chap2-1同步发电机励磁控制系统-概述

1、第二章第二章 同步发电机励磁控制系统同步发电机励磁控制系统本章主要内容：本章主要内容：同步发电机励磁系统构成、基本任务和要求同步发电机励磁系统构成、基本任务和要求直流、交流励磁机励磁系统，静止励磁系统直流、交流励磁机励磁系统，静止励磁系统磁场的建立过程、灭磁原理、理想的灭磁过程磁场的建立过程、灭磁原理、理想的灭磁过程励磁调节器工作原理、工作特性励磁调节器工作原理、工作特性静态特性定义、调差系数和调差单元静态特性定义、调差系数和调差单元励磁系统传递函数和稳定性分析励磁系统传递函数和稳定性分析励磁调节器国内外发展现状，微机励磁励磁调节器国内外发展现状，微机励磁系统硬件框图系统硬件框图通过本章学习，

2、要求：通过本章学习，要求：掌握掌握 同步发电机励磁控制系统的基本构成、同步发电机励磁控制系统的基本构成、主要任务主要任务;了解了解励磁系统的基本要求励磁系统的基本要求;熟悉熟悉同步发电机的各种励磁方式；同步发电机的各种励磁方式； 掌握掌握比例式励磁调节器的工作原理比例式励磁调节器的工作原理;掌握掌握同步发电机励磁控制系统的静态特性；同步发电机励磁控制系统的静态特性；了解了解同步发电机微机励磁系统的工作原理和同步发电机微机励磁系统的工作原理和工作特性，同步发电机励磁控制系统的动态工作特性，同步发电机励磁控制系统的动态特性。特性。 第一节第一节 概述概述同步发电机是将旋转形式的机械功率同步发电机是

3、将旋转形式的机械功率转换成三相交流电功率特定的机械设转换成三相交流电功率特定的机械设备。为了完成这一转换，它本身需要备。为了完成这一转换，它本身需要一个一个直流磁场直流磁场，产生这个磁场的直流，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的电流称为同步发电机的励磁电流励磁电流，又，又称转子电流，与励磁电流有关的元件称转子电流，与励磁电流有关的元件和设备统称为励磁系统。和设备统称为励磁系统。同步发电机励磁系统构成图同步发电机励磁系统构成图图图2-1 同步发电机励磁控制系统构成示意图同步发电机励磁控制系统构成示意图一、同步发电机励磁控制系统的任务一、同步发电机励磁控制系统的任务（一）、控制电压（针对单机带

4、负荷）（一）、控制电压（针对单机带负荷） 电力系统在正常运行时，随着负荷的波动，电力系统在正常运行时，随着负荷的波动，电压就会发生变化，为了维持电压在某一允电压就会发生变化，为了维持电压在某一允许值范围，需要对发电机的励磁电流进行自许值范围，需要对发电机的励磁电流进行自动调节，以维持发电机的端电压为给定值。动调节，以维持发电机的端电压为给定值。下面用图下面用图2-2来说明励磁控制系统的电压来说明励磁控制系统的电压调节作用。调节作用。 图图2-2 同步发电机感应电动势和励磁电流关系同步发电机感应电动势和励磁电流关系（a）同步发电机运行原理图；）同步发电机运行原理图； （b）等值电路图；（）等值电

5、路图；（c）相量图）相量图在正常情况下，流经在正常情况下，流经GEW的的IEF在同步在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生发电机内建立磁场，使定子绕组产生相应的空载感应电势相应的空载感应电势Eq，改变，改变IEF的大的大小，就可使小，就可使Eq发生相应的变化。即发生相应的变化。即励磁电流励磁电流 I EF 空载电动势空载电动势 E q 由等值电路图（由等值电路图（b），得），得图图c为向量图为向量图G发电机的功率角发电机的功率角发电机的功率因素角发电机的功率因素角IQ和和IP发电机的无功和有功电流分量发电机的无功和有功电流分量根据向量图，可得根据向量图，可得EqIEF IEF不变不变Eq不变，

6、不变，IQ变化变化UG变化变化即：发电机单机带负荷运行时，即：发电机单机带负荷运行时，电压的变化主要是由定子电流的电压的变化主要是由定子电流的无功分量无功分量IQ的变化引起的。励磁的变化引起的。励磁控制系统便依据控制系统便依据IQ的变化，相应的变化，相应地调节励磁电流地调节励磁电流IEFEq使使UG恒定恒定图图2-3 同步发电机的外特性同步发电机的外特性（二）（二） 控制无功功率的分配控制无功功率的分配图图2-4 同步发电机与无限大母线并联运行同步发电机与无限大母线并联运行发电机发出的发电机发出的有功功率有功功率受受调速器调速器控制，调控制，调速器是根据速器是根据频率频率的变化动作的，而调节的

