电力系统自动装置原理第3章ppt课件.ppt

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1、第3章 同步发电机励磁自动控制系统,第1节 概述,一、同步发电机励磁控制系统的组成二、同步发电机励磁控制系统的作用或任务电压控制控制无功功率的分配提高同步发电机并联运行的稳定性（静态稳定暂态稳定）改善电力系统的运行条件水轮发电机组的强行减励三、对励磁系统的基本要求 对励磁调节器的要求对励磁功率单元的要求,转第2节,同步发电机励磁控制系统的组成,励磁调节器：根据测量的信息和给定的调节准则控制下一单元的输出。励磁功率单元：向同步发电机转子提供直流励磁电流。发电机：调节对象（控制对象）。其中，和构成励磁系统。,返回,电压控制,UG=EqjxdIGUG=Eqcos-xdIGcos(-)=Eqcos-x

2、dIGsin=Eqcos-xdIQEqxdIQ（当较小时）无功负荷电流IQ主要造成了Eq与UG间的幅值差，IQ越大，幅值差越大。,返回,由外特性，当励磁电流一定时，UG随IQ的增大而下降。若IQ太大造成UG过小，满足不了运行条件，则需通过励磁控制系统增加励磁电流，从而增大Eq，以使UG上升到满足运行条件；若IQ太小，造成UG过大，则需减小励磁电流，从而减小Eq，使UG下降到满足运行条件。,控制无功功率的分配,设机端电压恒定。正常情况下，发电机机械输入功率Pm和电磁输出功率PG维持相等，Pm只受调速器的控制，与励磁电流大小无关。在此可令Pm维持恒定，因而发电机发出的有功功率也为常数，即：,PG=

3、UGIGcos=常数（为功率因数角）(1)又，若忽略发电机定子电阻和凸极效应，则发电机发出的有功功率为：PG=EqUG/xd sin=常数（为发电机的功率角）(2)由（1）和（2）知：IGcos=k1（常数）Eqsin=k2（常数）另，发电机发出的无功功率为：QG=UGIGsin=UGk1tg 或 QG=EqUGcosUG2/xd=k2tg-UG2/xd 结论：虽然IEF改变使Eq、及发生了变化，但仍可使PG维持恒定，而QG随之调节，即在调节励磁时，一方面可以维持PG恒定，另一方面又可改变发电机承担的无功功率。因此，在多机系统中，可以通过调节励磁电流来实现并联运行发电机组间无功功率的合理分配。

4、,返回,提高静态稳定性,返回,以单机无穷大系统为例分析。发电机输出的有功功率（功率或功角特性）为：PG=EqUsin/x=Pmaxsin当Eq（与励磁电流相对应）和U固定时，PG是的正弦函数。因此，调节励磁电流，改变Eq，使发电机的有功功率特性得到改变，从而改善系统的有功静态传输能力。对于按参数偏差量的比例进行调节的励磁控制系统，在测量单元无失零区时，功角特性一般只能近似达到以Eq恒定的特性曲线，此时功率极限角大于90（参见P47图3-7）。,以单机无穷大系统为例分析。图中，曲线III对应于故障后采取强励的功角特性。（利用等面积法则进行分析）限制励磁对暂稳作用的因素：励磁系统的时间常数和强励倍

5、数。只有当励磁系统既有快速响应特性又有高的强励倍数时，才对改善电力系统的暂态稳定性有明显的作用。,提高暂态稳定性,返回,改善电力系统的运行条件,加速短路切除后的系统电压恢复过程，并就此改善异步电动机的自启动条件为发电机异步运行和自同期并列创造条件提高继电保护装置工作的正确性,返回,电网短路电压降低电动机处于制动状态短路切除后，电动机的自启动需吸收大量无功功率延缓了电压恢复过程发电机强励加速电压恢复,返回,改善运行条件,A.失磁或低励发电机从系统吸收大量无功功率系统电压大幅降低严重时危及安全运行。此时，系统其它机组增加励磁提供足够的无功功率维持系统电压失磁或低励发电机在一定时间内异步运行（确保系

6、统安全运行和有利于机组热力设备的运行）。B.系统有功功率发生缺额时，备用水轮机组自同期投入吸收大量无功功率系统电压突然降低系统中其它机组应迅速增加励磁保证电网电压恢复和缩短机组并列过程。,改善运行条件,返回,系统低负荷运行时，发电机的励磁电流不大。若此时系统发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致于带时限的继电保护不能正确工作。这时，可增加励磁，从而增加短路电流，使继电保护正确工作。,改善运行条件,返回,水轮发电机组的强行减励,水轮发电机组发生故障突然跳闸时，调速系统不能迅速关闭导水叶（惯性作用的结果），致使转速急剧上升，如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

