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1、同步发电机励磁自动控制系统现在学习的是第1页，共33页第三讲 同步发电机励磁自动控制系统（1）主讲人：李岩松现在学习的是第2页，共33页第三章 同步发电机励磁自动控制系统 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。现在学习的是第3页，共33页第一节第一节 概述概述 同步发电机的运行特性与它的空载电动势同步发电机的运行特性与它的空载电动势 值的大小有关值的大小有关，而，而 值是发电机励磁电流的函数。改变励磁电流就可以影响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。同步发电机在电力系统中的运行特性。qEqE在某些
2、故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系在某些故障情况下，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电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。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。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、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
3、统运行的可靠性方面均起到十分重要的作用。提高电力系统运行的可靠性方面均起到十分重要的作用。现在学习的是第4页，共33页励磁自动控制系统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。系统。励磁励磁功率单元功率单元G励磁调节器励磁调节器输入信息输入信息发电机发电机电力系统电力系统向同步发电机转向同步发电机转子提供直流电流子提供直流电流 根据输入信号和给定的调节根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出准则控制励磁功率单元的输出现在学习的是第5页，共33页一一 同步发电机励磁控制系统的任务同步发电机励磁控制系统的任务1、
4、电压控制、电压控制2、控制无功功率分配、控制无功功率分配3、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4、改善电力系统的运行条件、改善电力系统的运行条件 改善异步电动机的自启动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提高继电保护装置工作的正确性5、水轮发电机组要求实行强行减磁、水轮发电机组要求实行强行减磁现在学习的是第6页，共33页 负荷的无功电流是造成负荷的无功电流是造成 之之间幅值差的主要原因间幅值差的主要原因1 1 电压控制电压控制励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务励磁自动控制系统担负了维持电
5、压水平的任务G GEFUEFIGUGIGEWGEWqEGUGIdXqEGUGIdGXjIdQXjIPIQIG等值等值dGGqXI jUEdQGGqXIUEcosdQGqXIUE1cosGqEGU现在学习的是第7页，共33页1 1 电压控制电压控制发电机端电压发电机端电压励磁电流励磁电流负荷无功电流负荷无功电流 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电机端电压为设定值的 注：改变发电机的励磁注：改变发电机的励磁电流一般都不直接在发电电流一般都不直接在发电机的转子回路中进行，而机的转子回路中进行，而是是改变励磁机的励
6、磁电流改变励磁机的励磁电流的方法来达到调节目的的方法来达到调节目的。原因是转子回路的电流很原因是转子回路的电流很大，不易直接调整。大，不易直接调整。现在学习的是第8页，共33页2 2 控制无功功率分配控制无功功率分配与无穷大母线并联运行与无穷大母线并联运行G GGU=常数=常数GI单机无穷大系统单机无穷大系统consantIUPGGGcos发电机发出的有功功率发电机发出的有功功率只受调速器控制只受调速器控制consantXUEPdGqGsinconsantUG1cosKIG2sinKEq现在学习的是第9页，共33页2 2 控制无功功率分配控制无功功率分配与无穷大母线并联运行与无穷大母线并联运行
7、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。值的大小。与无穷大母线并联运行与无穷大母线并联运行的机组，调节励磁电流的机组，调节励磁电流就可以改变发电机的无就可以改变发电机的无功功率功功率G GGU=常数=常数GI现在学习的是第10页，共33页2 2 控制无功功率分配控制无功功率分配多台发电机并联运行多台发电机并联运行GG1QI2QIQIGU1MU2MUQI1QI2QI1QI2QI1G2G1QI2QI并联发电机组无功功率分配取决于各并联发电机组无功功率分配取决于各发电机的外特性，曲线越平坦的机组发电机的外特性，曲线越平坦的机组其
8、无功电流的增量越大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单纯把并联所有机组的外特性做成相同是不可能的是不可能的调节励磁可以任意改变外特调节励磁可以任意改变外特性曲线的斜率以达到合理分性曲线的斜率以达到合理分配无功的目的。配无功的目的。现在学习的是第11页，共33页3 3 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电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类在在20世纪世纪60年代及以前年代及以前1 静态稳定性静态稳定性2 动态稳定性动态稳定性
9、系统受到系统受到小扰动小扰动后后保持保持所有运行所有运行参数接近正常值的能力参数接近正常值的能力系统受到系统受到大扰动大扰动后，系统参数后，系统参数恢恢复到正常值复到正常值的能力的能力出现了出现了自动再同期现象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 静态稳定性静态稳定性2 动态稳定性动态稳定性3 综合稳定性综合稳定性小扰动小变速运行状态小扰动小变速运行状态大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大扰动大变速运行状态1954年苏联学者年苏联学者