7、变化动作的，而调节无功功率不会引起频率变化，因此机组无功功率不会引起频率变化，因此机组发出的无功功率变化时，发出的有功功发出的无功功率变化时，发出的有功功率率P PG G为常数。这样根据电机学原理可以为常数。这样根据电机学原理可以做出图做出图2-42-4，并写出下列表达式：，并写出下列表达式：图2-5 并联运行发电机间无功负荷的分配（a）原理图； （b）G1和G2不同的外特性结论结论: 并联运行的发电机间并联运行的发电机间无功无功负荷分配负荷分配取决于机组的取决于机组的外特性外特性曲线。曲线越曲线。曲线越平坦平坦的机组，的机组，无功无功电流的增量就电流的增量就越越大大：即发电机外特性曲线斜率越

8、小，：即发电机外特性曲线斜率越小，IIQ Q越大。越大。自动调压器（自动励磁调节器）不但自动调压器（自动励磁调节器）不但能维持各发电机的端电压基本不变，能维持各发电机的端电压基本不变，而且能对其外特性曲线的斜率任意而且能对其外特性曲线的斜率任意进行调整，以达到机组间无功负荷进行调整，以达到机组间无功负荷的合理分配的目的。的合理分配的目的。例例2-1 某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行，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一号机的额定功率为25MW25MW，二号机的额定功率为，二号机的额定功率为50MW50MW。两台机组的额定功率因数都是。两台机组的额定功率因数都是0.

9、850.85，外特，外特性曲线斜率为性曲线斜率为0.050.05。如果系统无功负荷使电厂无。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功功率的增量为它们总无功容量的20%20%，问各机，问各机组承担的无功负荷增量是多少？母线上的电压波组承担的无功负荷增量是多少？母线上的电压波动是多少？动是多少？ 例例2-1解：解：一号机额定无功功率为一号机额定无功功率为QG1=PG1tg1=25tg(arccos0.85)=15.49(Mvar)二号机额定无功功率为二号机额定无功功率为QG2=PG2tg2=50tg(arccos0.85)=30.99(Mvar)因为两台机的外特性曲线斜率均为因为两

10、台机的外特性曲线斜率均为0.05，所以公共，所以公共母线上等值机的外特性曲线斜率母线上等值机的外特性曲线斜率Kadj也为也为0.05。母线电压波动为母线电压波动为 U*=-KadjQ *=-0.050.2= -0.01例例2-1解（续）：解（续）：各机组无功负荷波动量各机组无功负荷波动量:Q1*= -U* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.2Q1=Q1*QG1=0.215.49=3.10(Mvar)Q2*= -U* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.2Q2= Q2*QG2=0.230.99=6.20(Mvar) 一号机组无功负荷增加一号机组无功负荷增加3.1

11、0M var, 二号机组的二号机组的无功负增加无功负增加6.20M var。因为外特性曲线斜率相等，。因为外特性曲线斜率相等，无功负荷的波动量与它们的容量成正比。无功负荷的波动量与它们的容量成正比。例例2-2 在例在例2-12-1中，若一号机的外特性曲线斜中，若一号机的外特性曲线斜率率0.040.04，二号机外特性曲线斜率仍为，二号机外特性曲线斜率仍为0.050.05。当系统无功负荷波动时仍使电厂总无功增当系统无功负荷波动时仍使电厂总无功增加加20%20%，问各机组的无功负荷增量是多少？，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？母线上的电压波动是多少？例例2-2 解解adjadj

12、GadjGGGadjGadjGGGGGKUKQKQQQUQQKQKQUQQQQQQQ/)/()(221121212211212211046. 005. 099.3004. 049.1599.3049.15)(221121adjGadjGadjKQKQQQK 母线电压波动为母线电压波动为 0092. 02 . 0046. 0QKUadj各机组的无功增量各机组的无功增量 23. 004. 0/0092. 0/11adjKUQ185. 005. 0/0092. 0/22adjKUQ56. 349.1523. 0111GQQQ(Mvar)73. 599.30185. 0222GQQQ(Mvar)一号机

