2009讲课(发电机组励磁系统).ppt

发电机组励磁系统技术与控制 同步发电机励磁系统 同步发电机励磁自动调节 同步发电机励磁系统中的可控整流电路 半导体励磁调节器工作原理 调节器的静特性调整 并联运行发电机间无功功率的分配 同步发电机继电强行励磁与灭磁 内容 第一部分同步发电机励磁系统 一 励磁系统与同步发电机励磁回路电压的建立调整及必要时使其电压消失的有关设备和电路的总称 1 组成 1 励磁功率单元 它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流 2 励磁调节器 它按照发电机及电力系统运行的要求 根据输入信号和给定的调节准则自动调节控制功率单元输出的励磁电流 2 对励磁系统的基本要求 1 可靠性高 2 保证发电机具有足够的励磁容量 3 具有足够的强励能力 4 保证发电机电压调差率有足够的整定范围 5 保证发电机有足够的调节范围 6 保证发电机励磁自动控制系统具有良好的调节特性 第二部分同步发电机励磁自动调节 1 励磁自动调节器的作用1 电力系统正常运行时 维持发电机或系统某点电压水平 2 在并列运行发电机之间 合理分配机组间的无功负荷 3 提高发电机静稳定极限 4 提高系统的动态稳定 加快系统电压的恢复 改善电动机的自起动条件 5 限制发电机突然卸载时电压上升 6 发电机故障或发电机 变压器组单元接线的变压器故障时对发电机实行快速灭磁 以降低故障的损坏程度 2 励磁自动调节器的主要任务自动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 3 对励磁自动调节器的基本要求1 应有足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求 2 有很快的响应速度和足够大的强励顶值电压 3 有很高的运行可靠性 动作要迅速 调节过程要稳定 调节系统应有无失灵区 小结 励磁系统与同步发电机励磁回路电压的建立 调整及必要时使其电压消失的有关设备和电路的总称 励磁调节器 AER 用于在正常运行或电力系统发生事故时调节励磁电流 以满足运行的需求 继电强行励磁装置 AEI 作为励磁调节器强行励磁作用的后备措施 并作为某些不能满足强行励磁要求的励磁调节器补充措施 使励磁电压迅速升到最大值 自动灭磁装置 AEA 用于在发电机或发电机 变压器组中的变压器发生故障时 为防止继续向故障点供给短路电流 加大故障的损坏程度 使发电机转子回路的励磁电流尽快降到零的一种装置 4 同步发电机励磁方式和励磁调节方式 目的要求 掌握同步发电机的励磁方式 励磁调节方式及特点 重点 无刷励磁 自并励静止励磁系统 同步发电机的励磁调节方式 一 同步发电机的励磁方式 直流励磁机 发电机 供电交流励磁机 发电机 经半导体整流供电静止电源供电 供给同步发电机转子直流励磁电源的方式 按供电电源的不同分 1 直流励磁机供电的励磁方式 1 直流自励 向自己提供励磁电流 2 直流他励 IELE主要由另外一台与励磁机同轴的副励磁机PGD提供 存在问题及应用 直流励磁机靠机械整流子换向 有炭刷和整流子等转动接触部件 维护量大 造价高 只用于50MW及以下的发电机 2 交流励磁机经半导体整流器供电的励磁方式 1 他励交流励磁机静止整流励磁GE输出的交流电经静止整流器整流后变成直流 供给发电机作励磁电流 1 励磁系统的容量不受限制 2 不受电网干扰 所以可靠性高 3 由于控制环节多 使得这种励磁系统的时间常数较大 响应速度较慢 4 有转子滑环和炭刷 需要一定的维护量 且易发生火花 不利防火 5 加长了机组主轴长度 特点 2 交流励磁机经半导体整流器供电的励磁方式 1 时间常数小 响应速度较快2 缩短了机组主轴长度3 可控硅整流器控制的电流大 需要的可控整流设备容量大4 可实现对发电机的逆变灭磁 2 自励交流励磁机静止整流励磁系统 特点 1 取消了滑环和炭刷 维护量小 由于不存在火花问题 不易引起火灾 2 因为没有炭粉和铜末引起电机线圈污染 故绝缘的寿命较长 2 交流励磁机经半导体整流器供电的励磁方式 3 交流励磁机旋转整流励磁 无刷励磁 永磁发电机的永磁极 交流励磁机的电枢绕组 