发电机组励磁系统模型参数测试及仿真校核的研究.pdf

分类号 分类号 tm621tm621密密级 级 公公开开 u d cu d c 单位代码 单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 2 2 2 2 330mw330mw330mw 330mw 发电机组励磁系统模型发电机组励磁系统模型发电机组励磁系统模型 发电机组励磁系统模型 参数测试及仿真校核的研究参数测试及仿真校核的研究参数测试及仿真校核的研究 参数测试及仿真校核的研究 王茂松王茂松 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位专业专业名名称 称 电力系统及其自动化电力系统及其自动化 指导教师姓名指导教师姓名 曹曹娜娜职职称 称 副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一一年五月二零一一年五月 论文题目 论文题目 论文题目 论文题目 2 2 2 2 330mw330mw330mw 330mw 发电机组励磁系统模型发电机组励磁系统模型发电机组励磁系统模型 发电机组励磁系统模型 参数测试及仿真校核的研究参数测试及仿真校核的研究参数测试及仿真校核的研究 参数测试及仿真校核的研究 作者姓名 作者姓名 作者姓名 作者姓名 王 茂 松王 茂 松入学时间 入学时间 入学时间 入学时间 200 8200 8 年年 9 9 月月 专业名称 专业名称 专业名称 专业名称 电力系统及其自动化电力系统及其自动化研究方向 研究方向 研究方向 研究方向 电力系统继电保护电力系统继电保护 及自动化技术及自动化技术 指导教师 指导教师 指导教师 指导教师 曹曹娜娜职职职 职 称 称 称 称 副教 授副教 授 论文提交日期 论文提交日期 论文提交日期 论文提交日期 201120112011 2011 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期 论文答辩日期 论文答辩日期 论文答辩日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期 授予学位日期 授予学位日期 授予学位日期 thethethe the testtesttest test ofofof of excitationexcitationexcitation excitation systemsystemsystem system modelmodelmodel model parametersparametersparameters parameters andandand and simulationsimulationsimulation simulation verificationverificationverification verification researchresearchresearch research ininin in 2 2 2 2 330mw330mw330mw 330mw generatorgeneratorgenerator generator unitunitunit unit a a a a dissertationdissertationdissertation dissertation submittedsubmittedsubmitted submitted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of mastermastermaster master ofofof of philosophyphilosophyphilosophy philosophy fromfromfrom from shandongshandongshandong shandong universityuniversityuniversity university ofofof of sciencesciencescience science andandand and technologytechnologytechnology technology b b b b y y y y wangwangwang wang maosongmaosongmaosong maosong supervisor supervisor supervisor supervisor associateassociateassociate associate professorprofessorprofessor professor caocaocao cao nanana na collegecollegecollege college ofofof of informationinformationinformation information andandand and e e e e lectricallectricallectrical lectrical engineeringengineeringengineering engineering maymaymay may 201120112011 2011 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文 除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文 除了所列参考文献和世所 公认的文献外 全部是本人在导师指导下的研究成果 该论文资料尚没有呈交公认的文献外 全部是本人在导师指导下的研究成果 该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定 于其它任何学术机关作鉴定 硕士生签名 硕士生签名 日日期 期 affirmationaffirmationaffirmation affirmation i i i i declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation dissertation dissertation dissertation submittedsubmittedsubmitted submitted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of mastermastermaster master ofofof of philosophyphilosophyphilosophy philosophy ininin in shandongshandongshandong shandong universityuniversityuniversity university ofofof of sciencesciencescience science andandand and technology technology technology technology is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge acknowledge acknowledge acknowledge thethethe the documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been submittedsubmittedsubmitted submitted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute institute institute institute signature signature signature signature date date date date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘 要要 随着电力装机容量的不断增长 我国电网建设也进入了快速发展时期 截至 2009 年 7 月底 220kv 及以上输电线路达到 37 5 万公里 电网规模超过美国 跃居世界第 一位 在我国电力工业进入大电网 大机组 西电东送 南北互济 全国联网的新发展 阶段后 势必将引起我国电网结构极大的改变 对系统稳定计算分析提出了更高的要求 发电机励磁系统承担了调节发电机机端电压 保证发电机高负荷稳定运行的重要责 任 对电力系统的暂态稳定 动态稳定和静态稳定起着重要的作用 尤其对大规模互联 电力系统的稳定性有着重要的影响 为精确地计算电力系统运行中出现的各种情况 除 了电力系统中发电机参数 调速器参数和负荷参数需要测定外 励磁系统模型参数测试 也是不可缺少的 它是励磁系统建模的一个重要环节 因此需要对励磁系统进行研究分 析 并在仿真软件中建立励磁系统模型 便于研究人员对故障情况进行精确地计算 使 软件仿真结果更具实效性 本文对火电机组励磁系统模型参数确认及仿真进行了分析 以大唐鲁北发电厂 2 330mw 汽轮发电机组为例 系统全面地从空载和负载试验方面对其自并励励磁系统进 行了波形的录制及数据的计算分析 在此基础上进一步将电力系统稳定器 pss 和进 相试验融入其中 完成了励磁调节器 avr 及电力系统稳定器 pss 参数测试的工 作 然后分别利用 matlab 和电力系统综合分析程序 psasp 对励磁系统模型参数 测试结果进行了仿真校核以验证现场测试结果的正确性 关键词 关键词 发电机 励磁系统 模型参数 仿真校核 山东科技大学硕士学位论文摘要 abstractabstractabstract abstract with the growing power installed capacity china s grid construction has entered a rapid development period ending with the end of july 2009 the transmission lines of 220 kv and higher voltage levels had reached 375 000 kilometers china s grid size had exceeded usa s ranking first in the world after china s power industry has entered into a new phase of development with the large power grids the large units transmitting western power to eastern areas reinforcing each other between north and south of china being network in the nation which makes grid structure ofourcountry changed dramatically meanwhile it puts forward higher requirements for calculation and analysis of the system stability the generator excitation system assumes the important responsibility that regulates terminal voltage and ensures generator s stable operation under high load it plays an important role in power system transient stability dynamic stability and static stability especially having an important effect on large scale interconnected