《值长培训讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《值长培训讲义（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、同步发电机励磁控制系统同步发电机励磁控制系统一、有关概念1、励磁系统励磁系统是供给电机直流励磁电源的一套系统。主要包括：励磁电源（直流或交流励磁机、励磁变压器、整流桥等） ，调节和控制设备（自动电压调节器、稳定器等）以及其他附属保护和量测设备等。2、励磁控制系统励磁控制系统是一种控制系统，它控制同步发电机的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的功率因数和电流等参数。由于大型机组的这些参数直接影响系统的运行状态，所以在某种程度上也可以说，励磁控制也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制密切相关。二、励磁控制系统的发展在最近的 2050 年内，随着电力系统的发展和机组单机
2、容量的增大，同步发电机的励磁及其控制系统发生了很大的变化，主要表现在：1、可控硅励磁代替了直流励磁机。过去同步发电机都是用与它同轴的直流发电机提供励磁电流。现在容量大于 150MW 的汽轮发电机和水轮发电机，都不用同轴的直流电机作为励磁机，几乎全部用可控硅整流电源供给直流励磁电流。1.1 原因分析1）随着发电机单机容量的增大，其所需的励磁容量也随着增大；现代同步发电机的励磁容量约占电机容量的的 0.2%0.6%，励磁机的额定电压一般不超过 400500V，所以，100、200、300、600MW 大型机组的励磁机励磁容量分别达到450、800、1300、17002000kW，励磁电流达到 20
3、006000A。制造这样大容量、高速度（汽轮发电机转速 3000 转/分）的直流发电机显然有很多困难，如机械整流复杂不可靠、炭刷磨损大、容易冒火花等，所以汽轮发电机的直流励磁机的极限容量一般不超过350450kW。水轮发电机组的转速低，机械整流不显得特别困难，但极限容量受到它本身尺寸和体积的限制。如果励磁机的体积尺寸太大，机组长度增大，则会使水电厂厂房高度增加，经济上显得很不合理。2）大型机组由于采用内冷和其他强制冷却方式，绕组的电流密度取得很大，这样将引起发电机的阻抗值增大、惯性常数降低。发电机参数的恶化引起系统稳定性能降低，直流发电机的机械时间常数大、反应速度慢，满足不了大系统稳定的要求。
4、从这一方面要求出发，也必须用快速半导体励磁取代常规的直流励磁机。2、励磁调节器逐步演变为多功能、多变量的控制器。随着电力系统的扩大以及快速励磁的应用，在系统中出现了很多新的问题。例如：系统联络线上出现的持久的低频振荡；由于线路串联电容所引的次同步振荡、机组轴上的扭动振荡；应用快速励磁后产生的负阻尼等。应用单输入、单变量的励磁调节器已很难解决上述问题。为了阻尼振荡、扩大稳定范围，就必须应用控制理论和计算机技术将单纯的励磁调节器演变为多功能、多变量的控制器。3、最优控制理论在励磁控制方面的应用。近年来，最佳控制理论在电力系统中的应用也有了发展，在励磁控制方面也希望有一个最佳动态特性，即状态变量偏差
5、连同控制量一起达到最小程度。由于系统在遭受大小干扰时，其状态变量（如功率、电压、电流、频率等）都随运行状况而改变，为此，往往要求在控制回路中增加几个变量回路。三、励磁控制系统的任务根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承担如下的任务：1、电压控制电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应变化。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务。+ （1）qEGUQIdX（1）式说明，负荷中的无功电流是造成和幅值差的主要原因，当励磁电流qEGU一定时，发电机端电压随无功负荷增大而下降。EFIGU图 1
6、同步发电机的外特性图 1 说明，当无功为时，发电机端电压为额定值，励磁电流为。当无功1QIGnU1EFI电流增大到时，如果励磁电流不增加，则端电压降至，可能满足不了运行的要求，2QI2GU必须将励磁电流增大到才能维持端电压为额定值。同理，无功电流减小时，2EFIGnU也会上升，必须减小励磁电流。同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节GU励磁电流来维持机端电压为给定水平的。2、控制无功功率的分配为了使分析简单起见，设同步发电机与无限大母线并联运行，即发电机端电压不随负荷大小而变，是一个恒定值，如图 2（）所示，图 2（）是它的矢量图。ab图 2 同步发电机与无限大母线并联运行（）接线图；
7、（）矢量图ab由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。故无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数，即GP=cos=常数 （3）GPGUGI式中，功率因数角。当不考虑定子电阻和凸极效应时，发电机功率可以下式表示=常数 （4）GPqGdE UXsin式中，发电机的功率角。以上两式分别说明当励磁电流改变时， cos和sin的值均保持恒定，即GIqEcos=GI1Ksin=qE2K由图 4（）中的矢量关系可以看到，这时感应电势的端点只能沿着虚线变化，bqE&AA而发电机电流的端点则沿着虚线变化。因为发电机端电压为定值，所以发电机GI&BBGU&励磁电流的变化只是改变了机组的
8、无功功率和功率角值的大小。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，即系统等值阻抗并不等于零，它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它的电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况有关。因此，同步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。3、提高同步发电机并联运行的稳定性3.1 稳定性及其分类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，电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰，在各种扰动后，发电机组能够