7、及定子绝缘的程度（在励磁电流一定时，转子转速上升，定子绕组切割磁力线的速度加大，从而使Eq增大。）,返回,对励磁调节器的要求,正常运行时，能反映发电机组的电压高低并维持其在给定水平、能合理分配机组间的无功功率及实现无功功率的转移；对远距离输电的发电机组，为能在人工稳定区域运行（增加静稳传输能力），要求无失灵区；能迅速反映故障，具备强励功能，以提高暂稳水平和改善系统运行条件；时间常数小，反应迅速。,返回,对励磁功率单元的要求,具有足够的可靠性和调节容量，以适应各种工况的需要；具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。励磁顶值电压UEFq：强励时励磁功率单元可能提供的最高输出电压值。强励倍数：励磁顶值

8、电压UEFq与额定工况时的励磁电压UEFe之比（视制造和成本，常取1.62）。励磁电压上升速度：衡量励磁功率单元动态行为（快速响应能力）的指标。具体指标有两种，即励磁电压响应比和响应时间。,返回,励磁电压响应比,G=励磁电压响应比=（绝对量）励磁电压响应比=（相对量）(斜线下的面积增量与曲线下的面积增量相等）,返回,通常，将励磁电压在最初0.5秒内上升的平均速率定义为励磁电压响应比。具体求法为：因为励磁电压曲线下的面积增量对应于该时间段内转子磁通量的增量，即,响应时间,在规定条件下，励磁电压达到顶值电压与额定电压之差的95的时间。若该时间为0.1秒或更小时，则称高初始响应励磁系统。,返回,第2

9、节 同步发电机励磁系统,一、同步发电机励磁系统的分类 二、直流励磁机系统（靠剩磁建立电压）自励它励特点三、交流励磁机系统 自励它励四、静止励磁（自并励）系统,转第3节,励磁系统的分类,直流励磁机系统：由与发电机同轴的直流发电机供给励磁电流。它靠机械整流子换向整流，当励磁电流过大时，换向就很困难，故只适合于10万kW以下中小容量的同步发电机组。交流励磁机系统：由与发电机同轴的交流发电机和半导体整流元件供给励磁电流，它适合大容量同步发电机（10万kW以上）。其中，交流发电机的频率和电压需特殊设计，频率一般为100Hz或更高。静止励磁（自并励）系统：由同步发电机自身作为励磁电源（静止），使发电机组主

10、轴缩短，降低了造价，被推荐用于大型发电机组，尤其适合于水轮机组。,返回,自励直流励磁机系统,IEE=IRC+IAVR 从IRC的角度看，属自励方式。IEE中IAVR只占一部分，使励磁调节器的容量得到减小，特别适合功率放大系数较小、由电磁元件组成的励磁调节器。,返回,它励直流励磁机系统,PE、DE和G同轴。励磁单元的时间常数仅为励磁机励磁绕组（EEW）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度。这种方式一般用于水轮发电机组。,返回,直流励磁机系统的特点,直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护量大，是最薄弱环节。励磁调节器常为电磁型，它以磁放大器为功放和综

11、合信号的元件，速度较慢，但工作较可靠。,返回,自励交流励磁机系统,静止可控整流方式静止硅整流方式,返回,静止可控整流方式自励交流励磁系统,AE起励电压较高，依靠剩磁无法起励，须外加起励电源，直至AE的输出电压足以使自励恒压元件正常工作时，起励电源方可退出。AE的励磁采用可控硅自励恒压方式。它总是工作于顶值电压，因而AE容量较大。AVR为半导体励磁调节器，时间常数很小，响应速度快。,返回,静止硅整流方式自励交流励磁系统,AE自励回路对励磁控制系统的动态响应有影响，与静止可控整流方式相比，响应速度较慢。,返回,它励交流励磁机系统,静止整流方式旋转整流方式（无刷励磁）,返回,静止整流方式它励交流励磁