硅整流器和发电机转子一起同轴旋转 励磁机励磁绕组放在定子上静止不动 主要优点 存在技术问题 1 不能采用传统的灭磁装置对转子回路直接灭磁 2 无法对励磁回路进行直接测量 如转子电流 电压 转子绝缘等 3 无法对整流元件等的工作情况进行直接监测 4 对整流元件等的可靠性要求高 3 静止励磁系统 1 结构简单 可靠性高 造价低 维护量小 2 没有励磁机 励磁变压器放置自由 缩短了机组长度 可减少电厂土建造价3 直接用可控硅控制转子电压 可获得很快的励磁电压响应速度 1 自并励静止励磁系统 励磁变压器并联在发电机端 且发电机向自己提供励磁功率 自并励方式的优点 存在技术问题 继电保护配合较复杂 3 静止励磁系统 2 自复励静止励磁系统 励磁电源由发电机机端经励磁变压器TE和励磁变流器UE供给 自复励励磁方式的特点是 当电力系统短路时 自励部分会因为发电机电压下降而降低励磁能力 复励部分会因发电机电流增加而增加励磁能力 两者相辅相成 弥补了自并励方式单独由发电机电压供给发电机励磁电流的不足 它可以保证在机端短路时有足够的强励能力 二 同步发电机的励磁调节方式 1 人工调整Rm的大小 2 自动励磁调节 1 按电压偏差的比例调节 是一个以电压为被调节的负反馈调节 构成 变换机构 测量机构 放大机构和执行机构 测量机构发电机端电压KUG K为比例系数 与给定值Uset的偏差 UG Uset KUG 放大机构按照 UG的大小和方向进行放大 以提高调节器的灵敏度和调节质量执行机构使励磁电流向相应的方向调整 从而控制发电机的电压值 2 按定子电流 功率因数的补偿调节 复式励磁调节 将发电机定子电流整流后供给发电机励磁 以补偿定子电流对端电压的影响 2 按定子电流 功率因数的补偿调节 相位复式励磁调节 将发电机端电压和定子电流的相量和整流后供给发电机励磁 则可以补偿定子电流和功率因数 无功电流 对端电压的影响 小结 补偿型调节与按电压偏差的比例型调节的区别 按电压偏差的比例调节是一个负反馈调节 将被调量与给定值比较得到的偏差电压放大后 作用于调节对象 力求使偏差值趋于零 所以是一种 无差 调节方式 而补偿型励磁调节 输入量并非是被调量 它只补偿定子电流和功率因数引起端电压的变化 仅起到补偿作用 调节的结果是有差的 所以 在运行中还必须采用电压校正器 才能满足要求 第三部分同步发电机励磁系统中的可控整流电路 目的要求 理解可控整流电路的作用 工作条件及工作特点 重点 三相桥式全控电路工作状态 一 励磁系统中可控整流电路的作用控制角 90 将带感性负载的直流逆变为交流 进行灭磁 1 六只整流元件全部采用可控硅 在阳极承受正向电压期间在控制极上加触发脉冲 2 共阴极组的元件在各自的电源电压为正半周时导通 而共阳极组的元件则在其电源电压负半周时导通 采用双脉冲触发 3 在一个周期中对每一只可控硅需要连续触发两次 按顺序发出 且依次间隔60 触发脉冲应与相应交流电压保持同步 二 三相桥式全控整流电路导通条件阳极承受正向电压期间在控制极上加触发脉冲 相邻两个触发脉冲间的相位差为60 三 三相桥式全控电路及工作特点 四 三相桥式全控电路工作状态 1 整流工作状态0 90 将交流转换成直流 供给励磁绕组 三相桥式全控整流 为0时 电路图 三相桥式全控整流 为0时 三相桥式全控整流 为600时 三相桥式全控整流 为1200时 四 三相桥式全控电路工作状态 2 逆变工作状态 限制在90 180 内 而输出平均电压则为负值 电路将直流电能变换为交流电能 并反馈回到交流电网中去 实现快速灭磁 逆变角 在逆变工作状态下 180 最大控制角 max取150 即最小逆变角 min取30 否则会造成逆变失败 三相全控桥实现逆变的条件是 负载必须是电感性负载 且原来储存能量 即三相全控桥原来工作在整流工作状态 控制角 应大于90 小于180 三相全控桥的输出电压平均Uav为负值 逆变时 交流侧电源不能消失 这是由于逆变是将直流侧电感储存的能量向交流电源反送的过程 小结 1 三相全控整流电路输出电压平均值和 控制角的关系 在0 90 时 全控桥处于整流工作状态 改变 角 可以调节发电机的励磁电流 在90 180 时 