电力系统自动化第3讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(1).ppt

第三讲同步发电机励磁控制系统及特性分析（1）,第三章同步发电机励磁控制系统及特性分析,本章讲述电力系统的自动调压问题，包含发电机的自动调节励磁系统，也包括和用户的电压稳定问题。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page2,2020/5/30,第一节概述,NorthChinaElectricPowerUniversity,page3,2020/5/30,第一节概述,同步发电机的运行特性与它的空载电动势值的大小有关，而值是发电机励磁电流的函数。改变励磁电流就可以影响同步发电机在电力系统中的运行特性。,在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降，为此，当电力系统故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。,电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率分配。,同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配、提高电力系统运行的可靠性方面均起到十分重要的作用。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page4,2020/5/30,励磁自动控制系统,由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成了反馈控制系统。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page5,2020/5/30,同步发电机励磁控制系统的作用,1、维持发电机机端电压在给定水平2、使并列发电机组间无功功率合理分配3、提高电力系统稳定性和输电线路有功传输能力4、改善电力系统的运行条件改善异步电动机的自启动条件为发电机异步运行创造条件提高继电保护装置工作的正确性5、发电机组突然解列实行强行减磁6、发电机内部故障时快速灭磁7、采取适当辅助励磁控制,NorthChinaElectricPowerUniversity,page6,2020/5/30,负荷的无功电流是造成之间幅值差的主要原因,1维持发电机机端电压在给定水平,励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务,等值,NorthChinaElectricPowerUniversity,page7,2020/5/30,1维持发电机机端电压在给定水平,发电机端电压,励磁电流,负荷无功电流,励磁自动控制系统就是通过不断的调节励磁电流来维持发电机端电压为设定值的,注：改变发电机的励磁电流一般都不直接在发电机的转子回路中进行，而是改变励磁机的励磁电流的方法来达到调节目的。原因是转子回路的电流很大，不易直接调整。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page8,2020/5/30,2使并列发电机组间无功功率合理分配,单机无穷大系统,发电机发出的有功功率只受调速器控制,NorthChinaElectricPowerUniversity,page9,2020/5/30,2使并列发电机组间无功功率合理分配,发电机励磁电流变化只是改变了机组的无功功率和功率角值的大小。,与无穷大母线并联运行的机组，调节励磁电流就可以改变发电机的无功功率,NorthChinaElectricPowerUniversity,page10,2020/5/30,2使并列发电机组间无功功率合理分配,并联发电机组无功功率分配取决于各发电机的外特性，曲线越平坦的机组其无功电流的增量越大,通常希望发电机组间的无功功率分配按照机组容量大小比例分配,单纯把并联所有机组的外特性做成相同是不可能的,调节励磁可以任意改变外特性曲线的斜率以达到合理分配无功的目的。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page11,2020/5/30,2使并列发电机组间无功功率合理分配,我国在1953年以前把调整同步发电机励磁电流的自动装置成为“自动调压器”，1953年后又改称为“自动励磁调节器”，现在又有重称为自动调压器的趋势。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page12,2020/5/30,3提高电力系统稳定性和输电线路有功传输能力,电力系统稳定性的定义与分类,在20世纪60年代及以前,出现了自动再同期现象发电机在失去同步后经过较短时间的异步运行又自动牵入同步，主系统仍然能够保持同步,1静态稳定性,2动态稳定性,3综合稳定性,小扰动小变速运行状态,大扰动小变速运行状态,大扰动大变速运行状态,1954年苏联学者维.柯.维尼柯夫电力系统机电过渡过程,NorthChinaElectricPowerUniversity,page13,2020/5/30,电力系统稳定性的定义与分类,1静态不稳定性,1974年美国学者拜金利及金巴克主编论文集大规模电力系统稳定性,2动态不稳定性,3暂态不稳定性,功角过大而失步（滑行失步）,大小扰动引起的振荡失步,大扰动后发电机在第一摇摆失步,静态/动态稳定性定义及理解出现了混乱,1981年在IEEE电力系统分会的冬季会议上重新对电力系统稳定性进行定义,1静态稳定性/小扰动稳定性,2暂态稳定性/大扰动稳定性,当系统受到小的干扰后，系统会达到与受干扰前相同或接近的运行状态,当系统遭受到干扰后，系统可以达到一个可以接受的稳定运行状态,所加干扰足够小，可以用系统的线性化方程来描述系统过渡过程,所加的干扰使得不能用系统的线性化方程来描述系统过渡过程,NorthChinaElectricPowerUniversity,page14,2020/5/30,电力系统稳定性的定义与分类,2004年8月，IEEE发表了CIGRE第38委员会与IEEE系统动态行为委员会联合小组制定的电力系统稳定性分类及定义,NorthChinaElectricPowerUniversity,page15,2020/5/30,电力系统稳定性的定义与分类,功角稳定性,注：把原来的静态稳定（小扰动稳定性）和暂态稳定性（大干扰稳定性）合起来统称为功角稳定性,表征着系统维持同步的能力，主要原因是发电机输入、输出转矩平衡受到破坏，失步的形式可能是功角单调增长，也可能是增幅振荡。