9、回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。其主要标志是在暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。为了便于研究，将电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两类。3.2 电力系统静态稳定指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后回复到原来运行状态的能力。3.3 电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能否过渡到一个新的稳定运行状态，或者回复到原来运行状态的能力。这里，所谓的扰动是指电力系统发生某种事故，如高压电网发生短路或发电机被切除等。3.4 电力系统动态稳定电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定问题称为
10、动态稳定。在分析电力系统稳定性问题时，不论静态稳定或暂态稳定，在数学模型表达式中总含有发电机空载电势，而与励磁电流有关。可见，励磁自动控制系统是通过改变励磁qEqE电流从而改变值来改善系统稳定性的。qE4、改善电力系统的运行条件发电机励磁控制系统在改善电力系统运行条件方面起了十分重要的作用。4.1 短路切除后可以加速系统电压的恢复过程，改善异步电动机自启动条件电网发生短路等故障时，电网电压降低，使大多数用户的电动机处于制动状态。故障切除后，由于电动机自启动时需要吸收大量无功功率，以致延缓了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复，有效地改善电动机的运行条件。图 3 表示了
11、机组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。图 3 短路切除后电压的恢复4.2 为发电机异步运行和自同期并列创造条件同步发电机失去励磁时，需要从系统吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度下降，严重时甚至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，以维持系统电压水平，则失去励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。当系统中有功功率发生缺额时，备用水轮发电机组用自同期并列方式迅速投入电网，这对保证系统可靠运行具有一定的意义。然而发电机组用自同期方式投入电网时，将会造成电网电压的
12、突然下降，这时系统中其他机组应迅速增加励磁电流，以保证电网电压的恢复和缩短机组的并列过程。4.3 提高继电保护装置工作的正确性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动作。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。5、满足水轮发电机组强行减少励磁的要求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
13、动控制系统能实现强行减少励磁。四、对励磁系统的基本要求励磁系统是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成的，为了充分发挥它们的作用，完成发电机励磁自动控制系统的任务，对励磁功率单元和励磁调节器性能分别提出了如下的要求。1、对励磁调节器的要求我们知道，励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号，经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的发电机励磁电流。所以对它的要求如下：（1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压的高低以维持发电机电压在给定水平，并能合理分配机组间的无功功率和便于实现无功功率的转移。（2）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
14、系统运行的条件。（3）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。（4）结构简单可靠，操作维护方便，并逐步做到系列化标准化。2、对励磁功率单元的要求励磁功率单元受励磁调节器的控制，对它的要求如下：（1）具有足够的调节容量发电机在运行中，为了维持系统电压或者发送无功功率，都是靠改变励磁电流来实现的。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量，以适应各种工况的要求。（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技术指标。5、几种常见的励磁系统1、
15、直流励磁机系统直流励磁机系统是过去常用的一种励磁方式。由于它是靠机械整流子换相整流的，当励磁电流过大时，换相就很困难，所以这种方式只能在 100MW 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。2、交流励磁机系统目前，容量在 100MW 以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁机系统，同步发电机的励磁机也是一台交流发电机，其输出经大功率整流器整流后供给发电机转子回路电流。交流励磁机系统的核心设备是交流发电机，它的频率、电压等参数是根据需要特殊设计的，其频率一般为 100Hz 或更高。交流励磁机系统根据励磁机电源整流
16、方式及整流器状态的不同又可分为以下几种。2.1 他励交流励磁机系统他励交流励磁机系统是指交流励磁机带有他励电源中频副励磁机。在此励磁系统中，交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁，其中硅整流器可以是静止的也可以是旋转的，因此又可分下列两种方式。（1）交流励磁机带静止硅整流器方式 如图 4 所示的励磁控制系统是由与主机同轴的交流励磁机、中频副励磁机和励磁调节器等组成的。在这个系统中，发电机的励磁电流由频率为 100Hz 的交流励磁机经硅GAE整流器供给，交流励磁机的励磁电流由可控硅整流器供给，其电源由副励磁机提供。副V励磁机是自励式中频交流发电机，用自励恒压调节器保持其端电压恒定。由于副励磁机的起励电压较高，不能象直流励磁机那样能依靠剩磁起励，所以在机组起动时必须外加起励电源，直到副励磁机的输出电压足以使自励恒压调节器正常工作时，起励电源方可退出。图 4 他励交流励磁机原理接线图在此励磁系统中，励磁调节器控制可控硅元件的导通角，来改变交流励磁机
