第三章-同步发电机励磁自动控制系统

第三章同步发电机励磁自动控制系统第一节概述基本概念同步发电机励磁电流：转子电流同步发电机励磁系统：一般指与同步发电机励磁电流的建立、调整、消灭有关的部件、设备及其接线所构成的一整套装置。同步发电机励磁系统组成：励磁功率单元和励磁调节器同步发电机励磁控制系统：同步发电机励磁系统+同步发电机同步发电机励磁自动控制系统：具有自动调节、控制的同步发电机励磁控制系统（反馈系统）同步发电机的励磁系统励磁功率单元励磁调节器G发电机电力系统一励磁自动控制系统构成控制同步发电机的励磁同步发电机的运行特性同步发电机的空载电动势的大小发电机的励磁电流二同步发电机励磁控制系统的任务1.电压控制2.控制无功功率的分配3.提高同步发电机并联运行的稳定性4.改善电力系统的运行条件5.对水轮发电机组实行强行减磁GIEFdQGqdQGqdGGqXIUEXIUEXIjUEcos负荷中的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因。1电压控制（目的维持机端电压在给定的水平）GEWGIQIPIGUqEGUGIGIGUqExdGdjIXQdjIXPdjIXIEF1UGUG2UGNIQIEF2IQ2IQ1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端电压在给定水平的。曲线1的A到B：IEF1保持不变1,GNQUI励磁不变22,QGIU曲线1的A到曲线2的C：GNU要保持不变1,GNQUI励磁增加2,GNQUIABC要使发电机端电压上升至额定值，则可增加励磁电流UG3DIQ3E曲线1的A到曲线2的E：IEF3要保持端电压不变，则可减少励磁电流1,GNQUI2,GNQUI励磁减少GIGUG=Constant2控制无功功率的分配(a)设同步发电机与无限大母线并列运行，则发电机端电压不随负荷大小而变化，是一个恒定值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。无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率,均为常数的端点则沿着'BB虚线变化GIqE的端点则沿着'AA虚线变化发电机励磁电流的变化改变了机组的无功功率和功率角的大小。调节与无限大母线并联运行的机组的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。(用微分方程建立该动态系统的数学模型。)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、或者恢复到原来运行状态的能力。(用微分－代数方程建立该动态系统的数学模型。)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动态稳定。3提高同步发电机并列运行的稳定性电力系统稳定:电力系统在运行中随时都可能遭受各种扰动后，发电机组能够恢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。电力系统稳定分：静态稳定和暂态稳定sinXUEPqGPPsinXUUPGG1）励磁对静态稳定的影响内功率特性外功率特性G降压变压器升压变压器UqEGUUX1XdG输电线系统无励磁调节，Eq=常数有励磁调节，UG=常数2）励磁对暂态稳定的影响PPG0bacdF123功角特性曲线I：对应于故障前双回线运行；功角特性曲线2：对应于一回线故障时的运行状况；功角特性曲线3：对应于故障切除后一回线运行。加速面积abFa等于减速面积FEdF，系统是暂态稳定的。EPGmax*0.750.700.650.500.3500.20.40.60.8Te(s)K=4K=1K=2PGmax*0.750.700.650.500.3501234KTe=0.1STe=0.8S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数。时间常数与暂态稳定极限功率的关系强励倍数与暂态稳定极限功率的关系快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数1）改善异步电动机的自起动条件1201008060402000102030t(s)U(%)4改善电力系统的运行条件3）提高继电保护装置工作的正确性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，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。2）为发电机异步运行创造条件5水轮发电机组要求实行强行减磁12三对励磁系统的基本要求励磁调节器: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。其基本要求：1对励磁调节器的要求1）系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平；2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；3）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，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）要求能长期可靠地工作。7)机组突然故障跳闸时，能快速灭磁2对励磁功率单元的要求1）要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度励磁功率单元:受励磁调节器控制，并向同步发电机转子提供励磁电流。其基本要求励磁顶值电压：是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高输出电压值。强励倍数：励磁顶值电压与额定励磁电压之比称为强励倍数。或励磁顶值电流与额定励磁电流之比。一般取1.6~2励磁电压响应比：通常将励磁电压在最初0.5S内上升的平均速度定义为励磁电压响应比。它粗略反映励磁系统的动态指标励磁电压上升速度是衡量励磁功率单元动态行为的一项指标励磁系统电压响应时间(励磁电压达到95％顶值电压所需时间)为0.1s或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统。第二节同步发电机励磁系统一励磁系统的历史直流励磁机励磁系统换流困难交流励磁机励磁系统(交流发电机和半导体整流元件组成）静止励磁系统(发电机自并励系统)为缩短主轴长度，降低造价，减少环节。