分析时间为1020s,静态稳定性,系统在小干扰下维持同步的能力,滑行失步型,振荡失步型,暂态稳定性,系统在大干扰下维持同步的能力,功角非周期增长而失步,增幅的低频振荡而失步,NorthChinaElectricPowerUniversity,page16,2020/5/30,电力系统稳定性的定义与分类,电压稳定性,表征着系统在给定的初始条件下，受到扰动后维持所有母线的电压的能力。主要原因是负荷需求与系统可能提供的总量出现了不平衡。表现在电压持续下降（或上升），又称“电压崩溃”。发电机的励磁控制产生重要的影响：在过渡过程中，当励磁电流的增长达到设定的限幅值（相当于励磁控制退出），常常是出现电压不稳定的直接原因。,大干扰电压稳定性,小干扰电压稳定性,短期电压稳定性,长期电压稳定性,系统在大干扰后维持可接受稳态电压的能力,系统在小干扰后维持可接受稳态电压的能力,包含快速响应负荷和励磁控制等动态特性及相互作用,包含慢速响应负荷和励磁限幅器等动态特性及相互作用,NorthChinaElectricPowerUniversity,page17,2020/5/30,电力系统稳定性的定义与分类,频率稳定性,1表征着系统遭受到严重的故障造成出力与负荷出现较大的不平衡时维持频率在可接受的范围的能力。取决于系统在切除最大可能切除的负荷后是否能够恢复出力与负荷之间的平衡。,2频率发生不稳定时，潮流、电压及其他变量会出现大的波动，并引起系统中控制和保护的动作，造成更多机组或负荷的切除。这种情况出现在大系统因失步而解列为数个孤立系统，在这些系统中，发电机之间的稳定不是问题，主要是出力和负荷是否会保持平衡。,频率过渡过程时间,秒级（几秒）,低压及低频减载、发电机控制器起主要作用,分级（几分）,锅炉、机组保护和负荷调压系统起主要作用,NorthChinaElectricPowerUniversity,page18,2020/5/30,电力系统稳定性的定义与分类,我国在2001年制定的DL755-2001电力系统安全稳定导则中将稳定性分为：静态稳定性小扰动稳定性暂态稳定性大扰动稳定性动态稳定性,动态稳定性电力系统受到小扰动时，考虑调节器及元件动态，并分析它在暂态过程后能否趋于或者接近原来稳定工况的能力。,NorthChinaElectricPowerUniversity,page19,2020/5/30,励磁对静态稳定性的影响,调节励磁系统使得为常数,励磁调节系统可以有效提高系统的静态稳定极限,NorthChinaElectricPowerUniversity,page20,2020/5/30,励磁对暂态稳定性的影响,励磁系统的作用体现在使得发电机内电势上升而增加电功率输出，提高了功率极限，从而减小加速面积，增加了减速面积，提高了暂态稳定性,实现手段：1、缩小励磁系统时间常数2、尽可能提高强行励磁倍数,NorthChinaElectricPowerUniversity,page21,2020/5/30,4改善电力系统运行条件,1、改善异步电动机的自启动条件,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,短路切除后的电压恢复曲线,无励磁控制,有励磁控制,可以调节励磁为失磁异步运行的同步发电机提供大量的无功功率，以维持其运行,调节励磁电流来增大短路电流以保证继电保护正确工作,NorthChinaElectricPowerUniversity,page22,2020/5/30,5发电机组突然解列实行强行减磁,大型发电机组因故障而跳闸,调速系统具有较大的惯性,汽门/导水叶不能迅速关闭,转子转速急剧上升,励磁电流不调整,发电机端电压上升而危及定子绝缘,励磁电流迅速调整,机组安全,NorthChinaElectricPowerUniversity,page23,2020/5/30,第二节同步发电机励磁控制系统,直流励磁机励磁系统,交流励磁机励磁系统,静止励磁系统,在电力系统发展初期，机组容量小,机组容量增大，机械整流困难，大功率半导体技术成熟,与发电机同轴旋转,NorthChinaElectricPowerUniversity,page24,2020/5/30,1直流励磁机励磁系统自励型,共同担负励磁机的励磁绕组EEW的调节功率,NorthChinaElectricPowerUniversity,page25,2020/5/30,1直流励磁机励磁系统他励型,与自励型相比，多了一台副励磁机，时间常数小，提高了励磁系统的电压增长速率。,自励型,NorthChinaElectricPowerUniversity,page26,2020/5/30,2交流励磁机励磁系统他励可控整流型,发电机励磁电流的调节是由励磁调节器AVR控制晶闸管VS导通角来实现的。,励磁机与主发电机同轴，其电源不受发电机电压的影响，可以说是保证和提高电力系统稳定性的理想系统,NorthChinaElectricPowerUniversity,page27,2020/5/30,2交流励磁机励磁系统自励型（二机系统）,他励可控整流型,NorthChinaElectricPowerUniversity,page28,2020/5/30,2交流励磁机励磁系统他励型（三机系统）,他励可控整流型,二机系统,NorthChinaElectricPowerUniversity,page29,2020/5/30,2交流励磁机励磁系统无刷励磁型,他励可控整流型,二机系统,三机系统,NorthChinaElectricPowerUniversity,page30,2020/5/30,3静止励磁系统,1、简便，无旋转部分，可靠性高2、直接用晶闸管控制转子电压，获得较快的励磁电压响应速度3、由发电机提供励磁能量，在机组甩负荷时的过电压低,他励可控整流型,NorthChinaEle