13、组的无功负荷增加一号机组的无功负荷增加3.56M var，二号机组的无功负荷增加二号机组的无功负荷增加5.73M var。外特性曲线斜率小的机承担的无功负荷增量较大。外特性曲线斜率小的机承担的无功负荷增量较大。 例例2-2 解（续）解（续）(三三)提高同步发电机并联运行的稳定性提高同步发电机并联运行的稳定性1、励磁对静态稳定的影响、励磁对静态稳定的影响（1）电力系统静态稳定）电力系统静态稳定:指电力系指电力系统在正常运行状态下，受微小扰统在正常运行状态下，受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力动后恢复到原来运行状态的能力。（2）同步发电机的功率特性或功）同步发电机的功率特性或功角特性角特性,简单

14、电力系统的功率方程简单电力系统的功率方程式为：式为：当当90。时，发电机不能稳定运行；时，发电机不能稳定运行；当当 =90。时，发电机为稳定的极限情况时，发电机为稳定的极限情况。图图2-6 发电机的几条代表性功率特性发电机的几条代表性功率特性无自动励磁调节时，无自动励磁调节时，Eq为常数，功率极限为常数，功率极限出现在出现在=90。时；若有灵敏和快速的励时；若有灵敏和快速的励磁调节器，则由一簇不同的磁调节器，则由一簇不同的Eq相应的功相应的功角特性求出的曲线，如图曲线角特性求出的曲线，如图曲线B，最大值，最大值出现在出现在90。时，对于按电压偏差比例时，对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统，功

15、角特性曲线为调节的励磁控制系统，功角特性曲线为C，最大值出现在最大值出现在90。时。时。因此，励磁调节装置可提高发电机输送功因此，励磁调节装置可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。率极限或提高系统的稳定储备。2、励磁对暂态稳定的影响、励磁对暂态稳定的影响（1）电力系统暂态稳定：）电力系统暂态稳定：指电力系统在某一正常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个新的稳定运行状态、或者恢复到原来运行状态的能力。态的能力。图图2-7 发电机暂态功角特性曲线（发电机暂态功角特性曲线（a）接线图；）

16、接线图； （b） 功角特性功角特性k发生短路瞬间，功率特性立即下降为发生短路瞬间，功率特性立即下降为，但由，但由于转子的惯性，其角度不会立即变化，与无于转子的惯性，其角度不会立即变化，与无限大系统母线限大系统母线U的角度的角度0仍保持不变，发电仍保持不变，发电机的运行点由机的运行点由a点突变到点突变到b点（点（PbPT）,转子减速，转子减速，但仍大于但仍大于0，由于转子惯性，由于转子惯性， 增大，运行增大，运行点到点到达达g点，回到同步转速，点，回到同步转速， 达到最大值。达到最大值。（PgPT）转子减速，）转子减速， 减小，运行点由减小，运行点由g点向点向d，k点移动（点移动（k点为点为与虚

17、线左面与虚线左面的交点的交点），发电机在），发电机在k点附近振荡，由于点附近振荡，由于阻尼作用，最后稳定在阻尼作用，最后稳定在k点。点。当加速面积当加速面积abce=减速面积减速面积defg，达到暂，达到暂态稳定极限；态稳定极限；当加速面积当加速面积abcd减速面减速面积积defg，暂态稳定，暂态稳定.如图如图2-7中，当加速面积中，当加速面积abce能够小于等于能够小于等于减速面积减速面积defg，系统是暂态稳定的，否，系统是暂态稳定的，否则暂态不稳定则暂态不稳定。因此，故障期间和故障切除后，励磁系统因此，故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机内电动势施加的作用是力图促使发

18、电机内电动势Eq上升而使上升而使Pmax增加，这样既减小了增加，这样既减小了加速面积又同时增加了减速面积，有助加速面积又同时增加了减速面积，有助于暂态稳定。于暂态稳定。(四四)改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件（五）水轮发电机组要求实现强行减磁，（五）水轮发电机组要求实现强行减磁，防止水轮发电机过电压防止水轮发电机过电压 二、对励磁系统的基本要求二、对励磁系统的基本要求（一）专业术语（一）专业术语1、 额定励磁电流额定励磁电流：指发电机运行在额定：指发电机运行在额定电压、电流、功率因素与转速下磁场电压、电流、功率因素与转速下磁场绕组中的直流电流。绕组中的直流电流。2、 额定励磁电压额定励磁电压：指在磁场绕组上产生：指在磁场绕组上产生额定励磁电流所需要的发电机磁场绕额定励磁电流所需要的