全控桥处于逆变工作状态 可以实现对发电机的灭磁或减磁 整流桥进入逆变工作状态 将发电机励磁绕组储存的能量迅速反送给交流电源 加快了灭磁的过程这就称为逆变灭磁 2 三相全控桥输出电压平均值与 的表达式 Uav 1 35ELcos 三相全控输出电压平均值Uav与 的关系曲线 第四部分半导体励磁调节器工作原理 目的要求 理解可控整流电路的作用 工作条件及工作特点 重点 电压比较及整定电路工作原理 难点 触发脉冲的形成及控制励磁调节器的静态工作特性 一 半导体励磁调节器的构成图 一 测量比较单元作用 组成及工作特性 1 作用 测量发电机电压并变换为直流电压 再与给定的基准电压相比较 得出发电机电压差信号 2 组成 由正序电压滤过器 测量变压器 多相整流电路 滤波电路和电压比较及整定电路构成 2 测量整流电路将发电机电压成比例的变换为含高次谐波分量的直流电压 提高了调节装置的响应速度 1 正序电压滤过器作用 在电力系统发生不对称性短路时 可将负序和零序分量阻断 只输出对称的 数值略为降低的正序电压 提高调节器的灵敏度 并使测量变压器始终处在对称三相电压下工作 讨论 六相桥式整流电路的输出的波形波形 在一个周期内有12个波头 12个整流元件 每个波头为3600 12 300 所以存在频率为12 50 600HZ 3 滤波电路将整流电路输出的高次谐波分量进行滤波 得到平稳的直流电压KUG以保证调节器平稳地工作 4 电压比较及整定电路 1 作用 是将KUG与比较电路中的基准电压Uset进行比较 得出电压偏差 UG 输出到综合放大单元 使发电机电压或无功功率能满足运行工况的要求 2 电压比较及整定电路工作原理 讨论 当输入电压KUGUVS VS1 VS2被击穿 KUG IRP UVS UG UVS即 UG 2UVS KUG IRP 5不同的RP值对测量比较单元的工作特性 UG f UG 的影响 讨论 在工作区 粗线段 内 RP增大 特性曲线右移 使调节器升高发电机电压 反之 减小RP 使调节器降低发电机电压 因此 对单独运行的发电机来说 调整RP可以改变发电机机端电压 对与系统并列运行的发电机 调整RP可以改变发电机的无功功率 二 综合放大单元作用 工作特性 1 作用 将电压偏差信号 UG和其他辅助信号 励磁系统稳定器 及提高电力系统稳定的稳定信号 电力系统稳定器 等进行综合放大 提高调节装置的灵敏度 以满足励磁调节的需求 2 工作特性 3 15 由式 3 15 可见 图3 32所示的电路实现了综合放大的作用 三 移相触发单元 1 作用将控制信号UC按照励磁调节的要求转换成移相触发脉冲 使控制角 随UC的大小而变 并触发晶闸管元件 从而达到调节励磁电流的目的 2 组成 同步 移相 脉冲形成和脉冲放大 1 同步环节的作用 2 触发脉冲的形成及控制 二 励磁调节器的静态工作特性 二 励磁调节器的静态工作特性 a b N RP大 RP小 测量比较单元和综合放大单元的合成特性 N N N N a a b b RP大 RP大 RP小 RP小 移相触发单元工作特性 IARE f UG 的工作特性 励磁调节器静态工作特性的求取 小结 在励磁调节器的工作区内 UG升高 IAER就急剧减小 UG降低 IAER就急剧增加 其中线段ab为工作区 N为额定工作点 在工作区内发电机电压变化极小 所以励磁调节器有维持机端电压保持不变的能力 另外 当电力系统发生短路故障时 机端电压极度降低 此时IAER迅速增大 起到强励作用 改变RP的大小 就可移动励磁调节器的静态工作特性 第五部分励磁调节器的静特性调整 目的要求 理解励磁调节器的静特性调整方法 重点难点 调差系数的调整 发电机外特性的平移 一 对励磁调节器静特性调整的基本要求及组成 1 基本要求 1 保证发电机在投入和退出电网运行时能平稳的转移无功负荷 不要引起对电网的冲击 2 保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配 2 组成 电压整定和调差单元 二 具有自动励磁调节器的发电机外特性的合成 1 发电机外特性 指发电机的无功电流IG Q与端电压UG的关系曲线 2 具有自动励磁调节器发电机的外特性合成 UG f