同步发电机与励磁系统课件.ppt

2014.10.12,励磁系统&同步发电机,目录,1、同步发电机特性；2、同步发电机运行3、励磁系统网源协调；4、发电机调差率、调压精度；5、直流励磁机；6、交流励磁机；7、高起始励磁系统；8、励磁系统分类；9、励磁系统并联校正；10、励磁系统频域和时域分析。,电和磁的关系复杂：1、通电的导通会产生磁场，磁场会有磁力线；“右手定则”2、导体在磁力线运动会感生电动势；3、感应电势在闭合的导通中会产生感应电流；“左手定则”4、感应电流又会产生新的磁场。,励磁的作用巨大：1、发电机旋转的转子上有励磁绕组导体，由励磁装置提供直流电源后产生旋转的磁场。2、发电机静止的定子上有电枢绕组导体，在转子的旋转磁场下产生交流感应电势，经负载产生交流电流送给千家万户。,1.1、励磁与同步发电机,e=Blv,1、发电机分为直流发电机和交流发电机；2、交流发电机分为异步发电机和同步发电机；3、所谓异步或同步，是指发电机的转速是否与电网频率同步，也就是发电机的转速n是否等于60f/p。,1.2、同步发电机与励磁,n=60f/p,对于接入电网频率是50Hz的同步发电机来说，一对磁极的同步转速是3000r/min；2极同步转速是1500r/min，对于溪洛渡水轮发电机来说，p=24，故同步转速n=125转/分钟。,具备了同步转速的发电机就能并网发电吗？,No,具备了同步转速的发电机，必须给转子励磁，才能并网发电。,励磁的最大作用就是同步！只有励磁的电机才是同步电机，包括发电机和电动机！,发电机功角的空间概念保持发电机同步运行，将机械功率功率送入电网,定子电流建立电枢反应磁场,转子电流建立主磁场,1.3、并网后的同步作用,2个磁场合成气隙磁场，形成像弹簧一样的磁力线，倾斜方向和程度表示同步发电机定转子的作用和反作用力量大小。,E0=4.44fN0,1、具备同步转速的发电机，空载加励磁发电机升压，短路加励磁发电机升流；转子电流建立0，定子感应交流正弦波有效值E0，空载电势；2、发电机空载特性和短路特性，是发电机最重要的特性；,1.4、并网前的升压升流曲线,空载特性UG=f（If）；短路特性IGC=f（If）,1、纵轴电抗Xd=Ifc/If0=1964/2351=0.8354;短路比Kc=If0/Ifc=1.197；2、If1.0p.u.=气隙线电流Ifa=2092A，励磁电流标幺值；3、Uf1.0p.u.=Ifa*75转子电阻（假设0.1）=209V，励磁电压标幺值；4、发电机负载特曲线cos=0.9曲线：当发电机定子电流保持额定不变和cos保持0.9不变的情况下，UG=f（If）曲线。 额定定子电压对应的励磁电流就是额定励磁电流；5、发电机负载特曲线cos=0曲线：当发电机定子电流保持额定不变和cos保持0不变的情况下，UG=f（If）曲线。 额定定子电压对应的励磁电流就是最大励磁电流。,1.5、并网前的升压升流参数,1.6、同步发电机功角特性,同步发电机功角特性Pe=f（）发电机功角的电气概念U和E的角度发电机功角的空间概念气隙合成磁场的等效磁极轴线与转子磁极轴线的角度,1、发电机的功角是发电机电压和内电势之间的角度，电抗是Xd和Xq；2、如果电压取母线电压，则电抗增加主变电抗，如果取远方母线电压，则再增加线路电抗；3、静稳极限Pem、稳定裕度Pem-P,1、同步发电机按照磁极形状分为隐极（汽轮机）和凸极（水轮机）两种；2、凸极机磁极凸起，轴短而直径大，造成d轴和q轴的气隙不均匀；3、隐极机的磁极隐于轴内，轴长而直径小，d轴和q轴的气隙基本均匀。