12、系统,交流中频副励磁机的起励电压较高，它也需要外加起励电源。缺点：加长了发电机主轴长度；副励磁机和自励恒压调节器的故障均可使发电机组失磁（解决办法之一：副励磁机以永磁发电机充当）；当发电机容量增大后，转子电流相应增大，给滑环的正常运行和维护带来困难。,返回,旋转整流方式它励交流励磁系统,副励磁机为永磁发电机，其磁极旋转，电枢静止；交流励磁机正相反，即磁极静止，电枢旋转。副励磁机的磁极（N和S）、AE的电枢、硅整流元件GZ和EW均在同一根轴上同步旋转，它们之间无需任何滑环和电刷等接触元件。优缺点,返回,无刷励磁系统的优缺点,优点：无整流子、滑环和电刷，减少了维护，提高了可靠性；无接触部件的磨损，

13、故无炭粉和铜末引起的电机线圈的污染，从而绝缘的寿命较长。缺点：与转子回路连接的旋转元件无引线输出，因而不易检测和监视各种信息；无法采用传统的灭磁装置灭磁；可靠性要求较高；响应速度较慢（通过励磁机转子采用叠片结构、减小绕组电感、增加励磁机励磁绕组顶值电压、引入转子电压深度负反馈等措施减小励磁机的等值时间常数）。,返回,静止励磁（自并励）系统,优点疑虑与解决,返回,静止励磁（自并励）系统的优点,取消了励磁机，设备和接线简单，可靠性得到提高；缩短了机组长度，降低了造价；调节速度很快。,返回,静止励磁（自并励）系统的疑虑与解决,疑虑：发电机近端短路时是否满足强励要求，机组此时是否会失磁；由于短路电流的

14、迅速衰减，带时限的继电保护是否会拒绝动作。解决：在短路刚开始的0.5秒内，自励方式与它励方式的励磁很接近，因此只需配合快速保护，并适当提高强励倍数，这种方式是可以采用的；至于带时限的继电保护，也可以采取一些措施加以解决,返回,第3节 励磁系统的整流电路,一、整流电路的分类 二、三相桥式不可控整流电路 三、三相桥式半控整流电路 四、三相桥式全控整流电路1.电路2.整流关系3.逆变关系4.外特性,转第4节,整流电路的种类,1按整流输入的交流信号利用的波形分（半波与全波整流）2按整流输入的交流信号的相数分（单相、三相、六相与十二相整流）3按整流电路器件的构成类型分（不控、全控与半控整流）4按整流电路

15、结构类型分（桥式整流、非桥式整流、多重化）5励磁系统中常用的整流电路同步发电机转子励磁回路常采用三相桥式不可控或全控整流电路励磁机励磁回路常采用三相桥式半控或全控整流电路,返回,三相桥式不可控整流电路,返回,其中，UL为线电压的有效值,三相桥式半控整流电路,返回,其中，UL为线电压的有效值,三相桥式全控整流电路,返回,为保证整流桥在投入之际或换流瞬间具有可靠的电流通路，常要求宽脉冲触发或双脉冲触发，即在某一晶闸管被触发导通之际，它前面的一只晶闸管也应处于导通状态（该晶闸管的触发脉冲起作用），才能构成电流通路。它有整流和逆变两种工作状态。,整流关系,对负载呈感性且电感量较大的情形，具有足够的续流

16、能力，使输出电压可以具有负值。输出电压平均值为 对纯电阻性负载（无续流能力），输出电压平均值为,返回,逆变关系,当控制角 90时，Ud变为负值，进入逆变工作状态。=-称逆变角。逆变状态下，Ud0为：实际工作时，必须大于min。若min，则可能使逆变换流失败，造成该关断的元件没有关断，该导通的元件没有导通，致使某一回路的元件连续导通而过热。一般地，min常为30。min决定于和off。（min的来源）,返回,：换流角（在晶闸管元件换相（由导通到关断或由关断到导通）过程中，由于每相存在电感，相间换流不能瞬间突变完成，而有一个渐变过程，这段时间对应的电角度称换流角）off：与晶闸管关断时间toff相

17、对应的电角度（保证晶闸管可靠关断）。,最小逆变角的来源,返回,三相全控桥式整流电路的换流压降及外特性,U为每个元件导通时的正向压降Id为直流侧负载上的电流r和xK分别为换相电阻与换相电抗,返回,第4节 励磁控制系统调节特性和并联运行机组间的无功分配,一、励磁调节器的基本特性与框图 二、静态工作特性1.励磁调节器的静态工作特性2.同步发电机励磁控制系统的静特性3.同步发电机励磁控制系统调节特性的平移三、并联运行机组间无功功率的分配1.无差调节特性2.正调差特性发电机组间的并联运行（定性定量例题）,转第5节,励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器的主要输入量是发电机的端电压UG，其输出IEE送到励