IG Q 为 IAER f UG IG Q f IE 发电机在加装自动励磁调节器后 当无功电流IG Q变化时 发电机端电压UG基本维持不变 达到了自动调压的目的 具有AER的同步发电机外特性合成 UG UG N RP大 RP小 三 励磁调节器静特性IAER f UG 调整内容 1 平移发电机的外特性 改变RP值 即Uset整定 实现平稳的将发电机投入和退出电网运行 2 改变发电机的外特性的斜率 调整调差系数Kadj 保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配 四 调整调差系数Kadj 一 定义 在某一RP值下 无功负荷电流从零变至额定值时 发电机电压的相对变化 3 18 由3 46 c 图可得发电机的无功电流IGQ也可表示为 用标幺值表示为 即 小结1 当母线电压波动时 发电机无功的增量与电压偏差成正比 与调差系数成反比 式中的负号表明无功增大时机端电压下降 二 调差系数的调整 1 改变极性 1 正调差接线 输入 输出线电压的关系 2 负调差接线 将UA1 UA2极反接即可得到负调差接线 此时 A C流向与图3 47中相反 调差单元输出 输入电压间关系为 同上分析可得 输入线电压的关系为 2 改变大小 调整电阻R值 三 有自动励磁调节器发电机的外特性 1 特性1自然调差系数 当调差单元退出工作时 发电机外特性的调差系数 用Kadjo表示 2 接入调差单元后发电机的外特性 1 特性2的Kadj 0 为正调差系数 特性下倾当无功电流增大时 调节器感受到的电压在上升 调节装置降低发电机的励磁电流 驱使发电机电压降低 R值增大 外特性下倾的程度增大 调差系数也增大 因此正调差特性主要用来稳定并联运行机组间无功电流的分配 也称为电流稳定环节 特性3的Kadj 0 为无差特性 特性呈水平 发电机端电压不随无功电流而变化 是恒定值 特性4的Kadj 0 为负调差系数 当无功电流增大时 自动励磁调节器感受到的电压在下降调节装置增加了发电机的励磁电流 驱使发电机电压升高 调整R值 也可以调整差系数的大小 负调差特性可以用来补偿线路或变压器的阻抗压降 保持升压变压器高压侧并列点或电力系统某点的电压水平 也称为电流补偿环节 五 发电机外特性的平移 改变某台发电机所承担的无功负荷 发电机在退出系统运行时IG Q1减小到IG Q2减小到0 只要将发电机外特性由1下移动到3 这样机组就可平稳退出运行 不会发生无功功率的突变 不会引起对电网的冲击 发电机投入运行时 待机组并入系统后外特性3向上移动 使无功电流逐渐增加到运行要求值 平移发电机的外特性实现无功负荷的转移 改变Rp的大小 当Rp增大 外特性平行上移Rp减小 发电机外特性平行下移 小结 励磁调节器的静特性调整方法有 1 调差系数的调整 极性 1 正调差特性主要用来稳定并联运行机组间无功电流的分配 也称为电流稳定环节 2 发电机外特性的平移 改变某台发电机所承担的无功负荷 2 负调差特性可以用来补偿线路或变压器的阻抗压降 保持升压变压器高压侧并列点或电力系统某点的电压水平 也称为电流补偿环节 第六部分并联运行发电机间无功功率的分配 目的要求 理解并联运行发电机间无功功率的分配原则及计算无功负荷分配 重点 并联运行发电机间无功功率的分配原则 难点 计算无功负荷分配 一 机端直接并联的发电机组运行 1 两台正调差特性发电机的并联运行 无功电流增加 I1G Q I2G Q 调节器感受电压U G 因正调差单元 调节器的输出 发电机励磁 I1G Q I2G Q 无功电流引起扰动时 正调差特性发电机可维持无功电流的稳定分配 能稳定电力系统运行 并保持并联点母线电压在整定水平 两台正调差特性的发电机在机端直接并联运行时 当系统无功负荷波动时 其电压偏差相同 调差系数较小的发电机承担较多的无功电流增量 因此容量大调差系数小 2 一台无差特性发电机与正调差特性发电机的并联运行 无功负荷变化时 第二台发电机的无功电流I2G Q保持不变 而第一台发电机承担全部无功负荷的变动 一台无差特性的发电机可以与一台或多台正调差特性发电机组并联运行 对于两台无差特性的发电机 是不能在同一母线上并联运行的 3 