第5次课第3章(1节)

1、电力系统自动装置原理 水电学院电力系 王德意3.1 同步发电机励磁自动控制系统概述3.1.1 同步发电机励磁系统的任务 电压控制 控制无功功率分配 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3.1.2 对励磁系统的基本要求 对励磁调节器的要求 对励磁功率单元的要求3.1.3 励磁控制系统动态指标3.1 同步发电机励磁自动控制系统概述励磁控制系统结构框图 )(EFqIfE 3.1.1 同步发电机的任务电压控制 同步发电机运行原理等值电路矢量图 机端电压定子电流 发电机直轴电抗空载感应电动势3.1.1 同步发电机的任务电压控制1cosGG一般很小， 上式说明，负荷的上式说明，负荷的无功

2、电流无功电流是造成空载感应电动势与机是造成空载感应电动势与机端电压幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者端电压幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者之间的差值也越大。之间的差值也越大。3.1.1 同步发电机的任务电压控制同步发电机的外特性 为了维持机端电压幅值不变，必须通过调节励磁电流来不为了维持机端电压幅值不变，必须通过调节励磁电流来不断变化发电机的外特性曲线。断变化发电机的外特性曲线。dQqGXIEU3.1.1 同步发电机的任务控制无功功率的分配同步发电机与无穷大系统母线并联运行同步发电机与无穷大系统母线并联运行同步发电机与无限大母线并联运行 (a) 接线图 (b) 相量图3.

3、1.1 同步发电机的任务控制无功功率的分配无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数 由此可见，与无限大母线并联由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流运行的机组，调节它的励磁电流可以改变可以改变发电机无功功率的数值发电机无功功率的数值。3.1.1 同步发电机的任务控制无功功率的分配并联运行各发电机间无功功率的分配？并联运行各发电机间无功功率的分配？同步发电机的外特性曲线 由上图可知：3.1.1 同步发电机的任务提高机组并联运行稳定性励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变空载电励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变空载电动

4、势值来改善系统稳定性的。动势值来改善系统稳定性的。(1)(1)励磁对静态稳定的影响励磁对静态稳定的影响3.1.1 同步发电机的任务提高机组并联运行稳定性发电机的几条代表性功率特性 功率极限为功率极限为Pm，即即: : 静态稳定极限功率静态稳定极限功率PmPm与与发电机空载电动势发电机空载电动势EqEq成成正比，而正比，而EqEq值与励磁电值与励磁电流有关。流有关。励磁调节装置能有效的励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极提高系统静态稳定的极限功率。限功率。 (2)励磁对暂态稳定的影响励磁对暂态稳定的影响发电机暂态功角特性曲线 功角特性曲线功角特性曲线I：对应于故障前对应于故障前双回线运行；双

5、回线运行；功角特性曲线功角特性曲线II：对应于一回线对应于一回线故障时的运行状况故障时的运行状况, ,a-ba-b；功角特性曲线功角特性曲线III：对应于故障时对应于故障时强行励磁改变功角特性曲线后的强行励磁改变功角特性曲线后的运行状况运行状况。加速面积加速面积abce小于减速面积小于减速面积defg，系统是暂态稳定的。系统是暂态稳定的。3.1.1 同步发电机的任务提高机组并联运行稳定性P0GPabFcdIIIIII3.1.1 同步发电机的任务提高机组并联运行稳定性快速响应快速响应=缩小励磁系统的时间常数缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍提高强行励磁的倍数数eTmax*GP4K2K1K0

6、Kmax*GPste1 . 00ste8 . 0强励倍数与暂态稳定 极限功率的关系时间常数与暂态稳定 极限功率的关系3.1.1 同步发电机的任务改善电力系统的运行条件（1 1）改善异步电动机的自）改善异步电动机的自起动条件起动条件电力系统故障切除后，由电力系统故障切除后，由于用户电动机要自起动，需于用户电动机要自起动，需吸收大量无功功率；吸收大量无功功率； 自动调节励磁系统能自自动调节励磁系统能自动增加励磁电流，多发无功动增加励磁电流，多发无功功率，加速电网电压恢复，功率，加速电网电压恢复，改善系统工作条件，图改善系统工作条件，图3 31111。)(st%U201%100短路切除后电压的恢复3

7、.1.1 同步发电机的任务改善电力系统的运行条件（2）为发电机异步运行创造条件）为发电机异步运行创造条件同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅下降，严重时甚至危及系统的安率，造成系统电压大幅下降，严重时甚至危及系统的安全运行。全运行。如果系统其他机组能够提出足够的无功功率，以维持系如果系统其他机组能够提出足够的无功功率，以维持系统电压水平，则失磁的发电机还可在一定时间内以异步统电压水平，则失磁的发电机还可在一定时间内以异步运行方式运行。运行方式运行。短暂的异步运行可以避免热力机组因此停机。短暂的异步运行可以避免热力机