power systems stability toaccuratelycalculatevarioussituationsappearinginthepower systemoperation inaddition to measuring in generators parameters of power system speed governor parameters and load parameters the test of excitation system model parameters is also indispensable which is an important part intheexcitationsystemmodeling therefore itneedsto studyandanalyze theexcitationsystem meanwhile it needs to establish excitation system model in the simulation software which facilitates researchers to accurately calculate fault conditions and makes the software simulation results more effective this paper makes a analysis in excitation system model parameters identification and simulation of thermal power unit wetake the self excited excitation system of 330mw turbine generator unit indatanglubeipowerplant for example it carries out the recording waveform and calculation and analysis of data for the self excitation system from no load and load tests systematically and comprehensively on this basis it furtherly increases the power system stabilizer and the leading phase and completes the parameters test work in excitation regulator avr and power system stabilizer pss and then makes use of matlab and power system analysis software package psasp to dosimulation and 山东科技大学硕士学位论文摘要 verification for the test result of excitation system model parameters in order to verify the local test results correct keykeykey key words words words words generator excitation system model parameter simulation and verification 山东科技大学硕士学位论文目录 目录目录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1 1 1 1 1 1 引言 1 1 2 国内外发电机励磁系统的发展和现状 1 1 3 国内外发电机励磁系统模型研究的现状 4 1 4 本论文的主要工作 5 2 2 2 2 同步同步同步 同步 发电机发电机发电机 发电机 励磁系统概述励磁系统概述励磁系统概述 励磁系统概述 7 7 7 7 2 1 发电机励磁系统的作用 8 2 2 发电机组励磁系统的分类 11 2 3 自并励静止励磁系统数学模型的建立及参数计算 14 3 3 3 3 励磁系统模型参数确定及参数校核的方法励磁系统模型参数确定及参数校核的方法励磁系统模型参数确定及参数校核的方法 励磁系统模型参数确定及参数校核的方法 232323 23 3 1 励磁系统模型各基准值的选择计算 23 3 2 励磁系统模型的选择及模型参数的处理方法 25 3 3 励磁系统模型参数确定的方法 25 3 4 空载下的励磁系统模型参数的校核 27 3 5 负载下的励磁系统模型参数的校核 29 4 4 4 4 励磁系统模型参数的确定及分析励磁系统模型参数的确定及分析励磁系统模型参数的确定及分析 励磁系统模型参数的确定及分析 303030 30 4 1 gec 300 型励磁控制系统 30 4 2 励磁系统模型参数的测试及结果分析 33 5 5 5 5 励磁系统仿真及模型参数的校核励磁系统仿真及模型参数的校核励磁系统仿真及模型参数的校核 励磁系统仿真及模型参数的校核 585858 58 6 6 6 6 总结与展望总结与展望总结与展望 总结与展望 636363 63 6 1 工作总结 63 6 2 论文的不足之处及展望 63 参考文献参考文献参考文献 参考文献 656565 65 致谢致谢致谢 致谢 686868 68 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 攻读硕士学位期间发表的论文 696969 69 山东科技大学硕士学位论文目录 contentscontentscontents contents 1 1 1 1 introductionintroductionintroduction introduction 1 1 1 1 1 1 foreword 1 1 2 thedevelopment and current