一台负调差特性发电机与一台正调差特性发电机的并联运行 I1G Q 调节器感受电压U 1G 因负调差关系 调节器的输出 发电机励磁 I1G Q 所以具有负调差特性的发电机不能参与机端直接并联运行 4 发电机并联运行时无功负荷分配的计算 发电机无功电流波动量的标幺值IGQ 相等 这就要求在公共母线上并联运行的发电机具有相同的调差系数 例3 1某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行 一号机的额定功率为25MW 二号机的额定功率为50MW 两台机组的额定功率因数都是0 85 调差系数为0 05 如果系统无功负荷使电厂无功功率的增量为它们总无功容量的20 问各机组承担的无功负荷增量是多少 母线上的电压波动是多少 一号机额定无功功率为 QG1 PG1tg 1 25tg arccos0 85 15 49 Mvar 二号机额定无功功率为 QG2 PG2tg 2 50tg arccos0 85 30 99 Mvar 因为两台机的调差系数均为0 05 所以公共母线上等值机的调差系数Kadj也为0 05 因此母线电压波动为 U Kadj Q 0 05 0 2 0 01 各机组无功负荷波动量 Q1 U Kadj 0 01 0 05 0 02 Q1 Q1 QG1 0 02 15 49 3 10 Mvar Q2 U Kadj 0 01 0 05 0 02 Q2 Q2 QG2 0 02 30 99 6 20 Mvar 一号机组无功负荷增加3 10Mvar 二号机组的无功负增加6 20Mvar 因为调差系数相等 无功负荷的波动量与它们的容量成正比 解 例3 2在例3 1中 若一号机的调差系数为0 04 二号机调差系数仍为0 05 当系统无功负荷波动时仍使电厂总无功增加20 问各机组的无功负荷增量是多少 母线上的电压波动是多少 解 首先应求出公共母线上等值机的调差系数 为此推导如下 等值调差系数为 母线电压波动为 各机组的无功增量 Mvar Mvar 一号机组的无功负荷增加3 56Mvar 二号机组的无功负荷增加5 73Mvar 调差系数小的机承担的无功负荷增量较大 二 经升压变压器后发电机组的并联运行 假设两台发电机为负调差特性的发电机 其特性如图3 54 b 的1 2 考虑变压器的压降 如图中特性3 4 则对并联点的高压母线Usys Usys U1G I1G QXT1Usys U2G I2G QXT2 两台发电机经升压变后并联运行的外特性 特性1 2 其特性是下倾的负调差特性发电机的经变压器后 能够补偿变压器阻抗上的压降 小结 1 机端直接并联的发电机组对于机端直接参与并联的发电机 无差特性的发电机不得多于一台 负调差特性的发电机不能参与并联运行 为使无功负荷按机组的容量比例分配 各机组的发电机外特性应重合 并具有正调差系数 2 经升压变压器后并联的发电机 对机端电压来说可以是负调差特性 使对并联运行点仍正调差特性 此时仍能稳定无功负荷的分配 第七部分同步发电机继电强行励磁与灭磁 目的要求 掌握强励 灭磁的定义及作用 分析继电强励接线及工作原理 比较灭磁的三种方法 重点 强励 灭磁的定义及作用 一 同步发电机继电强行励磁 一 强励的定义及作用 定义 电力系统短路故障时 为提高电力系统的稳定性迅速将发电机励磁增加到最大值 作用 有利于电力系统的稳定运行 有助于继电保护的正确动作 有助于缩短电力系统短路故障切除后母线电压的恢复时间 并有助于用户电动机的自起动过程 二 继电强励装置 AEI 1 接线及工作原理 当系统故障 机端电压降低到80 85 额定值时 低电压继电器的动作 通过KM1 KM2启动接触器KM 通过KM的触头将R1 Rm短接 励磁机的端电压迅速上升到顶值 起到强励作用 说明 1 防止励磁机的过电压 ROV强励动作后仍保留 2 为防止TV二次恻熔断器熔断时造成的误强励 KM1 KM2分别由KVU1和KVU2启动且触点相串联再起动KM 3 为保证G在起动时或事故跳闸后灭磁过程中 强励装置不发生误动 串入发电机主开关QF的辅助触点和自动灭磁开关SD的辅助触点及逆变灭磁继电器K动断触点闭锁 4 为使强励装置动作后有关励磁设备不致过热 一般考虑强