8、组因此停机。3.1.1 同步发电机的任务改善电力系统的运行条件（3）提高继电保护装置工作的正确性）提高继电保护装置工作的正确性系统处于低负荷运行时，发电机励磁电流不大，若系统系统处于低负荷运行时，发电机励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致时限的继电保护不能正确工作以致时限的继电保护不能正确工作励磁系统可以通过强励增大短路电流，使继电保护正确励磁系统可以通过强励增大短路电流，使继电保护正确动作。动作。3.1.1 同步发电机的任务水轮发电机组要求强行减磁水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于调速系统惯性，水轮发电机组

9、发生故障突然跳闸时，由于调速系统惯性，不能迅速关闭导叶，转速急剧上升，发电机端电压也会不能迅速关闭导叶，转速急剧上升，发电机端电压也会升高，影响定子绝缘。升高，影响定子绝缘。励磁系统可以迅速降低发电机励磁电流，降低电压，避励磁系统可以迅速降低发电机励磁电流，降低电压，避免定子绝缘受损。免定子绝缘受损。3.1.2 对励磁系统的基本要求（1）对励磁调节器的要求）对励磁调节器的要求励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号，控制信号经放大后控制励磁功率单元的输出，产生相应的控制信号，控制信号经放大后控制励磁功率单元的

10、输出，以得到所需要的励磁电流。对其的要求是：以得到所需要的励磁电流。对其的要求是：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。一般调压范围（机电压在给定水平。一般调压范围（0.70.71.11.1UGUGN N）。）。励磁调节器应能合理分配机组间的无功功率，励磁调节器应保证同励磁调节器应能合理分配机组间的无功功率，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在下列范围内可进行调整：步发电机端电压调差率可以在下列范围内可进行调整： a.a.半导半导体型体型10%10%； b.b.电磁型电磁型5%5%。系统故障

11、时，励磁调节器应能迅速地强行励磁，以提高系统的暂态系统故障时，励磁调节器应能迅速地强行励磁，以提高系统的暂态稳定和改善系统的运行条件。稳定和改善系统的运行条件。装置结构简单、可靠，反应速度快，运行维护方便，应无失灵区，装置结构简单、可靠，反应速度快，运行维护方便，应无失灵区，保证在人工稳定区内运行。保证在人工稳定区内运行。3.1.2 对励磁系统的基本要求（2）对励磁功率单元的要求）对励磁功率单元的要求励磁功率单元应有足够的调节容量，以适应各种运行工励磁功率单元应有足够的调节容量，以适应各种运行工况的要求。况的要求。 当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电当同步发电机的励磁电压和电流不超

12、过其额定励磁电压和电流的压和电流的1.1倍时，励磁系统应保证能连续运行。倍时，励磁系统应保证能连续运行。 励磁功率单元应具有足够的励磁响应速度和励磁顶值电励磁功率单元应具有足够的励磁响应速度和励磁顶值电压。压。3.1.2 对励磁系统的基本要求励磁系统顶值电压励磁系统顶值电压(UP)：在规定条件下，励磁系统能够提供的直流电压最大值。励磁系统定值电压与额定励磁电压之比称为顶值电压倍数（强励倍数）。要求：要求： 100MW及以上的汽轮发电机励磁系统顶值电压倍数一般不低于1.8。 50MkW及以上水轮发电机一般不低于2，其他一般不低于1.6。 励磁系统允许强励时间应不小于10s。励磁系统电压响应时间：

13、励磁系统电压响应时间：在规定条件下，励磁系统达到顶值电压与额定负载磁场电压之差的95%所需时间的秒数，该上升时间等于或小于0.1s的励磁系统称为高起始响应励高起始响应励磁系统。磁系统。3.1.3 励磁控制系统动态指标励磁控制系统超调量和调节时间励磁控制系统超调量和调节时间定义：定义：发电机在空载额定工况下，突然改变电压给定值，使同步发电机端电压初始值由U01变为U02，初始阶跃量(U02U01)=10%初始值。发电机端电压的最大值与稳态值之差与阶跃量之比的百分数为超调量。从阶跃信号开始到发电机端电压与新的稳态值的差值对阶跃量之比不超过2%时，所需时间为调节时间。 要求：要求：在空载额定电压情况

14、下，当电压给定阶跃响应为10%时，发电机电压超调量应不大于阶跃量的50%。摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。 3.1.3 励磁控制系统动态指标励磁控制系统零起升压时的超调量和调节时间励磁控制系统零起升压时的超调量和调节时间定义：发电机在额定转速下，突然投入励磁系统，使同步发电机端电压从零变为额定值时，发电机端电压的最大值与稳态值之差对稳态值之比的百分数为零起升压时的超调量，从给定信号到发电机端电压与稳态值之差值不超过稳态值的2%所需 时间为调节时间。 注：静止励磁系统的调节时间(ts)的起点，从发电机端电压稳态值的30%计算起。 要求：当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间应不大于10s，电压摆动次数不大于3次。 3.1.3 励磁控制系统动态指标励磁系统标称响应（电压响应比）励磁系统标称响应（电压响应比）定义：励磁系统输出电压的增长率除以额定磁场电压所得值。如