18、磁功率单元。励磁调节器常呈比例调节特性，即当UG偏高时，IEE应减小；当UG偏低时，IEE应增加。励磁调节器的基本框图参见P67图3-35。,返回,励磁调节器静态工作特性,返回,同步发电机励磁控制系统的静特性,同步发电机励磁控制系统的静态特性与励磁调节器、励磁机和发电机三者的静态工作特性有关。励磁机的静态工作特性：发电机转子电流IEF（励磁机的输出）与励磁机的励磁电流IEE或UAVR（励磁调节器的输出，也即励磁机的输入）间的关系。通常该关系为线性。（查看特性）同步发电机的调节特性：发电机在不同端电压值时，转子电流IEF与无功负荷（IQ或Q）间的关系。（查看特性）由励磁调节器、励磁机和发电机三者

19、的静态工作特性可以合成同步发电机励磁控制系统的静态特性。（查看特性）同步发电机励磁控制系统静态特性的调差系数。,返回,励磁机的静态工作特性,返回,同步发电机的调节特性,返回,控制系统的合成特性,返回,同步发电机励磁控制系统的静态特性曲线说明，IQ变动时，UG基本维持不变，其特性稍微下倾，其下倾程度定义为同步发电机励磁控制系统的调差系数：=(UG0UG)/UGe=UG0*UG*=UG*其中，UGe为发电机额定端电压，UG0为发电机空载（IQ=0或Q=0）时的端电压，UG为发电机承受额定无功电流或无功功率时的端电压，常取UG=UGe。表明无功负荷从零增加到额定值时发电机端电压的相对变化。越小，无功

20、负荷变化时，UG变动越小，因此表征了同步发电机励磁控制系统维持发电机端电压的能力。在实际系统中，励磁调节器中设有调差单元，以供调试人员在系统不同运行条件下设定不同的调差系数。固有的值为自然调差系数0，0随控制系统放大倍数的增大而减小。,调差系数的概念,返回,同步发电机励磁控制系统调节特性的平移,发电机投入或退出运行时，要求能平稳地转移负荷，以防引起对电网的冲击。,返回,无差调节特性,一台无差与另外有差调节特性的机组间的并联运行两台无差调节特性的机组不能并联运行（实际调试中很难做到使两机组的调节特性完全重合）,返回,无差+有差,返回,查看结论,无差+有差的结论,返回,结论：具有负调差特性的机组不

21、能在公共母线上并联运行。,定性分析,对两台具有正调差特性的发电机组间的并联运行，当总的无功负荷一定时，两机组最终会稳定运行在某一母线电压UG1下。此时，两机组间的无功负荷分配按照各自的调节特性确定（电压为UG1)。当总的无功负荷增加时，引起公共母线电压下降，两机组增加励磁，最终稳定运行在某一母线电压UG2下（UG2 UG1）。这时，两机组承担的无功负荷均增加，两者增加的和等于总的无功负荷增加量。,返回,设发电机正调差特性空载（IQ=0）时的端电压幅值为UG0，额定无功负荷IQe时的端电压幅值为UGe，则母线电压为UG时承担的无功负荷为：,定量分析,结论：母线电压波动时，发电机承担的无功负荷增量

22、与电压偏差成正比，与调差系数成反比，与电压整定值无关（电压整定值受RP的影响，当RP改变时，调节特性只会发生平移，而对无影响）。因此，并联运行的发电机组，无功负荷波动时，UG*相同，较小的机组承担较大的IQ*。通常，希望各机组的IQ*相同，因此就要求在公共母线上并联运行的各发电机组具有相同的调差系数。,返回,两机组额定无功功率分别为：Qei=Pei(1/2i 1)1/2，i=1,2。总无功容量Qe=Qe1+Qe2。Q*=(Q1*Qe1+Q2*Qe2)/(Qe1+Qe2)=(U*/1 Qe1 U*/2 Qe2)/(Qe1+Qe2)=U*(Qe1/1+Qe2/2)/(Qe1+Qe2)=U*/=(Q