10、维维.柯柯.维尼柯夫维尼柯夫电力系统机电电力系统机电过渡过程过渡过程现在学习的是第12页，共33页电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类1 静态不稳定性静态不稳定性1974年美国学者拜年美国学者拜金利及金巴克主编论金利及金巴克主编论文集文集大规模电力系大规模电力系统稳定性统稳定性2 动态不稳定性动态不稳定性3 暂态不稳定性暂态不稳定性功角过大而失步（滑行失步）功角过大而失步（滑行失步）大小扰动引起的振荡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大扰动后发电机在第一摇摆失步静态静态/动态稳定性定义及理解出现了混乱动态稳定性定义及理解出现了混乱1981年在年在IEEE电力
11、系统分会的冬季会议上重新对电力系统稳定性进行定义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 静态稳定性静态稳定性/小扰动稳定性小扰动稳定性2 暂态稳定性暂态稳定性/大扰动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所加的干扰使
12、得不能用系统的线性化方程来描述系统过渡过程来描述系统过渡过程现在学习的是第13页，共33页电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类2004年年8月，月，IEEE发表了发表了CIGRE第第38委员会与委员会与IEEE系统动态行为委员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会联合小组制定的电力系统稳定性分类及定义电力系统稳定性电力系统稳定性功角稳定性功角稳定性频率稳定性频率稳定性电压稳定性电压稳定性小干扰功角小干扰功角稳定性稳定性大干扰功角大干扰功角稳定性稳定性小干扰电压小干扰电压稳定性稳定性大干扰电压大干扰电压稳定性稳定性短期稳定性短期稳定性短期稳定性短期稳定性长期稳
13、定性长期稳定性短期稳定性短期稳定性长期稳定性长期稳定性现在学习的是第14页，共33页电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类功角稳定性功角稳定性注：把原来的静注：把原来的静态稳定（小扰动态稳定（小扰动稳定性）和暂态稳定性）和暂态稳定性（大干扰稳定性（大干扰稳定性）合起来稳定性）合起来统称为功角稳定统称为功角稳定性性表征着系统维持同步的能力，主要原因是发电机输入、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。长，也可能是增幅振荡。分析时间为分析时间为1020s静态稳
14、定性静态稳定性系统在小干扰下维持同步的能力系统在小干扰下维持同步的能力滑行失步型滑行失步型振荡失步型振荡失步型暂态稳定性暂态稳定性系统在大干扰下维持同步的能力系统在大干扰下维持同步的能力功角非周期增长而失步功角非周期增长而失步增幅的低频振荡而失步增幅的低频振荡而失步现在学习的是第15页，共33页电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类电压稳定性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
15、下降（或上升），又总量出现了不平衡。表现在电压持续下降（或上升），又称称“电压崩溃电压崩溃”。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）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。，常常是出现电压不稳定的直接原因。大干扰电压稳定性大干扰电压稳定性小干扰电压稳定性小干扰电压稳定性短期电压稳定性短期电压稳定性长期电压稳定性长期电压稳定性系统在系统在大干扰后大干扰后维持可接受稳态电压的能力维持可接受稳态电压的能力系统在系统在小干扰后小干扰后维持可接受稳态
16、电压的能力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包含慢速响应负荷和励磁限幅器等动态特性及相互作用现在学习的是第16页，共33页电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类频率稳定性频率稳定性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统在切除最大可能切除的负荷后是否
17、能够恢复出力与负荷之间的平衡。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。或负荷的切除。这种情况出现在大系统因失步而解列为这种情况出现在大系统因失步而解列为数个孤立系统数个孤立系统，在这些系统中，发电机之间的稳定不是问，在这些系统中，发电机之间的稳定不是问题，题，主要是出力和负荷是否会保持平衡主要是出力和负荷是否会保持平衡。频频率率过过渡渡过过程程时时间间秒级（几秒秒级（几秒）低压及低频减载、发电机控制器起主要作用低
18、压及低频减载、发电机控制器起主要作用分级（几分分级（几分）锅炉、机组保护和负荷调压系统起主要作用锅炉、机组保护和负荷调压系统起主要作用现在学习的是第17页，共33页电力系统稳定性的定义与分类电力系统稳定性的定义与分类 我国在我国在2001年制定的年制定的DL755-2001电力系统安全稳定导则电力系统安全稳定导则中将稳定性分为：中将稳定性分为：静态稳定性静态稳定性小扰动稳定性小扰动稳定性 暂态稳定性暂态稳定性大扰动稳定性大扰动稳定性 动态稳定性动态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
19、稳定件动态，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。工况的能力。现在学习的是第18页，共33页励磁对静态稳定性的影响励磁对静态稳定性的影响GT T1 1T T2 2L LsinXUEPqqEdX1TXlX2TXUo90o90调节励磁系统使得调节励磁系统使得 为常数为常数E 励磁调节系统可以有效励磁调节系统可以有效提高系统的静态稳定极限提高系统的静态稳定极限现在学习的是第19页，共33页励磁对暂态稳定性的影响励磁对暂态稳定性的影响P P故障前故障前故障后（未调励磁）故障后（未调励磁）故障时（未调励磁）故障时（未调励磁）故障后（调励磁）故障后（调励磁）GT T1 1T T2 2L
