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三章同步发电机励磁自动控制系统武汉大学电气工程学院电力系统自动装置原理总述励磁系统的任务励磁系统的类型励磁系统的整流电路并联机组间无功分配励磁装置的原理电力系统自动装置原理第一节概述电力系统自动装置原理一同步发电机励磁系统的任务电压控制无功分配提高稳定改善运行条件强行减磁电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务（一）电压控制qGGdEUjIX等值电路相量图GGEWUEF.IEF.UGIG..xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.φjIGxdEq.δGφjIQxd.运行原理电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务电压控制(隐极发电机)dQGGqXIUEcosdQGqXIUE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。电力系统自动装置原理第一节概述电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务（二）控制无功功率的分配1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题：电力系统自动装置原理第一节概述无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数，即由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务控制无功功率的分配由于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。电力系统自动装置原理第一节概述2、并联运行各发电机间无功功率的分配电力系统自动装置原理第一节概述当母线电压为UM1时：IQ=IQ1+IQ2无功负荷增加,母线电压降到UM2时：I'Q=I'Q1+I'Q2显然：ΔIQ1ΔIQ2电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务（三）提高并联运行的稳定性1.励磁对静态稳定的影响发电机的输出功率为sinXUEPqG电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务（三）提高同步发电机并联运行的稳定性励磁自动控制系统是通过改变励磁电流IEF从而改变空载电动势Eq值来改善系统稳定性的。1、励磁对静态稳定的影响X∑—系统总电抗，一般为发电机，两变压器，输电线电抗之和；δ发电机空载电动势Eq和受端电压U间的相角。电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务电力系统自动装置原理发电机的输出功率：)sin(sinLGLdqqGXXUEXUEP电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务提高并联运行的稳定性abc同步发电机的功角特性最大可能传输的功率极限为XUEPqm电力系统自动装置原理第一节概述电力系统自动装置原理1．无自动励磁调节时，励磁电流恒定，，此时的功角特性称为内功率特性，按图中曲线A运行。；2．如发电机具有灵敏快速和调节准则，能使机端电压恒定，发电机的功率特性可表示为：称为外功率特性；功率极限；发电机功角，按图中曲线B运行。3．如发电机具有快速按电压偏差比例调节的励磁调节器时，则发电机的功率特性近似按，传输功率极限为，按图中曲线C运行。常数qELLGGXUUPsinLGmXUUP9090G常数EXUEPm电力系统自动装置原理第一节概述2、励磁对暂态稳定的影响电力系统自动装置原理第一节概述•功角特性曲线I：对应于故障前双回线运行；•功角特性曲线II：对应于一回线故障时的运行状况；•功角特性曲线III：对应于故障切除后一回线运行。•加速面积abce小于减速面积defg，系统是暂态稳定的。电力系统自动装置原理第一节概述故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势Eq上升而增加电功率输出，使Pmax增加，功角特性曲线II和功角特性曲线III幅值增加，既减小了加速面积，又同时增加了减速面积。•快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务强行励磁以改善电力系统运行条件11改善异步电动机的自启动22为异步发电机运行创造条件33提高继电保护工作的准确性电力系统自动装置原理发电机励磁系统的任务水轮发电机强行减磁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。电力系统自动装置原理对励磁系统的要求二、对励磁系统的基本要求（一）对励磁调节器的要求•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。•励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10％以内进行调整。•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。电力系统自动装置原理对励磁系统的要求（二）对励磁功率单元的要求•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•具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。电力系统自动装置原理对励磁功率单元的要求二、电压响应比电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。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。电力系统自动装置原理对励磁功率单元的要求电力系统自动装置原理转子磁通增量ΔϕG，正比于励磁电压伏秒曲线下的面积增量励磁电压响应比可以定义为式中：ΔU*bc—图中bc段电压标么值。一般Ua为额定工况下的励磁电压，则为强励倍数。maxEFaUU对励磁功率单元的要求电力系统自动装置原理励磁系统电压响应时间：指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95％所花费的时间。励磁系统电压响应时间为0.1s或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统对励磁功率单元的要求电力系统自动装置原理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高度的可靠性快速性快速性结构简单，易于维护足够的阻尼能力电力系统自动装置原理同步发电机励磁系统类型励磁系统励励磁磁系系统统直流励磁直流励磁机机交流励磁交流励磁机机静止励静止励磁磁电力系统自动装置原理第二节同步发电机励磁系统同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源电力系统自动装置原理第二节同步发电机励磁系统一、直流励磁机励磁系统（一）自励直流励磁机励磁系统发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流（二）他励直流励磁机励磁系统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电力系统自动装置原理第二节同步发电机励磁系统1、自励直流励磁机励磁系统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。励磁调节器EWDEEEWTVIEEIAVRIRCRC励磁机磁场电阻GRc电力系统自动装置原理2.他励直流励磁机励磁系统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。励磁调节器EWDEEEWTVIEEIRCRCPEIAVRG电力系统自动装置原理二、交流励磁机励磁系统因直流励磁机有电刷，整流环，容量不能制造得很大，故近代100MW的发电机都采用交流励磁机系统。交流励磁机的容量相对较小，只占发电机容量的0.3％～0.5％。交流励磁机一般采用他励方式，有交流主励磁机和交流副励磁机，其频率都大于100HZ。电力系统自动装置原理二、交流励磁机励磁系统(一)他励交流励磁机静止整流器励磁系统电力系统自动装置原理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。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。电力系统自动装置原理第二节同步发电机励磁系统（二）无刷励磁系统电力系统自动装置原理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、硅整流元件和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。电力系统自动装置原理（1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。（2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。（3）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测（如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等），必须采用特殊的测试方法。电力系统自动装置原理（4）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。（5）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。（6）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。电力系统自动装置原理第二节同步发电机励磁系统三、静止励磁系统（发电机自并励系统）电力系统自动装置原理静止励磁方式的主要优点是：（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资。（3）可获得很快的励磁电压响应速度。（4）直接利用晶闸管取得励磁能量，机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。电力系统自动装置原理第三节励磁系统的整流电路整流电路整整流流电电路路三相桥式三相桥式不可控不可控三相桥式三相桥式半控半控三相桥式三相桥式全控全控电力系统自动装置原理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.外特性电力系统自动装置原理整流电路的种类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电力系统自动装置原理三相桥式不可控整流电路135462eaRf+HLUdebec二极管元件导通的顺序为：…6,1,2,3,4,5,6,1…LLLabdUUtdtUtdtuU35.123)()6sin(23)()(62126260其中，UL为线电压的有效值电力系统自动装置原理三相桥式半控整流电路其中，UL为线电压的有效值晶闸管及二极管元件触发或导通顺序：…6,1,2,3,4,5,6,1…135462eaRf+HLUdebec2cos135.12cos1230LLdUUU电力系统自动装置原理三相桥式全控整流电路Id晶闸管元件触发顺序：…6,1,2,3,4,5,6,1…135462eaRf+HLUdebecLf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。电力系统自动装置原理整流关系对负载呈感性且电感量较大的情形，具有足够的续