23、e1+Qe2)/(Qe1/1+Qe2/2)U*=Q*=K%Qi=U*Qe1/1=K%Qei/i结论：该题结果适用于多台机，即。,例题,有两台机组在公共母线上并联运行，其额定有功功率分别为Pe1和Pe2，额定功率因数分别为1和2，励磁控制系统的调差系数分别为1和2。若其总无功增量为它们总无功容量的K%，试问各机组承担的无功增量是多少？母线上的电压波动多大？,返回,第5节 励磁调节装置原理,一、励磁调节器的发展分类按发展分类 按原理分类二、数字式励磁调节器原理基本环节和构成励磁调节器的辅助控制 数字式励磁调节器的软件（自学）,转小结,励磁调节器的发展分类,机电型电压调节器：（P73图3-46）借助

24、于调节线圈和变阻器完成，具有不灵敏区。电磁型电压调节器：由磁放大器（50年代出现）组成，时间常数大，但可靠性高。半导体励磁调节器：由半导体器件组成，时间常数小，功放倍数高，发展迅速。,返回,励磁调节器的原理分类,反馈型：按测量值与给定值的偏差调节，能较好地维持电压水平。补偿型：通过某种手段补偿某些因素对被调量的影响，使被调量维持在要求的定值附近。该类型维持电压的性能差，运行中还必须采用电压校正器，才能满足运行条件。如电流复式励磁及相位复式励磁（参见书P73图3-45）。,返回,基本环节及构成,参见课本P75图3-48。按功能分，励磁调节器主要控制包括：基本控制：主要完成电压调节和无功功率分配等

25、，测量的信号有机端电压、电流和反映机组运行状态的开关量等；辅助控制：有励磁系统稳定器、PSS和励磁限制器等，测量的信号还有频率、励磁电流等。按组成单元分，数字式励磁调节器主要包括：信息采集（测量）单元 主控单元 移相触发单元 人机接口单元,返回,信息采集（测量）单元,该单元的任务是将所需的各类电气量转化为数字信号，并作适当处理、缓存，然后送给主控单元。而状态量经光电隔离后直接送至数据缓存。测量单元主要由隔离、滤波、采样保持、A/D转换、数据计算及缓存部分组成。隔离：状态量经光电隔离；电压电流量由相应的互感器起隔离作用。滤波：可以采用常规滤波，例如下面的桥式滤波和LC滤波()，也可采用数字滤波。

26、,返回,滤波电路,返回,桥式滤波器是能滤除某一频率的谐波电压，而对直流电压只有很小衰减的快速滤波器。设在某一谐波频率下满足R1/R2=Z3/Z4，则此谐波频率的输出电压为零（具有选频作用），而此时直流输出电压为：usc=usrR2/(R2+R4)usr（使R2 R4）剩余的高次谐波用型或型滤波器即可滤去。,主控单元,与模拟式不同，数字式的主控单元可以根据控制功能的不同有选择地从指定的存储单元中调用相关信息、经计算和处理形成不同的控制量或综合形成特定的控制量。参见课本P75图3-49。在主控单元，控制量的形成可以利用不同的控制模型和算法获得，例如PID调节、增量式PID调节以及可能采用的先进控制

27、方法。,返回,移相触发单元,该单元的任务是产生相位可以随主控单元控制量改变的触发脉冲，用来改变整流桥中晶闸管元件的控制角，使整流桥的输出电压产生变化，从而起到调节励磁电流的作用。,返回,励磁调节器的辅助控制,辅助控制一般工作在非正常运行工况或特殊运行工况，例如：（1）当快速励磁系统的励磁电压达到允许的最大励磁顶值电压时，必须对励磁机的励磁电流进行限制。（2）发电机进相运行时，吸收的无功功率随励磁电流的减小而增加。由于进相受到稳定极限的制约，具有一定的深度限制，因此必须设置最小励磁限制器以防发电机欠励磁运行过于严重。（3）发电机机端电压/频率比值限制器，用于防止发电机及其相连主变由于电压过高和频率过低引起铁心饱和发热（由于交流磁通量与电压/频率比值成正比）。（4）发电机失磁监控。失磁后的发电机容易导致发电机进入异步运行状态。,返回,第3章小结,1 同步发电机励磁控制系统的组成及任务2 励磁系统的分类及各自的特点3 励磁调节器的基本特性及分类4 数字式励磁调节器基本环节的构成5 同步发电机励磁控制系统的调节特性及并联运行机组间无功负荷如何分配,转结尾,谢谢！,