,1.7、同步发电机结构分类,1、励磁电流If产生励磁主磁通0，0感应出生空载电势E0；并网后定子电流产生电枢反应磁通a，a产生Ea；0和a产生气隙磁通，产生气隙电势E；2、为了利用等效电路反应电势、电压、电流的欧姆关系，引入电枢电抗Xa=Xad=Xaq（气隙均衡）和漏电抗Xs，最后用隐极发电机同步电抗Xd=Xa+Xs代替，建立0=+jİXd公式，反映三相对称定子电流建立的电枢磁场对定子相电势的综合影响。,1.8、隐极发电机电势向量图,=0-jİXd,3、转子磁场轴线位于d轴，则电势E0纵位于q轴，并网后则用q代替0并且有q=+jİXd,q=+jİXd,1.9、凸极发电机电势向量图,=0-j（İdXd-jİqXq）；İ=İd+İq；İd和Xd纵轴同步电抗和电流；İq和Xq横轴同步电抗和电流。,q=+j（İdXd+İqXq）,1.10、凸极发电机Eq和EQ区别,1、已知发电机电压、电流İ和功率因数角以及发电机Xd和Xq，如何画出同步发电机的电势简化向量图？2、根据隐极机q=+jİXd公式，可以方便画出；,3、但是根据凸极机q=+j（İdXd+İqXq），却画不出了，因为不知道İd和İq位置，其实质是不知道功角；,4、为此虚拟一个Q=+jİXq，先确定q轴，得出功角，画İd和İq，再根据q=+j（İdXd+İqXq），完成凸极机电势简化向量图。5、q和q对学习励磁很重要。,1、转子角速度 =2 f，这里的f是发电机转子速度。在稳态的时候，可以用发电机电压频率替代，但是在电力系统摇摆的过程中， 2 f （电压频率）；2、由于测量计算困难，一般用 Q的频率替代 ，并且这种替代在任何时候都是成立的，因为Q就在q轴上，总是能反映转子的摆动，即；3、由于发电机电压总是随着功率因数或功角的摆动在变化，故PSS不能用电压的频率替代。,大型电厂加速功率型PSS输入信号分别取发电机转速、机端电压频率、EQ频率对发电机及电网运行的影响：（1）华中孤网运行时，机组采用机端电压频率为输入信号时，系统阻尼稍有恶化。（2）华北华中联网运行，都采用机端电压频率为输入信号时，在某些运行方式下电网与机组的功率振荡不能平息。(3) 三台PSS采用机端电压频率为输入信号，对阻尼影响不大。（4）EQ频率等同于转速，加速功率型PSS采用EQ频率作为输入信号与采用转速为输入信号时特性几乎完全相同,1.11、f与的关系,1.12、同步发电机V形曲线,1、同步发电机V形曲线：IG=f（If）；2、滞相：Ig滞后于Ug，发有功和无功；3、进相： Ig超前于Ug，发有功和吸收无功；4、调相：P=0，调整无功，滞相或进相运行；5、逆功率：P0，无功滞相或进相。,V形曲线重点：滞相区域，减小If，Ig同步减小；进相区域：减少If，Ig反而增大。故励磁调节器定子电流限制分区域限制，作用完全相反。,1.13、同步发电机暂态特性,1、暂态电抗Xd当同步发电机出现扰动（突然短路、突然增减负荷）瞬间，纵轴电枢反应磁通突变，但气隙磁通不能突变，励磁绕组突变的部分磁通只能通过漏磁构成回路，由此对应的Xd突然变小，由原来的Xd=Xad+Xs，变为Xd=Xs；2、暂态电势Eq电势Eq（f*Xad/Xf）代表于励磁绕组磁链fd（IfXf-IdXd）成比例的一个虚拟量。当同步发电机出现扰动（突然短路、突然增减负荷）瞬间，转子磁链fd是不变的，这样Eq亦将不变。其后随着转子自由分类电流的衰减，励磁绕组的磁链亦随之衰减，与之对应的暂态电势Eq衰减规律相同于fd。,1.14、同步发电机PQ区域,Frequency（f） Active Power（P）,Reactive Power（Q）Terminal Voltage（Ug）,Governor调速,Excitation励磁,AVR：Auto Voltrge Regulator,AVR+PSS,2.1、同步发电机的调节框图,PSS：Power system stabilizer,2.2、有功和无功调节的影响,调节无功的方法：1、增减本机的励磁、改变E0/Eq；2、改变他机的励磁，影响系统电压， 在E0/Eq不变的情况下，流向系统的无功电流增加，即发出的无功增加。