condition of generator excitation system in theworld 1 1 3 thecurrent research condition of generator excitation system model in theworld 4 1 4 thecondition of mainworkand chapters distribution in this paper 5 2 2 2 2 synchronoussynchronoussynchronous synchronous generatorgeneratorgenerator generator excitationexcitationexcitation excitation systemsystemsystem system summarysummarysummary summary 7 7 7 7 2 1 thefunction of generator excitation system 8 2 2 theclassification of generator excitation system 11 2 3 theform and parameter calculation of self excited static excitation system mathematic model 14 3 3 3 3 thethethe the methodmethodmethod method ofofof of parameterparameterparameter parameter definedefinedefine define andandand and identificationidentificationidentification identification ininin in excitationexcitationexcitation excitation systemsystemsystem system modelmodelmodel model 232323 23 3 1 theselection and calculation of standard value in excitation system model 23 3 2 theselection of excitation system model and treatment method of model parameter 25 3 3 themethod of parameter define in excitation system model 25 3 4 theproofofexcitation system model parameter under no load 27 3 5 theproofofexcitation system model parameter under load 29 4 4 4 4 thethethe the definedefinedefine define andandand and analysisanalysisanalysis analysis ofofof of excitationexcitationexcitation excitation systemsystemsystem system modelmodelmodel model parameterparameterparameter parameter 303030 30 4 1 theexcitation control system with thetypeofgec 300 30 4 2 thetest and result analysis in excitation system model parameter 33 5 5 5 5 thethethe the simulationsimulationsimulation simulation ofofof of excitationexcitationexcitation excitation systemsystemsystem system andandand and modelmodelmodel model parameterparameterparameter parameter proofproofproof proof 585858 58 6 6 6 6 conclusionconclusionconclusion conclusion andandand and prospectprospectprospect prospect 636363 63 6 1workconclusion 63 6 2 thedefect and prospect in this paper 63 referencesreferencesreferences references 6 6 6 6 5 5 5 5 acknowledgmentacknowledgmentacknowledgment acknowledgment 6 6 6 6 8 8 8 8 mainmainmain main workworkwork work achievementachievementachievement achievement of of of of thethethe the authorauthorauthor author duringduringduring during workingworkingworking working ononon on mastermastermaster master paperpaperpaper paper 696969 69 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1 11 11 1 1 1 引言引言引言 引言 发电机励磁控制系统在维持发电机或发电厂高压侧母线的电压给定水平 控制并联 