同步发电机与励磁系统

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=Blv1、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=4.44fNΦ01、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Φ0，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0.1Ω）=209V，励磁电压标幺值；4、发电机负载特曲线cosφ=0.9曲线：当发电机定子电流保持额定不变和cosφ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cosφ=0曲线：当发电机定子电流保持额定不变和cosφ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（δ）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运行功角δ运行功率P1、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ddqqdq1、励磁电流If产生励磁主磁通ϕ0，ϕ0感应出生空载电势E0；并网后定子电流产生电枢反应磁通ϕa，ϕa产生Ea；ϕ0和ϕa产生气隙磁通ϕδ，ϕδ产生气隙电势Eδ；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Ė0=Ù+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Ù=Ė0-jİXd3、转子磁场轴线位于d轴，则电势E0纵位于q轴，并网后则用Ėq代替Ė0并且有Ėq=Ù+jİXdĖq=Ù+jİXdd轴q轴Ėqq轴1.9、凸极发电机电势向量图Ù=Ė0-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。Ėq=Ù+j（İdXd+İqXq）d轴q轴Ėqq轴İdİq1.10、凸极发电机Eq和EQ区别1、已知发电机电压Ù、电流İ和功率因数角φ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Ėq=Ù+jİXd公式，可以方便画出；ÙİφĖqq轴d轴3、但是根据凸极机Ėq=Ù+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δ；φÙİ4、为此虚拟一个ĖQ=Ù+jİXq，先确定q轴，得出功角δ，画İd和İq，再根据Ėq=Ù+j（İdXd+İqXq），完成凸极机电势简化向量图。5、Ėq和Ėq′对学习励磁很重要。İdĖQq轴d轴δİqjİqXq，ĖqjİdXd1、转子角速度ω=2πf，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，ω≠2πf（电压频率）；2、由于ω测量计算困难，一般用ĖQ的频率替代ω，并且这种替代在任何时候都是成立的，因为ĖQ就在q轴上，总是能反映转子的摆动，即ω；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ω。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ω的关系gqgQIjXVE1.12、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′（Ψf*Xad/Xf）代表于励磁绕组磁链Ψfd（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Ψfd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Ψfd。1.14、同步发电机PQ区域TurbineGovernorVoltageRegulatorPePSSVtItn,PG3~Turbine--VfVtrefPerefhGFrequency（f）ActivePower（P）ReactivePower（Q）TerminalVoltage（Ug）Governor调速Excitation励磁AVR：AutoVoltrgeRegulatorAVR+PSS2.1、同步发电机的调节框图PSS：PowersystemstabilizerG2.2、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POLECORE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PSS2.5、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。诊断分析3.2、网源协调：定子电流限制安评项目3.3、网源协调：过励限制安评项目3.4、网源协调：欠励限制安评项目3.5、网源协调：伏赫限制安评项目4.1、励磁调节器调差作用UgQ-0+UgQ短路电抗+UgQUgQUgQUgQUgQ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ABB：droopABB：compensation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)IqUUgIgnUg0D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