,1、调节有功的方法；2、调有功对无功的影响：有功变化，定子电流变化，去磁反应变化， 机端电压也要变化，但是经AVR调节， E0/Eq变化，发电机电压又恢复到原来位置，无功也不变。（ECR模式除外）,调无功对有功的影响：调节无功，改变了E0/Eq，功角会摆动，有功也会摆动，但这是瞬时p，由于输入的机械功率不变，这样输出的平均P也不变。,比喻：河流必须有一定的水位才能行船，电网必须有充裕的无功功率来保证电压稳定，才能平稳安全的输送有功功率。电压不稳，增减无功使之保持稳定不变；有功稳定传输，需要无功充裕，电压稳定。,发电机有功、电压、无功三者关系：船、水位、水,2.3、有功、电压、无功关系,2.4、励磁对频率的负面影响,POLE CORE,电枢绕组,电压无功变化,大于人工死区的频率变化调速器频率有功稳定,阻尼绕组,频率有功变化,AVR无人工死区，灵敏度很高且精度很高,小于人工死区的频率变化AVR可能削弱阻尼系统低频振荡,由于励磁绕组大电感滞后效应,PSS,2.5、AVC与励磁无功闭环,AVC：通过采集母线电压、母线无功（主变高压侧无功）等实时母线数据，机组有功、无功、定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流，实时计算出电厂侧的系统阻抗，通过特定算法预测出在设定目标电压值下注入电网的母线无功；据机组PQ曲线图，确定机组无功限制，并将无功变化量以母线机组可调无功权系数的方式将机组无功合理分配至各机组控制器。,DCS无功闭环：接受AVC指令，对机组无功进行闭环调节，向励磁送出控制命令，通过变更电压给定值，调整机组无功，达到实时调节电厂高压侧母线电压的目的。,2.6、AVC与励磁无功闭环,AVC 运行可能出现的问题：AVC 控制与手控机组间的无功协调问题。当部分机组不参与AVC 控制时, 不参与AVC 控制的机组只能接受运行人员的人工监视与控制, 难以与AVC 控制机组的无功进行协调, 可能会产生AVC控制与手控机组间无功进行转移, 无法调整母线电压的不正常现象, 极端情况下可能造成母线电压的波动现象。系统事故时的处理：参与AVC 控制机组采用无功闭环控制, 一般以机组无功分配的方式实现, 形成恒无功控制方式。当系统出现事故时, 恒无功方式并不能抑制电压波动, 甚至加剧电压波动。,鉴于AVC 运行可能出现的问题，调度明确规定：AVC控制机组达到一定数量后，经过试验才能投入；AVC退出后DCS无功闭环也要推出运行，即DCS无功闭环不能单独运行；调节器正常运行在AVR模式下，不能投入励磁的无功闭环。,3.1、励磁动态运行特性巡检,误区：励磁系统很少强励，励磁动态运行特性，主要是快速性看不到。实际：由于电力系统扰动经常发生，一旦引起发电机电压突变，励磁系统立即作出快速反应（强励或强减），可以利用巡检故障录波来发现。,3.2、网源协调：定子电流限制,3.3、网源协调：过励限制,3.4、网源协调：欠励限制,3.5、网源协调：伏赫限制,4.1、励磁调节器调差作用,Ug,Q,-,0,+,短路电抗,+,陡,陡,0调差,稍陡,更陡,稍陡,负调差,内阻很小的蓄电池并联，电压不同，后果严重,正调差,发电机调差率：Ug=f(Q)与调节器有关；无功补偿：调节器功能，影响调差率在AVR下，无功补偿等于调差率。,4.2、励磁调节器调差原理,调差系数定义D(%)=（Ug0-Ug）/Ugn）100%,发电机调差D定义：纯无功电流达到额定定子电流下的发电机电压与空载电压的差值。