运行机组无功功率合理分配以及提高电力系统的稳定性方面具有举足轻重的作用 随着 我国电力系统的快速发展 大容量高参数机组越来越多 电网规模越来越大联系越来越 紧密 对电网安全稳定运行来说是一种严峻的挑战 为精确地计算电力系统运行中出现 的各种异常情况 不单是要准确把握发电机参数 调速系统参数和负荷模型参数 而且 还要准确把握励磁系统模型参数 1 2 3 目前广泛采用 matlab 仿真和电力系统综合分析 程序 psasp 仿真等手段来验证现场测试参数的合理性 达到尽量优化励磁调节器各 环节参数 通过对励磁系统参数的测试及模型的建立 推动电力系统计算向着高一等级 的精度迈进 深化了对励磁系统模型的研究 该课题的开展深化了微机励磁控制系统的 理论 硬件系统 软件系统及其运行 调试等方面的知识 1 21 21 2 1 2 国内外发电机励磁系统的发展和现状国内外发电机励磁系统的发展和现状国内外发电机励磁系统的发展和现状 国内外发电机励磁系统的发展和现状 20 世纪 1960 年代以前 同步发电机励磁系统主回路大部分采用同轴直流励磁机的 励磁方式随着可控硅整流元件的出现 直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器取代 4 1960 年代 当时的第一机械工业部委托电器科学研究院 组织了汽轮发电机三机交流 整流励磁系统的全国统一设计 5 这种方式在大型汽轮发电机上一直延用至今 在国内 电力部门受旧观念束缚 长期认为自并励不可靠 无强励能力 故障时无 足够短路电流 不能保障继电保护正确动作 在这方面清华大学等曾进行了卓有成效的 研究 并且指出自并励的优点 动态响应快 对于以上的缺点分析 适当提高其强励倍 数等是可克服的 国内如河北工学院电工厂 在福建省池潭水电厂 50mw 机组上成功地 进行了自并励试验 从国外进口的天津大港发电厂 320mw 意大利火电机组和从日本进 口的唐山陡河火电厂发电机组励磁系统均采用自并励励磁方式 6 后来由于自并励励磁 的一系列优点 才慢慢被接受 因此国内后来的许多水电厂如白山 隔河岩 岩滩等单 机 300mw 以上电站也普遍采用自并励励磁系统 7 受当时国外许多厂家将自并励作为 汽轮发电机主要励磁方式的影响 我国电力部门也逐步将自并励方式应用到汽轮发电机 组 1991 年辽宁清河发电厂一台 210mw 汽轮发电机励磁系统改造为自并励励磁方式 5 前期的励磁调节器一般只有 2 个功能 一方面通过自动调节励磁机磁场电阻来达到 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 发电机电压恒定 另一方面用于发电机的调差 使发电机并联运行下合理分配无功 对 单机容量大的发电机励磁系统还具有强励和强减功能 当机端电压下降幅度较大时 利 用低电压继电器短路磁场绕组内串接的电阻 从而达到强励的目的 反之当机端电压突 然上升时 用电压继电器把一定电阻串入励磁机磁场中达到强行减磁的作用 1950 年代 我国从西方国家进口的励磁调节器 avr 主要有 3种类型 磁盘式 炭阻式和银针式 这些都是机电式直接动作的调压器 它们的电压敏感元件直接通过机 械机构操作励磁机的磁场电阻 在国内 上海华通开关厂生产过炭阻调节器 此外 1950 年代学习苏联 引进了苏 式的以磁性元件为主的励磁调节器 主要的两大类型是电流复励加电磁式校正器方式和 相复励磁调节器方式 8 随着 1960 年代可控硅出现 我国可控硅元件于 1961 1962 年间由一机部电器科学 研究院率先研制的 4 从此 励磁调节器开始向固态型转变 出现了以晶体管为主 用 电阻 电容等分立元件组成的半导体励磁调节器 功率元件开始采用可控硅 1970 年代后期 天津大港发电厂从意大利进口的 320mw 火电机组的自并励励磁系 统 9 其励磁调节器由典型的集成电路组成 其励磁功能已相当完善 但所用的印刷电 路板多达 68 块 国外的工艺能保证这种调节器正常工作 1980 年代我国从西屋公司引 进的模拟式励磁调节器 8 适合于三机交流整流励磁系统或无刷励磁系统 西屋的 wta 调节器功能也较完善 但有约 40 多块印刷电路板 国内仿制后 有时运行还不稳定 这 与所选用的元件是否经严格老化筛选以及加工工艺和质量有关 1970 年代末期 清华大 学与天津电传所合作研究开发了模拟式最优励磁控制调节器 10 1980 年代中期在碧口 100mw 水电站带直流励磁机的励磁系统上运行 但效果并不理想 模拟式调节器无计 算能力 运行中参数无法调整 另外经过直流励磁机 无法发挥励磁最优控制的优点 11 因此没有发展前途 在利用计算机进行励磁方面的研究 最早是加拿大和苏联两国的联合研究和研制 当时用小型机 minicomputer 进行研究 并且在试验室中对小发电机进行了试验 1979 年底 电力部南京自动化研究所自控室筹建了励磁组 经过酝酿讨论决定自主开发 微机型励磁调节器 报请部科技司 1980 年电力部下达了微机励磁的七五攻关项目 南 瑞电气控制公司经多年努力攻关研制 于1984 年 7 月研制出第一台工业样机 12 于1985 年春节前运至池潭电站 用在50mw 的 2 号机组上 4 月上旬开始现场调试 经过一系 列试验 于 4 月 27 日通过 72 小时运行考验才正式投入运行 6 这使我国发电机励磁发 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 展转入新的一页 在世界上也是属于领先地位 并得到了在北京参加ifac 电厂和电力 系统控制 国际会议主席 美国电厂和电力系统控制权威 tomas e dyliacco 教授的赞扬 随后 华中理工大学与东方电机厂合作生产了微机 模拟双通道励磁调节器 1988 年在渔子溪电厂 1 号机试验 采用了最优控制算法 13 14 与南瑞电气控制公司微机励磁 不同的 其触发部分仍用模拟式的 z80 单板机也不是工业专用机 微机的作用只是起 着模拟调节器的综合放大等功能 此外 微机 模拟双通道 增加了用户维护困难 因此 还有待完善 微机励磁控制系统在国外于 