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第二章同步发电机励磁自动控制系统 第一节概述 一励磁自动控制系统构成 控制同步发电机的励磁 电压控制控制无功功率的分配提高同步发电机并联运行的稳定性改善电力系统的运行条件对水轮发电机组实行强行减磁 二同步发电机励磁控制系统的任务 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 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 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励磁对静态稳定的影响 内功率特性 外功率特性 2励磁对暂态稳定的影响 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 1 改善异步电动机的自起动条件2 为发电机异步运行创造条件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 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 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 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 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 具有较小的时间常数 能迅速响应输入信息的变化 1对励磁调节器的要求 2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 在电力系统运行中 发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制 因此 励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度 从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说 希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力 因此 在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标 第二节同步发电机励磁系统 一励磁系统的历史 几种常用的励磁系统简要介绍 重点分析励磁功率单元 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 DE R 2他励直流励磁机励磁系统 PE DE 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 他励交流励磁机励磁系统自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 1他励交流励磁机静止整流器励磁系统 起励电源 VSR 2他励交流励磁机旋转整流器励磁系统 无刷励磁 1自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 2自励交流励磁机静止整流器励磁系统 四静止励磁系统 发电机自并励系统 励磁调节器 滑环 电压起励元件 VS 起励电源 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 二整流电路的换流压降及外特性三最小逆变角 三相桥式不可控整流电路 1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 2输出电压 三相桥式半控整流电路 1工作原理 脉冲控制角 0 1 3 5 脉冲控制角 30 脉冲控制角 60 ug uL t t 脉冲控制角 120 脉冲控制角 180 ug uL t t 2输出电压与控制角关系 3失控现象和续流二极管的作用 t3t4t5 三相桥式全控整流电路 在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄脉冲去触发的方式称 单窄脉冲触发 每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外 还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲 所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作用 但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的 这种触发方式称之为 双窄脉冲触发 若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲 电路当然也可正常工作 这种触发方式称之为 宽脉冲触发 三相桥式全控整流电路触发脉冲的形式 脉冲控制角 0 工作原理 脉冲控制角 60 2 脉冲控制角 90 脉冲控制角 60 150 e ug t t t ug t uL t1t2 VS6 VS1 VS3 VS2 VS4 3输出电压与控制角关系 电感性负载 逆变角 180 在 90 时 输出平均电压Ud为负 三相全控桥工作在逆变状态 电阻性负载电阻性负载 e id ug t t t ug t t1 二整流电路的换流压降及外特性 换流角 以上讨论中均假设换流角 60 当交流回路中电抗较大 并且直流负载电流较大时 换流角 也会增大 当 60 时 整流回路中换流过程将发生变化 此时不能用上式来计算整流电路输出的直流电压 ug t VS2 VS6 VS4 三最小逆变角 晶闸管关断角 第四节励磁调节装置原理 一励磁调节器的发展及分类 按调节原理来划分励磁调节器 反馈型励磁调节器 按被调量与给定量的偏差进行调节 使被调量接近于给定值 因此能较好地维持电压水平 补偿型励磁调节器 补偿某些因素所引起被调量的变动 使被调量维持在所要求的定值附近 二励磁调节器的基本特性与框图 1人工改变Rc值调节励磁电流 2比例式励磁调节器闭环控制示意图 3自动励磁控制系统的构成环节 三半导体励磁调节器的基本环节及构成 基本控制由调差 测量比较 综合放大和移相触发单元组成 实现电压调节和无功功率分配等最基本的调节功能 辅助控制是为满足发电机不同工况 改善电力系统稳定性 改善励磁控制系统动态性能而设置的单元 包括励磁系统稳定器 电力系统稳定器和励磁限制器等 核心部分 1测量比较单元 基本任务 把发电机电压变换为直流电压信号 与给定的直流基准电压进行比较 得到两者的偏差信号 测量电路应具有足够高的灵敏度 直流基准电压应稳定 电压给定电路的调整范围必须满足运行要求 测量电路应具有优良的动态性能 即反应要迅速 电路的时间常数要小 输出的直流偏差电压必须平稳 其纹波系数要小 基本要求 A测量整流 B滤波电路 C比较整定电路 比较整定电路是把整流电路输出的电压与基准电压相比较 得到一个反映发电机电压偏差的直流电压 输出到综合放大单元 另外 它还对发电机电压给定值进行整定 使电压 或无功功率 能满足运行工况的要求 uab U ucb udb ucd UVZ 使比较桥输出为零的励磁调节器输入电压被称为整定电压 以UREF表示 15V Rf R4 R5 R3 R1 R2 RP AJ VZ Use UVZ1 UVZ2 Ude 2综合放大单元 A B C VZ1 VZ2 USM 控制信号综合放大单元原理接线 R0 R7 四励磁调节器静态工作特性 1励磁调节器静态工作特性的合成 UG 2发电机励磁控制系统静态特性