,调差的实施：将D值根据不同无功按比例叠加带给定环节或测量环节。,(D Q),Iq,U,Ug,Ign,Ug0,D,同一个D值，加入给定环节或测量环节，其结果相反，一个正调差，另一个就是负调差。假设一个正(D Q)值（3V），加入给定环节（100V），使给定增大（103V），其结合是发电机电压升高（103V），是负调差3%；假设一个正(D Q)值（3V） ，加入测量环节（100V），使测量增大（103V），其结合是发电机电压下降（97V），是正调差（3V） 。,3V,4.3、调差系数计算公式,发电机调差率计算公式（无功实名值）：E（%）=（USn）/Q1其中U=Ugref（%）-Ugact（%） ， Q1是U对应的无功，Sn是视在功率，也是Q标幺的基准值。要求尽量多带无功，Q1与Sn单位一致。,4.4、调压精度与静差率,比较二者得出：调压精度考核严格，而静差率试验简单，静差率指标应该比调压精度高。然而，MEC7000给出了相反的观点，使得我不得不追根求源，仔细探讨。,电压误差，即静差率,调压精度,4.5、发电机静差率,1、静差是指一个闭环系统在Kp作用下的静态误差；2、励磁静差率也应该是调节器纯比例环节的静态误差。目前规程上的静差率是针对以前没有积分的古老调节器而言。,静态误差=给定-反馈,3、对于现在具有积分环节励磁调节器而言，静差率是一个很复杂的试验，属于励磁建模试验。这个试验要退出积分环节，才能进行测量；4、MEC7000的静差率是1%，这是纯比例调节的结果。如果投入积分，误差会变得更小，调节精度就变为了0.5%；5、所以，建模试验测量静差，工程上则只需进行简单的调压精度试验，以满足日益增多的检查要求。,4.6、调压精度计算公式,发电机调压精度计算公式（无功实名值）：D（%）=（USn）/P2其中U=Ugref（%）-Ugact（%） ， P1是U对应的无功，Sn是视在功率，也是P标幺的基准值。要求尽量多带有功，P1与Sn单位一致。,调差已退： U：P2=E：Sn,P1,P,Ug,Ugref,Sn,E,U,Ugact,要求尽量有功变化大，可以利用机组甩负荷或进相试验进行，要求调差退出、励磁不进行增减磁，可将励磁置现地，用高精度表计测量发电机电压。,5、直流励磁机,直流励磁机就是直流发电机。直流发电机：定子是励磁绕组；转子是电枢绕；换向器相当于全波整流，将交流变为直流，作为直流电源提供给发电机励磁绕组。,直流发电机分类,a：他励；b：并励；c：串励；d：复励。,5.1、直流励磁机励磁系统,复励直流发电机励磁系统：励磁机并励绕组、励磁机并励绕组电流调节电阻、励磁机串励绕组；发电机励磁绕组；非自动电压调节器，是励磁电流调节器；励磁机串励绕组起是负荷补偿绕组，随发电机负荷增加而增加励磁电流。,并励直流发电机励磁系统：励磁机并励绕组、励磁机并励绕组电流调节电阻；发电机励磁绕组；TK复励变压器，起到随发电机负荷增加而增加励磁电流。,5.2、直流励磁机强励强减,过去强励和强减概念：检测发电机电压，当低于或高于强励强减整定值（低于80%强励，高于120%强减），则短接或投入限流电阻，快速改变发电机励磁电压，使之强励和强减。因此，在励磁参数值中可以找的强励强减整定值，现在采用无级快速变化的晶闸管励磁，再也没有这个参数了，请注意！,电阻,强励和强减继电器,2022/12/4,37,可编辑,5.3、磁放大器直流励磁机系统,简单的励磁机励磁系统，仅仅只是励磁电流调节和继电器强励强减功能。为了补偿发电机感性负载的去磁作用，故开始设计正比于定子电流增加而使励磁电流增加的复励系统。（复励）为了稳定发电机电压，开始利用磁放大器进行发电机电压控制。