1960 年代末期就开始进行研究 当时的一些大学和研究 单位用小型微机来进行 在控制算法方法规律方面做了不少的工作 并且还用小模型的 发电机在试验室进行了试验 70 年代国外的加拿大和苏联对计算机 当时称数字式自动 电压调节器 davr 励磁进行了联合研究 8 但是真正用于现场是在微型计算机出现后 应该指出 南瑞电气控制公司第一台 wlt 1 微机励磁调节器在 1985 年投运时 当时的国 外公司还未能生产微机型励磁调节器用于实际中 实际上国外微机励磁的应用也相对较 晚 如日本东芝公司于 1989 年 7 月将双微机系统的数字式励磁调节器运用在日本八户火 力发电所 3 号机上 5 1990 年 5 月 加拿大通用电气公司 cge 也开发出微机励磁调节 器 又如接下来的瑞士 abb 公司利用厂用微机系统开发了 unitrol d 型微机励磁调节器 很快就停止生产模拟式励磁调节器 1995 年又推出了新的一代微机励磁调节器 unitrol f 4 日本三菱公司 1993 年投运了 mec 5000 型系列微机励磁调节器 另外还有奥地利 elin 公司 德国siemens 公司和英国的 gec 公司和 rolls royes 公司等也相继生产出微 机励磁调节器 8 1 31 31 3 1 3 国内外发电机励磁系统模型研究的现状国内外发电机励磁系统模型研究的现状国内外发电机励磁系统模型研究的现状 国内外发电机励磁系统模型研究的现状 发电机励磁控制系统不同的励磁方式构成了不同的数学模型 在电力系统稳定性的 研究中 需要掌握励磁控制系统的特性及参数 并应能建立起精确地表达励磁系统在不 同工作状态下的数学模型 15 16 励磁系统的数学模型一般有三种情况 11 17 1 原始励磁系统模型符合标准中的或 电力系统计算程序中励磁系统固定模型 2 由原始励磁系统模型转换为标准的或电力 系统计算程序中励磁系统固定模型 3 使用电力系统计算程序中自定义功能与实际励 磁系统一致的模型 自 1968 年以来 世界各国不断地推出各自开发的励磁系统数学模型 例如美国西屋 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 公司在无刷励磁系统建立了i型 ac 1型和ac 2型数学模型 瑞典的asea公司在frea 系列励磁系统建立了相应的数学模型 日本一些电机制造厂也推出了各自的励磁系统模 型 这些模型为电力部门在进行电力系统稳定性研究方面提供了极大的方便 其中 应 用较多的励磁系统数学模型由美国电机 电子工程师协会 ieee 及国际电工委员会 iec 提出 ieee 在 1968 年提出了第一组励磁系统数学模型 18 19 并于 1981 年发表 了反应设备进步的改进模型和更好的模型措施 在 1992 年这些模型得以更加详尽 在 2005 年再次更新了提出的励磁系统数学模型 我国分别于 1991 年 1994 年提出了电力 系统稳定计算用的励磁系统模型 此后励磁系统数学模型的也在不断的改进 电力系统内的各个科研部门使用的电力系统分析软件如电力系统综合分析程序 psasp bpa 和 pss e 等对励磁系统有不同的处理方式 电力系统综合分析程序 psasp 有用户自定义方式 可以按照实际的励磁系统构成相应的励磁数学模型 bpa 和 pss e 等均采用固定的励磁系统数学模型 表1 1 列出了 ieee bpa 与 pss e 的不同 励磁系统模型 2 20 表 1 1ieee bpa 与 pss e 的不同励磁系统模型 table 1 1different excitersystem model about ieee bpa and pss e 1 1 1 1 4 4 4 4 本论文的主要工作本论文的主要工作本论文的主要工作 本论文的主要工作 本课题主要研究了电厂大型发电机自并励静止励磁系统 并以此为基础 系统全方 面地 结合电力系统稳定器 pss 和进相试验加以说明 对大唐鲁北发电厂 2 330mw 汽轮发电机组的自并励静止励磁系统进行了模型参数的测试 并结合 matlab 和电力 系统综合分析程序 psasp 软件仿真进行了参数的校核工作 全文章节安排如下 模型种类 ieeeac1aac2aac3aac4aac5a bpafm fnfq frfuebfs ft pss eesac1aesac2aesac3aesac4aesac5a 模型种类 ieeeac6ast1ast2ast3adc1a bpafo fpfvflea pss eesac6aesst1aesst2aesst3aesda1 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 第 1 章简要介绍了课题开展的必要性 国内外发电机励磁系统主回路及励磁调节器 励磁系统模型的现状及论文研究的主要工作 第 2 章简要介绍了发电机组励磁系统作用 组成 分类及自并励静止励磁系统数学 模型的建立 第 3 章重点介绍了大型汽轮发电机组自并励静止励磁系统模型参数测试及校核的方 法 第 4 章以大唐鲁北发电厂 2 330mw 汽轮发电机组采用北京吉思电气有限公司 gec 300 型的自并励静止励磁系统为例 说明如何进行大型汽轮发电机组的自并励静止 励磁系统模型参数的测试及励磁系统数学模型的建立 第 5 章利用 matlab 和电力系统综合分析程序 psasp 软件对 gec 300 型的自 并励静止励磁系统进行仿真 参数的校核及优化 第 6 章对全文进行了总结和展望 2 2 2 2 同步同步发电机发电机励磁系统概述励磁系统概述 发电机励磁控制系统在电力系统稳定性方面起着重要的作用 其特性好坏直接影响 到同步发电机运行的可靠性和稳定性 发电机组励磁系统由励磁功率单元 励磁控制单 元 发电机电压测量和电流补偿单元和电力系统稳定器组成 见图 2 1 励 磁 控 制 单 元励 磁 功 率 单 元 电压测量和电流补偿 单 元 电力系统稳定器 发电机单元 upssout upssin u t i t uref uerr u o u l 图 