同步发电机励磁系统基本原理讲座

湖南省电力试验研究院继电保护及自动化技术研究所同步发电机励磁系统基本原理介绍2006年10月6日编写人李大公同步发电机励磁系统基本原理介绍一、励磁系统基本原理概述同步发电机的运行特性与它的空载电动势Eq值的大小有关，而Eq值是发电机励磁电流IEF的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。同步发电机励磁系统一般由励磁调节器和励磁功率单元两个部分组成，它们构成一个反馈控制系统。励磁调节器图1励磁自动控制系统构成框图根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出；励磁功率单元向同步发电机转子提供直流励磁电流。1.同步发电机励磁系统的任务在电力系统和同步发电机正常运行或事故运行中，优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效地提高系统技术指标。要完成上述工作，励磁控制系统应承担如下的任务。1.1电压控制在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机端电压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。当发电机负荷改变而端电压随之变化时，由于励磁调节器的调节作用，励磁系统将自动地增加或减少提供的励磁电流，使发电机端电压回复到给定水平，且保证有一定的调压精度。当机组甩负荷时，通过励磁调节器的调节作用，应限制机端电压，使之不致过分升高。下图2（a）是同步发电机运行原理图，图中GEW是励磁绕组，机端电压UG为电流为IG。在正常情况下，流经GEW的励磁电流为IEF，由它所建立的磁场使定子产生的空载感应电动势为Eq，改变IEF的大小，Eq值就相应的改变。Eq与UG之间的关系可用等值电路图2（b）来表示。其间的关系式为同步发电机励磁系统基本原理介绍式中Xd—发电机直轴电抗。同步发电机励磁系统基本原理介绍隐极发电机的矢量图如图2（c）所示。发电机感应电动势Eq与端电压为UG的幅值关系为一般δG的值很小，可近似认为cosδG≈１，可简化的运算式为上式说明，负荷中的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者间的差值越大。同时也可以看出同步发电机的外特性必然是下降的。当励磁电流为IEF一定时，发电机端电压UG随无功负荷增大而下降。同步发电机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。同步发电机励磁系统基本原理介绍cosqGGQdEUIXδ=+同步发电机励磁系统基本原理介绍1.2控制无功功率的分配如下图4所示，为使分析简单起见，设同步发电机与无穷大母线并联运行，即发电机端电压不随负荷大小而变，是一个恒定值。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。故无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率PG均为常数，即式中φ—功率因数角当不考虑定子电阻和凸极效应时，发电机的功率又可用下式表示式中δ—发电机的功率角；Xd—发电机直轴电抗。同步发电机励磁系统基本原理介绍因为发电机端电压UG为定值，所以发电机励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功率角δ值的大小。由此可见与无穷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。在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，即系统等值阻抗并不等于零，母线的电压将随着负荷波动而改变；电厂输出无功电流与它的母线电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响自身电压和无功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况有关。因此，同步发电机励磁的自动控制系统还负担着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。1.3提高同步发电机并列运行的稳定性为了便于研究，一般将电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两类。①电力系统静态稳定与自动控制理中的稳定概念一样，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。②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、或恢复到原来运行状态的能力。这里所谓大的扰动是指电力系统发生某种事故，如高压电网发生短路或发电机被切除等。现在又把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。1.3.1励磁对静态稳定的影响图5(a)为一个简单的电力系统接线图，其中发电机经升压变压器、输电线和降压变压器接到受端系统。设受端母线电压U恒定不变。系统等值网络和相量图如下图5(b)、图(c)所示。发电机的输出功率按（4）式可写成式中：XΣ—系统总电抗，一般为发电机、变压器、输电线电抗之和；δ—发电机空载电动势和受端电压间的相角。同步发电机励磁系统基本原理介绍同步发电机励磁系统基本原理介绍同步发电机励磁系统基本原理介绍如图6所示，称为同步发电机的功率特性或发电机功角特性。同步发电机励磁系统基本原理介绍1.3.2励磁对暂态稳定的影响可以说明当励磁系统既有快速响应特性又有高强磁倍数时，才对改善电力系统暂态稳定有明显的作用。同步发电机励磁系统基本原理介绍同步发电机励磁系统基本原理介绍1.4改善电力系统运行的动态稳定性•分析证明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱（甚至变负）的最重要的原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。•许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的。•解决这个不兼容性的办法有：•1、放弃调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。这对静态稳定性和暂态稳定性均有不利的影响，是不可取的。