（自励）为了便于调节控制，直流励磁机的励磁绕组设置2个，一个提供复励励磁电流，一个提供电压调节励磁电流。,5.4、其他类型直流励磁机系统,永磁机他励直流励磁机复励励磁,简单无刷励磁系统,永磁机的优点：1、同轴，可靠性高；2、他励，不受电网影响；3、可以用提供频率方法来减少励磁回路时间常数。,6、交流励磁机,交流励磁机：普通交流发电机，其电枢绕组带三相整流桥电路，将交流电变为直流电，供给发电机励磁绕组。交流励磁机分为2类：有刷交流励磁机，无刷交流励磁机。有刷交流励磁机的转子是励磁绕组，定子是电枢绕组，其交流输出经整流桥后再经过碳刷进入发电机励磁绕组。无刷交流励磁机的定子是励磁绕组，转子是电枢绕组，其交流输出经整流后直接进入发电机励磁绕组。,6.1、交流励磁机特性简介,1、交流励磁机的短路暂态特性同普通交流发电机一样，有电枢反应，有Xd、Xd、Eq、Eq的等概念。有的交流励磁机是一个凸极发电机，比如电枢旋转式；2、交流励磁机三相空载短路同普通发电机一样，励磁电流突变并产生直流分量；3、对于凸极机来说，EQ=U+jIXq，是凸极机虚拟量，但很重要，只有先确定EQ，才能建立d-q轴，才能计算Eq。,6.2、交流励磁机饱和特性,1、交流励磁不仅有空载特性，还有负载特性，饱和系数是模型的重要参数；2、饱和系数SE=（Ife-If0）/If0，标准中是（A-B）/B；3、恒值电阻负载是指励磁机带固定电阻负载，实质是指发电机的负载性质；4、实际的负载特性是建立在恒电阻和恒电流负载之间的曲线。,6.3、交流励磁机外特性,1、二极管三相整流电路的外特性，就是负载电流与输出电压的下降曲线，即输电电压随输出电流的增大而下降，如图中a=0度的曲线；2、由于交流励磁机的交流回路电感比较大，当换弧角随着电流增大而大于60度时，不可控的三相整流桥变为a=30度全控桥，其外特性下降。3、外特性还可以分为空载和负载外特性。,6.4、交流励磁机标准I模型,1、早期交流励磁机的数学模型，分为标准型，标准II型，标准III型；2、标准I模型适用于励磁电压响应比不高（R=0.5s）的无刷励磁系统,6.5、交流励磁机AC2模型,1、现在交流励磁的数学模型分为AC1型、AC2型、AC3型；2、AC1模型适应励磁电压响应比较高（R=2.0s）、但强励倍数不高的无刷励磁系统；3、高起始响应、高强励倍数的无刷励磁系统推荐采用AC2模型。,6.6、交流励磁机参数,7.1、励磁电压响应比,1、传统的励磁电压响应比，是指0.5s内励磁电压增加面积的等效高度与起始值之比。等效高度通过计算三角形面积abe来，即R=（Uf2-Uf1）/（0.5Uf1）;2、国家励磁标准中称为励磁系统标称响应，其实质还是励磁电压比R。,7.2、励磁电压响应时间,1、水电励磁标准中改励磁电压响应比为励磁电压响应时间；2、励磁电压响应时间等于或小于0.1s为高起始响应；3、交流励磁机为低起始响应，晶闸管静止励磁为固有高起始响应。,7.3、高起始响应方案,1、为了提高交流励磁机的响应比，最简单的办法就是提高励磁电压强励倍数；2、励磁电压强励倍数是强励电压与额定电压之比，有刷励磁是2-3倍，无刷可以达到数十倍，其目的就是提高励磁电压响应比；3、励磁电流强励倍数最高为2倍，尽管无刷励磁电压强励倍数很高，但是励磁电流绝对不能超过2倍，否者就是误强励；4、提高强励倍数，改变了励磁电压上升的斜率，使之满足0.1s的高起始要求。,高强励倍数,低强励倍数,7.4、高起始无刷励磁的优点,直流励磁同步发电机：改变直流励磁，无功改变，有功的瞬时值改变，但有功的平均值不变，亦即发电机输出的有功功率不变！,交流励磁同步发电机：改变交流励磁的相位和大小，无功改变，有功小范围改变！,双轴直流励磁发电机：改变d轴直流励磁，无功改变，改变q轴直流励磁，有功小范围改变！