同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源，为满足正常运行要求，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，且有一定的强励倍数和励磁电压响应速度几种常用的励磁系统自并励系统）静止励磁系统（发电机系统）旋转整流器（无刷励磁静止整流器他励静止整流器静止可控整流器自励交流励磁机励磁系统他励自励直流励磁机励磁系统同步发电机励磁系统二直流励磁机励磁系统（100MW以下）按励磁机的励磁绕组供电方式的不同自励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机励磁系统1自励直流励磁机励磁系统=G励磁调节器IAVRIEEIRIE发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻RC可改变励磁机励磁电流DERC2他励直流励磁机励磁系统G励磁调节器IEEIR=IE=IAVRPEDE他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台副励磁机三交流励磁机励磁系统（100MW以上）交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同可分为以下几种。1）他励交流励磁机励磁系统他励交流励磁机静止整流器励磁系统他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统自励交流励磁机静止整流器励磁系统2）自励交流励磁机励磁系统1他励交流励磁机静止整流器励磁系统G自励恒压调节器放大器触发器电压检测调差励磁调节器交流发电机交流励磁机交流副励磁机可控整流器滑环起励电源V发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流器V供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给，其电源由副励磁机提供。AE2他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)G励磁调节器交流发电机旋转元件永磁副励磁机晶闸管整流器NS它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反。交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。AE3自励交流励磁机静止可控硅整流器励磁系统GAVR滑环自动恒压元件电压起励元件VSAE起励电源发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶闸管整流装置VS供给。交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压方式。励磁调节器AVR直接控制晶闸管整流装置。TRTV4自励交流励磁机静止硅整流器励磁系统G励磁调节器滑环电压起励元件VAE起励电源VS发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置V供给，半导体型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS，以达到调节发电机励磁的目的。增加了交流励磁机自励回路环节四静止励磁系统(发电机自并励系统)G励磁调节器滑环电压起励元件VS起励电源静止励磁系统(发电机自并励系统)中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装置。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源是发电机本身提供，故又称为发电机自并励系统。第三节励磁系统中的整流电路三相桥式不可控整流电路三相桥式半控整流电路三相桥式全控整流电路一三个基本整流电路同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是将交流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕组或励磁机的励磁绕组。一）三相桥式不可控整流电路+-RfeaebecV1V3V5V4V6V2HLeaecebteabacbcbacacbabacbc161232345456161232ut1工作原理共阴极连接的二极管，在t=30-150之间是V1导通，V3、V5承受反压而关断；在t=150-270之间是V3导通；在t=270-390之间是V5导通。共阳极连接的二极管，在t=90-210之间是V2导通，V4、V6承受反压而关断；在t=210-330之间是V4导通；在t=330-450之间是V6导通。13512462ωt0ωt1ωt22输出电压abaaaabaEEttEtdtEtEtdeeU35.134.232coscos22632sinsin22626262626负载电压时线电压波形的包络线，以2π/6为其脉动周期，输出空载电压平均值3使用场合1）具有交流励磁机他励系统中主励出口整流器2）主励磁机励磁回路手动控制单元3）交流起励装置二）三相桥式半控整流电路1工作原理如图所示，整流二极管V2、V4、V6共阳极连接，晶闸管VS1、VS3、VS5共阴极连接，V1为续流二极管。在电路中仅在桥的一侧用可控的晶闸管，故称为半控整流桥。三个晶闸管的导通顺序与三相电源相序的顺序相同为VS1、VS3、VS5。因为是三相电源，所以触发脉冲间相位也依次相差120。eaecebteugabacbcbacacbabacbc161232345456161232tut1）脉冲控制角=0135ug1ug3ug5113355113622446622t0t1t22463eabeacebcebaecaecbeab2）脉冲控制角=30°euguLttt65226321tdeetdeeUcabad2cos135.12cos134.2lEE135=30°eaebecug1ug3ug5VS5VS1VS3VS5V6V2V4V6t0t1246t2ecbeabeacebcebaecaecb3）脉冲控制角=60°uguLtteteaebec=60°ug1ug3ug5135电路受触发的晶闸管和最低电压相的二极管导通。各元件持续导通时间仍为120，输出电压仍以2/3为周期