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1、第三章 同步发电机励磁自动控制系统,内蒙古工业大学 电力学院,4.1.1,总 述,一、发电机励磁系统的任务,同步发电机励磁系统由同步发电机及其电压互感器(YH)、电流互感器(LH)和励磁系统组成的一个反馈自动控制系统。,第一节 概述,系统,输入信息,励磁系统是向发电机供给励磁电流的系统，包括产生发电机励磁电流的励磁功率单元、 自动励磁调节器、 手动调节部分以及 灭磁、保护、监视装置和仪表等。自动励磁调节器是根据发电机电压和电流的变化以及其它输入信号，按事先确定的调节准则控制励磁功率单元输出(励磁)电流的自动装置。,一、同步发电机励磁控制系统的主要任务(一)控制电压:维持发电机端或指定控制点的电
2、压在给定水平上,发电机单机带负荷运行时,励磁控制系统的电压调节作用可用图3-2说明。FLQ是发电机的励磁线圈，G和İG分别为发电机定子电压和电流。,图3-2 发电机稳定运行图(a)原理图,正常时,流经GEW的励磁电流IEF在同步发电机内建立磁场,使定子绕阻产生空载感应电动势q; 改变IEF大小, 可使 q相应变化图3-2(b)是发电机稳态运行的等值电路图，其间关系用数学式表达为Xd发电机的直轴电抗。,(b)等值电路图,İG,图3-2 发电机感应电动势与励磁电流关系图,(a)原理图,一般很小,可近似认为cos1,于是上式简化为,(C)发电机的向量图,.,.,是Eq和UG之间的夹角,即发电机的功率
3、角;İq和İp为发电机的无功和有功分量;发电机的功率因数角。根据向量关系,得出,İp,İq,İG,UG=f(Iq)称为发电机的外特性,Eq和IEF成正比。当IEF不变时,Iq变化将引起UG的变化,即发电机单机带负荷运行时,电压变化主要是由定子电流的无功分量Iq变化引起的,若发电机的无功电流Iq不变，改变IEF可以改变Eq，进而可以改变UG或UG保持恒定，即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。,Iq,UG,Eq,0,Iqe,UGe,发电机的外特性(IEF不变时),Eq,IEF,IEF,Iqe,UG,返回,发电机并网运行时，系统的电压水平由系统中无功电源发出的无功功率总和与系统中负荷
4、所消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。(功率平衡等式)并网运行时的单机容量相对有限, 改变一台发电机的励磁电流对系统电压水平的影响不像单机带负荷运行时的影响那么大，而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。,当系统容量无穷大时,系统电压为恒定值,改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水平没有影响。但是，系统中各节点电压是不相同的，因此，对并网运行发电机的UG随IEF变化的情况要做具体分析。结论：同步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。,(二)合理分配并联运行发电机间的无功功率,电力系统中是多台发电机并联运行的。为保证系统的电压质量和无功潮流合理分布,要求
5、合理控制系统中并联运行发电机输出的无功功率。所谓“合理控制”包含两层意思：每台发电机发出的无功功率数量要合理；当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。,1.发电机无功功率控制的原理,条件:设同步发电机与无穷大电力系统并联运行,即发电机端电压不随负荷的变化而变化,是一个恒定值。同时假定发电机定子电阻为零,并忽略凸极效应。而发电机发出的有功功率受调速器控制，机组调节发出的无功功率时不会引起频率变化，因此机组发出的有功功率PG为常数。,可以写出下列表达式PG=UGIGcos=常数PG=(EqUG/Xd)sin=常数功率因数角；发电机的功率角。由上两式得,(a),图
6、3-4同步发电机与无限大母线并联运行,由图IEF2IEF1时，Iq2 Iq1由于UG=定值,所以当励磁电流IEF增加时,发电机发出的无功功率(QG=UGIq)就增加了.同样,当IEF减少时, QG就会减少。此即无功功率调节的原理.,(三)提高电力系统的稳定性,静态稳定:电力系统正常运行状态下，系统的负载(或电压)发生微小扰动时,系统本身保持稳定传输的能力.这可以用自动控制理论用微分方程建立动态系统的数学模型。暂态稳定:电力系统在某一正常运行方式下，系统突然遭受大扰动后,同步发电机能否过渡到一个新的稳定运行状态或恢复原来稳定运行状态的能力.(指事故后第一个振荡周期内的稳定性,由强励倍数、响应比及
7、强励倍数的利用程度)大扰动是指:如高压电网发生短路、接地、断线故障以及切断故障线路后短路或发电机被切除。(阻尼正、负、零)。动态稳定:当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的作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。,4.1.2,1.励磁对静态稳定的影响,发电机的输出功率为,UG,UB,单机向无限大母线送电原理图,Eq,Xd,XL,UG,提高并联运行的稳定性,a,b,c,同步发电机的功角特性（内功角特性）,最大可能传输的功率为,称为功率极限，90则称为静态稳定极限点,动态稳定极限Pm与Eq成正比，而Eq与励磁电流成正比。无自动励磁调节作用时，IEF恒定，Eq=常数，此时的功角特性
8、称为内功角特性。,励磁电流不同得到一簇曲线，发电机的功角特性可表示为,称为外功角特性。e点的=G+9090，若发电机具有灵敏快速调节准则完善的自动励磁调节器，可使发电机端电压维持恒定。功率传输极限为,见粗线,它使发电机能在大于90度范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。,曲线1的功角极限小于90称为自然稳定区。曲线2的功角极限大于90称为人工稳定区。调节励磁调节器,维持不同点电压恒定，可得到不同人工稳定区的功角特性曲线。,(3)励磁对提高暂态稳定的作用（单机并无限大系统）,a点为正常稳定运行点P0大干扰后,电压突降b点,若励磁保持原态,因惯性输入仍为P0,在a点