,直流励磁发电机，亦即单轴（d）直流励磁同步发电机,8、励磁系统按照发电机分类,8.1、水轮发电机定子和转子,转子,定子,N,S,d轴 q轴 d轴,直流励磁系统属于d轴励磁，但调整的是q轴电势,8.2、水轮发电机转子绕组,阻尼绕组,转子磁极与阻尼绕组,转子绕组有2个：励磁绕组和阻尼绕组,8.3、阻尼绕组的双轴作用,励磁绕组（d轴只影响电压和无功）阻尼绕组（d轴和q轴既影响电压和无功，又影响频率和有功）,阻尼绕组感应电流路径,电压无功,频率有功,双轴励磁示意（双励磁绕组发电机）,阻尼&惯性,d轴感应电流,q轴感应电流,阻尼绕组即影响电压又影响有功,8.4、交流励磁风力发电机,Q、P,改变励磁调整发电机电压、无功、有功,双馈感应风力发电机,变浆变速恒频,8.5、抽水蓄能机组励磁系统,直流励磁同步水轮发电机,交流励磁同步水轮发电机,8.6、抽水蓄能交流励磁调速,抽水蓄能同步发电机采用交流励磁优势：励磁可以调速10%,交流励磁能够调速亦即可以调整有功功率,9、励磁系统数学模式分类,励磁系统数学模型分类：按照范围分为：AVR模型、调节器模型、励磁系统模型（包括整流桥）、励磁控制系统模型（包括励磁机、发电机）； 按照校正方式分为：仅有串联校正环节的模型、具有并联校正环节的模型； 并联校正环节分为：负软反馈并联校正、负硬反馈并联校正。,1、数学模型：用数学语言来描述励磁及其系统，主要用传递函数来描述；2、励磁模型不仅要描述PID主环，还要将各种限制器等辅助辅环一并考虑；3、辅环进入主环的方式有三种：叠加、竞比门（最大或最小二者选一）、限幅（限制其最大或最小值）。,前向通道,9.1、并联校正传递函数,VG,EX,P I D,励磁机,并联校正,反馈通道,主要适用于励磁机励磁系统,并联校正的作用-负硬反馈（比例系数）,Te减小1+Kf倍放大倍数减少1+Kf倍与微分D等效,9.2、负硬反馈并联校正,9.3、励磁电压硬负反馈,1、交流励磁机励磁系统中，在提高晶闸管电源电压的同时，采用励磁机输出电压或励磁机励磁电流硬负反馈，以减小励磁机时间常数。2、对于快速励磁系统，如静态励磁系统，励磁时间常数本已很小，再采用励磁电压硬负反馈就没有必要了。,具有硬负反馈并联校正的励磁系统模型（AVR+励磁机）,9.4、硬负反馈投退比较,并联校正的作用-负软反馈（不完全微分）,Te减小1+Kf倍动态放大倍数减少1+Kf倍静态倍数不变,9.5、负软反馈并联校正,9.6、转子电压软负反馈,1、也称为励磁系统稳定器ESS； 2、自动电压调节器Kp增大将造成励磁控制回路的不稳定，在发电机空载运行时可能导致发电机电压振荡；3、ESS的主要作用是使暂态时的增益降低，以防止发电机空载时励磁控制回路振荡，这在一定程度上可改善电力系统动态稳定特性。,具有软负反馈并联校正的励磁控制系统模型（AVR+励磁机+发电机）,10.1、励磁开环频域响应特性,10.2、励磁闭环频域响应特性,10.3、自并励和励磁机频域特性,1、自并励c=10.5rad/s，其对应频率为1.67Hz；2、励磁机c=4.4rad/s，其频率为0.7Hz;3、自并励比励磁机系统的频率范围大，其相角裕度和增益裕度也大。,1、弧度rad；弧长等于圆半径的弧所对的圆心角为1弧度；360等于2弧度；2、角速度是电动机每秒转过的角度的弧度数，单位是弧度每秒即rad/s；3、频率、角频率和周期的关系为 = 2f = 2/T。,10.4、励磁系统的稳定性分析,10.5、励磁系统时域响应分析,10.6、自并励和励磁机阶跃试验,自并励比励磁机励磁系统的响应快、超调小。,提问：123,中国励磁专业网 ,励磁陈小明的博客http:/,谢谢,2022/12/4,72,可编辑,