抗；Xt为变压器电抗；XL为线路电抗；Eq为发电机空载电动势（励磁电动势）；Ut为发电机机端电压；Us为无穷大母线电压。在发电机不进行励磁调节，即Eq=Eq0不变的条件下，极限功率角为=，线路所能传送的静稳极限功率为： （1-4）当有励磁调节器，并且具有足够能力维持发电机端电压为恒定不变时，极限功率角为=，此时线路所能输送的静稳极限功率为 （1-5） 由于同步发电机内电抗较大，通常PmUt要大于PmEq。这样，发电机励磁调节
9、器实际上起到了补偿发电机内电抗的作用。最初的复励和电压校正器由于允许的反馈增益系数较小，通常只相当于补偿掉那一段内阻抗，这时静稳功率极限只提高到维持不变的功角特性最大值。灵敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端电压恒定，相当于补偿了全部发电机的d轴同步电抗，即达到线路静稳功率极限。1.2.3改善电力系统的暂态稳定性电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰（如短路，断线等）时，能否维持同步运行的能力。总的来说，调节励磁对暂态稳定的改善没有对静态稳定那样显著。励磁系统对提高暂态稳定而言，表现在强行励磁和快速励磁的作用上。当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为电力系统的静态稳定性
10、。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最基本的困难之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。只有励磁电压上升快速并且顶值电压高的励磁系统对于改善暂态稳定才有较显著的作用，快速强励可减少加速面积，增加减速面积，提高系统的暂态稳定性。由于提高励磁系统的强励倍数受到励磁系统和发电机制造成本的制约以及发电机转子时间常数较大使励磁电流上升速度受到限制等原因，使得靠励磁控制来提高暂稳极限的幅度不可能像提高静稳极限那么显著，但其提高暂稳极限的效益还是明显的。良好的励磁控制在增加人工阻尼，消除第二摆
11、或多摆失步方面的作用则更为重要。1.2.4改善电力系统的动态稳定性动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复原始平衡点（瞬时扰动）或过度到新的平衡点（大扰动后）的过程稳定性。研究的前提是：1.原始平衡点（或新的平衡点）是静态稳定的；2.大扰动的过程是暂态稳定的。电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电震荡的阻尼问题。当阻尼为正时，动态是稳定的；阻尼为负时，动态是不稳定的；阻尼为零时，是临界状态。零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不安全因素，应采取措施提高系统的阻尼特性，即动态响应特性。研究表明，按电压偏差调节的比例式快速励磁系统，会造成电力系统机电震荡阻尼变弱。在一定的励磁方式和励磁
12、系统参数下，快速励磁调节系统的电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用，当系统总阻尼较小时，就容易导致低频振荡的发生。目前解决这一问题的方法，是在励磁调节器上附加一个补偿环节，称为电力系统稳定器。此外，采用现代控制理论的励磁控制器，如线性最优励磁控制器、自适应励磁控制器和非线性励磁控制器等励磁系统，也能有效的抑制各种频率的低频震荡。当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性，这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁自动调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的
13、有效措施。1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并联发电机间承担的无功功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关系。当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比。通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量的大小成比例的进行分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量机组担负的无功增量相应小写，这样就可使得各机组无功增量的标幺值相等。由于励磁调节器可对调差系数进行调
14、节，所以就可以达到机组间无功负荷合理分配的目的。第2章 励磁系统的过励限制2.1 过励限制的主要特性励磁系统和有刷交流励磁机励磁系统采用发电机磁场电流作为过励限制的控制量,无刷交流励磁机励磁系统采用励磁机励磁电流作为过励限制的控制量。过励反时限特性函数类型与发电机磁场过电流特性函数类型一致。因励磁机饱和难以与发电机磁场过电流特性匹配时宜采用非函数形式的多点表述反时限特性。隐极式同步发电机转子过电流特性表达式如下： (2-1)式中:为发电机磁场电流对额定磁场电流的比值;t为许可的过电流持续时间。水轮发电机转子仅有承受的持续时间的描述,缺少过电流特性的函数描述。励磁系统功率单元(励磁变压器、整流桥
15、、励磁机等)的过电流能力应保证实现发电机转子过电流能力,但是某些交流励磁机励磁系统的顶值电流可能小于发电机转子过电流能力,当两者不相同时按小者确定。按照继电保护规定,转子绕组过负荷保护特性与发电机转子过电流特性一致。过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差,确保在保护动作之前限制动作。过励反时限启动值小于发电机转子过负荷保护的启动值,大于Ifn,一般为(105%110%)Ifn。启动值不影响反时限特性,并当磁场电流大于启动值后进入反时限计算。过励反时限限制值一般比启动值减少(5%10%)Ifn,以释放积累的热量,也可限制到启动值,再由操作人员根据过励限制动作信号减少磁场电流。限制环节可以有不大于0.3 s时间常数的惯性环节,以减少有功功率波动和无功功率超调。过励限制信号测量误差小于0.5%,时间误差小于0.05%,有良好的调节参数,使得限制过程快速而稳定,过励限制特性能够通过试验证实。2.2限制过程过励反时限限制动作转为定磁场电流控制,磁场电流给定值(即限制值)瞬间给出,或者经过一阶惯性给出,有不同