9、运行机械功率P0 电磁功率Pb,转子加速,延b向G移动,G点后P0 P制动减速,等面积法则。,Pb,若在刚受干扰后强励从G点转到上运行可增大减速面积,使发电机第一次摇摆幅值减小,改善了发电机暂态稳定性。,当Gedf=abG时,转子从d沿向减小的方向可能变动到K点，减速面积过大不利,再回到运行,可减小减速面积和回程振幅,利于稳定；若前强励,还可减小加速面积。,启示：在一定条件下对励磁自动控制系统进行适当的控制,可以改善电力系统暂态稳定性。强行励磁的作用,要使励磁系统在短暂过程中完成符合要求的控制必须要求励磁系统具备快速响应的条件。为此，一方面缩小励磁系统的时间常数，另一方面尽可能提高强行励磁的倍
10、数。由图Te在0.3s以下时，提高强励倍数K对提高暂态稳定功率效果显著。当Te较大时效果不明显。,结论：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。励磁系统对暂态稳定的改善没有静态稳定那么明显。,发电机励磁系统的任务,（四）强行励磁以改善电力系统运行条件,1.改善异步电动机自启动的条件,电网发生短路等故障时，电网电压降极低，使未切除的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,有效地改善电动机自启动条件。,右图表示机组有励磁自动控制和没有励磁
11、自动控制时短路切除后电压恢复的不同情况。,1,2,010 2030t(s),U*1.21.00.80.4,曲线1无励磁自动控制时曲线2有励磁自动控制时,2.为发电机失磁异步运行创造条件当发电机失磁时，某些发电机可不退出运行，要在吸收大量无功功率的条件下转入异步运行，导致系统电压下降。此时，系统中其它正常运行机组的励磁系统能及时增加励磁提供足够的无功功率，以维持电压水平，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。,3.提高继电保护的灵敏度和工作的正确性,当系统低负荷运行时，If较小，若此时短路，短路电流也较小，且随时间衰减，带
12、时限的继保不能动作。励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁电流（可强励）来增大短路电流水平，使继电保护正确动作。,（五）对于水轮机要求能强行减磁,过电压原因：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，由于发电机电压与励磁电流和转速成正比,使水轮机甩负荷时端电压上升得很高,即产生了过电压。会使发电机过电压升高到危及定子绝缘的程度。采取措施：迅速降低发电机的励磁电流，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。,水轮机标准转速在71.41000rmin,大多在200 rmin以下。电磁式励磁调节器中，为防止水轮发电机过电
13、压，设有强行减磁装置。当发电机电压UG=115UGe (额定电压)时，强行减磁动作，减少励磁电流。当UG=130UGe时，延时0.5s跳发电机灭磁开关，强行把励磁电流减到零。汽轮机调速器较灵敏，不易超速，无此要求。,二、对励磁系统的要求,维持电压水平和无功的合理分配,控制能力和调节范围,快速反应能力,高度的可靠性快速性,结构简单，易于维护,足够的阻尼能力,励磁调节器: 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。 励磁功率单元: 受励磁调节器控制，并向同步发电机转子提供励磁电流。 分别讲基本要求：,三 对励磁系统的基本要求,（一
14、）对励磁调节器的基本要求,1.保证发电机端电压调节精度不大于规定值：系统正常运行时，励磁调节器应能反应发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。发电机端电压调节精度用励磁控制系统的静差率表示.励磁系统的静差率是指发电机励磁自动控制系统在额定负载状态下投入运行、在自然调节特性下即励磁系统调差单元(亦称为无功补偿单元)切除、发电机电压的给定值不进行调节的情况下，原动机转速及功率因数在规定范围变化，发电机负载从额定变化到零时发电机端压变化率，即,UG0发电机空载额定工况下的发电机端电压,vUGe发电机额定工况下的发电机端电压。国家标准规定，励磁系统应保证发电机端电压静差率1(对于半导体型励磁调节器)
15、或3(对于电磁型励磁调节器) 静差率等同于发电机负载变化时励磁系统控制精度.,0 IGe IG,UGUG0UGe,2.励磁调节器应能合理分配机组的无功功率为此应保证发电机电压调差率有足够的整定范围,发电机端电压调差率也称为无功电流补偿率。它是指同步发电机带负载运行，在自动励磁调节器的调差单元投入、电压给定值固定不变、发电机功率因数为零的情况下，发电机无功负荷从零变化到额定值时发电机机端电压的变化率；发电机端电压调差率通常用表示，按下式计算,UG0发电机空载额定工况下的发电机端电压,v；U发电机cos0,无功电流等于额定值时的发电机端电压,v。一般设U=UGe。国家标准规定，励磁系统应保证同步发电机端电压调差率为10(对于半导体型励磁调节器)或5(对于电磁型励调节器)。,0 IQe IQ,UGUG0 U,3.对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，可保证发电机有良好的静态稳定性能，要求励磁调节器没有失灵区；4.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；5.具有较小的时间常数,能迅速响应输入信息的变化.6.励磁系统应有快速动作的灭磁性能。当发电机内部故障或停机时，快速动作灭磁能迅速将磁场减小到最低，保证发电机的安全。,