2 1 中 发电机电压 pu 发电机电流 pu 电压基准值 pu t u t i ref u 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 偏差电压 pu 过励限制输出 pu 低励限制输出 pu err u o u l u 电力系统稳定器输入 pu 电力系统稳定器输出 pu sinps u pssout u 图 2 1 励磁系统的组成 fig 2 1 the compositionoftheexcitation system 励磁功率单元用于向发电机励磁绕组提供直流电流以建立磁场 励磁控制单元用于 发电机在正常运行或发生事故时调节励磁电流以维持机端电压来满足运行的需要 这一 部分包括励磁调节器及由软件实现的各种限制功能 发电机电压测量和电流补偿单元是 励磁调节器检测发电机电压和电流并按调节准则控制功率单元的输出 电力系统稳定器 单元用于解决区域间振荡模式的弱阻尼或负阻尼低频振荡问题 保证联网系统的安全 稳定 经济运行 2 12 12 1 2 1 发电机发电机发电机 发电机 励磁系统的作用励磁系统的作用励磁系统的作用 励磁系统的作用 电力系统在正常运行时 随着系统所需负荷的波动 同步发电机的有功功率在变化 的同时 无功功率 机端电压也相应的变化 这就需要同步发电机励磁控制系统通过调 节励磁电流来维持机端电压的稳定 控制无功功率的分配 它还在提高同步发电机并联 运行的稳定性等方面起着举足轻重的作用 1 维持发电机或其他控制点的电压在给定水平 控制发电机机端电压在一定的给定水平是励磁控制系统的最主要的任务 有以下 3 个主要原因 第一 保证电力系统内设备的安全稳定运行 电力系统中的运行设备都有其额定运 行电压和最高运行电压 考虑到设备的使用寿命等方面 发电机运行规程规定 21 大型 同步发电机运行电压不得高于额定值的110 第二 保证发电机运行的经济性 规程规定大型发电机运行电压不得低于额定值的 90 当发电机电压低于 95 时 发电机应限负荷运行 以防因电压的降低较多造成系 统的瓦解 第三 提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一 致的 2 控制并联运行机组无功功率的合理分配 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关 发电机端电压的调 差率有三种调差特性 22 无调差 负调差和正调差 图 2 2 是两台正调差机组并列运行时的曲线 当两台正调差特性的发电机在公共母 线上并联运行 其调节特性分别为曲线 1 和曲线 2 由于两台发电机端电压是相同的 等于母线电压 每台发电机所负担的无功电流是确定的 分别为和 1t u 1qa i 1qb i 当无功负荷增加时 母线电压下降 励磁控制系统将会动作以增加励磁电流 设 1t u 新的稳定电压值为 这时每台发电机负担的无功电流分别为和 两台机组分 2t u 2qa i 2qb i 别承担一部分增加的无功负荷 由图 2 2 可以看出 对于曲线 1 调差率小的机组分配的 无功多 而对于曲线 2 调差率大的分配到的无功少 t u 1t u 1 2t u 2 1qa i 1qb i 2qb i 2qa i q i 图 2 2 两台发电机的并联运行时的正调差特性 fig 2 2 the parallel operationoftwo generatorsare adjusted when thedifference between features 3 提高电力系统的稳定性 1 励磁控制系统对电力系统静态稳定的影响 电力系统静态稳定性 23 是指系统受到小的负荷扰动后 同步发电机本身独立恢复至 原来稳定运行状态的能力 以一个单机 隐机式发电机 无限大母线系统为例 见图2 3 图 2 3 单机无限大母线系统 fig 2 3 the single machine infinite bus system 发电机输送功率可由式 2 1 表示为 xd xt1xt2xl 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 eq d equs psin x 2 1 式 2 1 中 发电机内电势 受端电网电压 发电机与电网间的总电抗 equs d x 12ddttl xxxxx 当无励磁调节时 常数 静态稳定功率极限等于 对应的功角为 eq m p d x equs 0 90 如果发电机在运行中可自动调节励磁电压 则此时为变值 随着负载增加 将会eqeq 变大 在达到静态稳定功率极限时对应的功角将大于 相应的传输功率可得到显 m p 0 90 著的提高 2 励磁控制系统对电力系统暂态稳定的影响 电力系统暂态稳定性 23 24 是指系统受到大的扰动后 各同步发电机保持同步运行并 过渡到新的稳定运行方式或恢复到原来稳定运行状态的能力 电力系统故障前后励磁控制系统对暂态稳定的影响 24 25 见图 2 4 机组正常运行于 a 点 功角为 如遭受大扰动 系统电压下降 阻力矩 电磁功率急剧降到 b 点 加速力 0 矩 机械功率由于惯性大 暂时保持不变 但大于 b 点的阻力矩 机组开始加速 功角急 速拉大 此刻励磁系统快速强励 电磁阻力矩也快速增加 在功角增大到时故障被切 s 除 此时电磁力矩立即上升到 d 点 因惯性的作用 功角将被拉大到至 此时加速 max 机械功率面积 abce 如果小于电磁阻力矩面积 edfg 机组将减速 经数次摆动之后 最终 运行在新的平衡点 s 暂态稳定了 否则 就失去暂态稳定 山东科技大学硕士学位论文同步发电机励磁系统概述 图 2 4 中 原动机的机械功率 mw 故障前发电机的电磁功率 mw t p i p 故障时发电机的电磁功率 mw 故障后发电机的电磁功率 mw ii p iii p 功角 即发电机内电动势与受端母线电压之间的夹角 图 2 4 电力系统故障前后励磁控制系统对暂态稳定的影响 fig 2 4 the excitation control system impacting on