第三章_同步发电机励磁自动调节.ppt

1、第三章 同步发电机励磁自动控制系统,总 述,第一节 概述,励磁自动控制系统构成,控制同步发电机的励磁,一、同步发电机励磁控制系统的任务,一 发电机励磁系统的任务,（一）电压控制,等值电路,相量图,GEW,xd,G,发电机励磁系统的任务,电压控制,同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节 励磁电流来维持机端电压为给定水平的。,发电机励磁系统的任务,（二）控制无功功率的分配 设单机无穷大系统：,UG = 常数,.,发电机励磁系统的任务,控制无功功率的分配 由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。,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

2、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。,发电机励磁系统的任务,提高并联运行的稳定性,1 励磁对静态稳定的影响,发电机的输出功率为,发电机励磁系统的任务,提高并联运行的稳定性,a,b,c,同步发电机的功角特性,最大可能传输的功率极限为,发电机励磁系统的任务,提高并联运行的稳定性,它使发电机能在大于90度范围的人工稳 定区运行，即可提高发电机输送功率极 限或提高系统的稳定储备。,发电机励磁系统的任务

3、,提高并联运行的稳定性,2 励磁对暂态稳定的影响,发电机的暂态稳定等面积法则,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。,发电机励磁系统的任务,（四）强行励磁以改善电力系统运行条件,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,发电机励磁系统的任务,二、对励磁系统的基本要求,维持电压水平和无功的合理分配,控制能力和调节范围,快速反应能力,高度的可靠性 快速性,结构简单，易于维护,足够的阻尼能力,三 对励磁系统的基本要求,励磁调节器: 检测和综合系

4、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；静差率 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

5、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类型,励 磁 系 统,第二节 同步发电机励磁系统,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）,一 直流励磁机励磁系统（100MW以下）,按励磁机的励磁绕

6、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,二、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

7、励磁系统,2 自励交流励磁机静止整流器励磁系统,三 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,励磁系统的整流电路,整 流 电 路,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

8、、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,t3 t4 t5,三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

9、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,t1 t2,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,

10、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 励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配,励磁控制系统框图,同步发电机,励磁功率单元,励磁调节器,手动,自动,励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指 定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。,励磁系统,其他信号,一 励磁调节器的基本特性与框图,比例式励

11、磁调节器,励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。常用的励磁调节器是比例式调节器，它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。电压升高时输出减小，电压降低时输出增大。,励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器基本框图,励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器的简化框图,励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即,测量K1,综合放大K2,移相触发K3,可控整流K4,UG,UREF,Ude,USM,UAVR,K调节器的放大倍数,励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器的静态工作特性,调节器放大系数K与组成调 节器的各单元增益的关系为,励磁调节器总的放大倍数等于

12、 各组成单元放大倍数的乘积,0,0,0,0,Ude,UAVR,UAVR,Ude,UG,UG,USM,USM,UREF,b,a,励磁调节器的基本特性,发电机励磁控制系统静态特性,发电机调节特性,励磁调节器的基本特性,励磁控制系统静态特性,无功调节特性,在公共母线上并联运行的发电 机组间无功功率的分配，主要 取决于各台发电机的无功调节 特性。而无功调节特性是用调 差系数来表征的:,调差系数越小说明IQ对UG影 响越小,UG,UG1,UG2,0,IQ,IQN,UG,励磁调节器的基本特性,励磁控制系统静态特性,调差系数存在的意义: 能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击； 保证并联运行的发电机组

13、间无功功率的合理分配。,UG,IQ,= 0, 0, 0,UG0,励磁调节器的基本特性,发电机无功电流的转移,3-2-1 IQ投入运行到合适点, 无冲击 1-2-3 退出运行,IQ减小到零,无冲击,UG,IQ,UM,1,2,3,IQ2,IQ1,并联运行机组间的无功功率分配,无差调节特性 1 无差+有差,有困难,无法稳定,不能并联运行,2 无差+无差,UG,IQ, = 0, 0, 0,U,U,U,IQ2,UG,IQ,U,U,并联运行机组间的无功功率分配,有差调节特性,UG,UG,UG,0,IQ,IQ,UG0,UGN,IQ,IQ,IQ,IQN,移动发电机调节特性的操作是通过改变励磁调节器的整定值来实

14、现的。,并联运行机组间无功功率的分配,一 一台无差调节特性的机组与正有差调节特性机组的并联运行,一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特性的发电机组并联运行。但在实际运行中，由于具有无差调节特性的发电机将承担无功功率的全部增量，机组间无功功率的分配很不合理，这种运行方式很少采用。,不能稳定运行,二 一台无差调节特性的机组与负有差调节特性机组的并联运行,具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行的,三 两台无差调节特性的机组并联运行,不能并联运行,四 正调差特性的发电机组的并列运行,一、励磁调节器的原理及发展 （一）电压调节的原理 按调节原理可分为反馈型和补偿型。 用负载电流补偿励磁的方

15、法称为复式励磁。 发电机的电压却不仅与负载电流有关，而且还受负载功率因数的影响。因此，励磁补偿需同时计及负载电流和功率因数这两个因素才为合理。这种既反映电流大小反映电流相位的复式励磁为相位复式励磁。,第五节 励磁调节装置原理,按定子电流补偿复励装置原理,可控相位复励装置原理,可控相位复励装置原理,（二）励磁调节器的发展及分类,20世纪初,1950s,1960s,1980s,机电型电压调节器,励磁调节装置原理,图为600MW发电机自并励励磁系统,励磁调节装置原理,图为300MW三机励磁系统励磁调节器,励磁调节装置原理,基 本 控 制 电压调节 无功分配,辅 助 控 制 瞬时电流限制 最大励磁电流限制 最小励磁电流限制 电压频率保护 失磁监控 励磁系统稳定器 PSS 等等,二、数字式励磁调节器原理,（一）数字式励磁调节器原理框图,二、数字式励磁调节器原理,（二）控制的数学模型 1.PID模型:,离散化为,二、数字式励磁调节器原理,控制的数学模型 增量式PID调节 增量式PID调节的优点是，因为数字调节器只输出增量，所以计算误差或精度对控制量影响较小，控制的作用不会发生