•2、电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。这种方法可以达到既保持电压调节精度，又可减少电压调压通道的负阻尼作用的两个目的。但是，这个环节使励磁电压响应比减少，不利于暂态稳定，也是不可取的。•3、在励磁控制系统中，增加附加励磁控制通道，即电力系统稳定器PSS。电力系统稳定器即PSS是使用最广、最简单而有效的附加励磁控制。同步发电机励磁系统基本原理介绍2.对励磁系统的基本要求2.1对励磁调节器的要求2.2对励磁功率单元的要求发电机的励磁绕组是一个电感性负载，为了简单起见，在忽略发电机转于电阻和定于回路对它影响的条件下，转子磁场方程可简化为式中：ΔuEF(t)—励磁电压增量的时间响应；ΔφG—转子磁通增量；K—与转子参数有关的常数。()GEFtduKdtϕΔΔ=同步发电机励磁系统基本原理介绍•2.3励磁系统国家和行业标准•2.3.1中华人民共和国国家标准《同步电机励磁系统》GB/T7409.1～7409.3-1997；它包括三部分：•2.3.1.1GB/T7409.1《同步电机励磁系统定义》•2.3.1.2GB/T7409.2《电力系统研究用模型》•2.3.1.3GB/T7409.3《大、中型同步发电机励磁系统技术要求》•2.3.2中国电力行业标准(三个技术条件)•2.3.2.1《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》DL/T583-1995•2.3.2.2《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》DL/T650－1998•2.3.2.3《大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件》DL/T843－2003•2.3.3国家电网公司企业标准(一个PSS整定试验导则)•2.3.3.1《电力系统稳定器整定试验导则》Q/GDW143-2006同步发电机励磁系统基本原理介绍•2.3.4励磁系统的主要技术参数指标•2.3.4.1励磁系统性能指标•①当发电机的励磁电压和电流不超过额定励磁电压和电流的1.1倍时，励磁系统保证连续运行。•②励磁系统顶值电压倍数≮1.6～1.8（2.0）•③励磁系统允许强励时间≮10s（20s）•④励磁系统电压响应比（电压上升速度）•“自并激”系统≮3.5•“三机”系统≮1.6～1.8（2.0）•⑤电压调整范围70～110%•⑥电压调整精度≤±0.5%（0.25%）•⑦调差范围±10%（15%）•括号外数字为对一般励磁系统的要求,括号内数字为对大型机组和优质励磁系统的要求。同步发电机励磁系统基本原理介绍•2.3.4.2AVR性能指标•⑴调压范围：自动：10%～120%、手动：5%～130%•⑵调压精度：≤空载额定电压的0.1%•⑶调差范围：±30%，级差0.1％•⑷稳态增益：≥500倍(水轮发电机组≥100，汽轮发电机组≥200）•⑸暂态增益：≥40倍•⑹调压速度：0.3%~1%额定空载电压/秒•⑺电压分辨率：≤0.05%额定空载电压•⑻V/F特性：不大于±0.25%额定空载电压/1Hz•⑼励磁系统响应时间：上升值≤0.07s•下降值≤0.12s•电压响应比≥2.0•⑽5%空载阶跃响应：超调量≤阶跃量10%•震荡次数小于2次•时间小于3秒•⑾100%零起升压：昀大电压≤110%空载额定电压•震荡次数小于2次•时间小于5秒同步发电机励磁系统基本原理介绍3.励磁系统和励磁调节器的分类与发展同步电机励磁系统的分类方法有多种。主要的方法有两种，即按同步电机励磁电源的提供方式分类和同步电机励磁电压响应速度分类两种分类方法。按同步电机励磁电源的提供方式不同，同步电机励磁系统可以分为直流励磁机励磁系统，交流励磁机励磁系统和静止励磁机励磁系统三种。按同步电机励磁电压响应速度的不同，同步电机励磁系统可以分为常规励磁系统、快速励磁系统和高起始励磁系统。3.1励磁系统的分类3.1.1按励磁系统电源构成的分类同步发电机励磁系统基本原理介绍•3.1.1.1直流励磁机励磁系统•1)自励直流励磁机系统1-发电机定子2-发电机励磁绕组3-灭磁开关4-灭磁电阻5-直流励磁机6-直流励磁机励磁绕组7-手动调节电阻8-强励开关9-自动励磁调节器图12直流励磁机励磁系统原理图同步发电机励磁系统基本原理介绍※开关式直流励磁控制系统组成：直流主励磁机IGBT+续流二极管自动电压调节器转子绕组灭磁开关与过电压保护应用场所：中、小容量机组如电科院的WKKL-4D型励磁装置AVRIfUfVgPg,Qg同步发电机励磁系统基本原理介绍•2)它励直流励磁机系统组成：直流副励磁机小功率可控硅整流桥直流主励磁机自动电压调节器转子绕组灭磁开关与过电压保护应用场所：小容量机组,多用于水电机组AVRIfUfVgPg,Qg同步发电机励磁系统基本原理介绍•3.1.1.2交流励磁机励磁系统(可分四种)•⑴交流励磁机不可控整流器励磁系统（三机它励励磁系统）•1-副励磁机2-调节器功率单元3-主励磁机励磁绕组4-主励磁机•5-静止整流器6-发电机磁场绕组7-发电机8-电压互感器9-电流互感器K-灭磁开关R-灭磁电阻•图13交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图同步发电机励磁系统基本原理介绍•2）自励交流励磁机系统•自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机的出口电压直接获得。•交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器控制可控硅的触发角，调整其输出电流。自动励磁调节器PTACLFLQFCT同步发电机励磁系统基本原理介绍•⑵交流励磁机可控整流器励磁系统(两机系统)•ZLH—交流主励磁机自励恒压系统KZ--可控整流桥FLQ--发电机转子•F--发电机定子YH--电压互感器LH-电流互感器•图14他励交流励磁机可控正流器励磁系统原理图同步发电机励磁系统基本原理介绍•⑶他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统)••无刷励磁系统中，主励磁机（JL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。无刷励磁系统中的副励磁机（JFL）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。同步发电机励磁系统基本原理介绍•3.1.1.3静止励磁机励磁系统•KZ-可控整流桥FLQ-发电机转子F-发电机定子YH-电压互感器•