20、L 励磁系统的作用体现在使得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发电机内电势上升而增加电功率输出，提高了功率极限，从率输出，提高了功率极限，从而减小加速面积，增加了减速而减小加速面积，增加了减速面积，提高了暂态稳定性面积，提高了暂态稳定性实现手段：实现手段：1、缩小励磁系统时间常数、缩小励磁系统时间常数2、尽可能提高强行励磁倍数、尽可能提高强行励磁倍数现在学习的是第20页，共33页4 4 改善电力系统运行条件改善电力系统运行条件1、改善异步电动机的自启动条件、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、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、提高继电
21、保护装置工作的正确性短路切除后的电压恢复曲线短路切除后的电压恢复曲线无励磁控制无励磁控制有励磁控制有励磁控制 可以调节励磁为失磁异步运行的同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，以维持步发电机提供大量的无功功率，以维持其运行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调节励磁电流来增大短路电流以保证继电保护正确工作现在学习的是第21页，共33页5 5 水轮发电机实行强行减磁水轮发电机实行强行减磁水轮发电机组因故障而跳闸水轮发电机组因故障而跳闸调速系统具有较大的惯性调速系统具有较大的惯性导水叶不能迅速关闭导水叶不能迅速关闭转子转速急剧上升转子转速急剧上升励磁电流励磁
22、电流不调整不调整发电机端电压上升而危及定子发电机端电压上升而危及定子绝缘绝缘励磁电流迅励磁电流迅速调整速调整机组安全机组安全现在学习的是第22页，共33页二二 对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求励磁励磁功率单元功率单元G励磁调节器励磁调节器输入信息输入信息发电机发电机电力系统电力系统向同步发电机转向同步发电机转子提供直流电流子提供直流电流 根据输入信号和给定的调节根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出准则控制励磁功率单元的输出现在学习的是第23页，共33页1 1 对励磁调节器的要求对励磁调节器的要求1、具有较小的时间常数，能够迅速响应输入信息的变化、具有较小的时间常数，能够迅
23、速响应输入信息的变化2、系统正常运行时，励磁调节器能反映发电机电压的高低来维持、系统正常运行时，励磁调节器能反映发电机电压的高低来维持发电机电压在给定的水平发电机电压在给定的水平3、励磁调节器能够合理分配机组的无功功率、励磁调节器能够合理分配机组的无功功率4、对远距离输电的发电机组要求没有失灵区以使其在稳定区运行、对远距离输电的发电机组要求没有失灵区以使其在稳定区运行5、励磁调节器迅速反映系统故障，具备强行励磁的功能，提高暂态稳、励磁调节器迅速反映系统故障，具备强行励磁的功能，提高暂态稳定性和改善系统的运行条件定性和改善系统的运行条件6、励磁调节器能够长期可靠工作，具有高可靠性、励磁调节器能够
24、长期可靠工作，具有高可靠性现在学习的是第24页，共33页2 2 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求1、要求励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调节容量、要求励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调节容量。2、具有足够的、具有足够的励磁顶值电压励磁顶值电压和和电压上升速度电压上升速度。就改善电力系统就改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性而言，励磁功率单元应该具有较大的运行条件和提高电力系统暂态稳定性而言，励磁功率单元应该具有较大的强强励能力励能力和和快速响应能力快速响应能力。注：注：1、励磁顶值电压励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁时可能提是励磁功率单元在强行励磁时可能提 供的
25、最高输出供的最高输出电压值。电压值。2、励磁顶值电压与额定励磁电压之比为、励磁顶值电压与额定励磁电压之比为强励倍数强励倍数，一般为，一般为1.62现在学习的是第25页，共33页第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统静止励磁系统静止励磁系统在电力系统发展初期，在电力系统发展初期，机组容量小机组容量小机组容量增大，机械整流困难，大机组容量增大，机械整流困难，大功率半导体技术成熟功率半导体技术成熟与发电机同轴旋转与发电机同轴旋转现在学习的是第26页，共33页1 1 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统自励型自励型G
26、G励励磁磁调调节节器器EFIRCIAVRIE EE EW WD DE ET TV V共同担负励磁机的励磁绕组共同担负励磁机的励磁绕组EEW的调节功率的调节功率现在学习的是第27页，共33页1 1 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统他励型他励型G G励励磁磁调调节节器器RCIP PE EEFIAVRID DE ET TV V与自励型相比，多了一台副励磁机，时间常数小，提高了与自励型相比，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。励磁系统的电压增长速率。现在学习的是第28页，共33页2 2 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统他励型他励型G GTVTVG G自自动动恒恒压压调调
27、节节器器G G触发器触发器放大器放大器电压检测电压检测调差调差励磁调节器励磁调节器交流副励磁机交流副励磁机交流励磁机交流励磁机磁磁场场开开关关滑滑环环交流发电机交流发电机TATAAEAE100Hz100Hz400Hz400Hz启励启励电源电源晶闸晶闸管管1、交流励磁机、副励磁机和发电机同轴，独立电源，可靠性高、交流励磁机、副励磁机和发电机同轴，独立电源，可靠性高2、交流励磁机时间常数大、交流励磁机时间常数大3、采用永磁发电机作为副励磁机可以简化设备，提高可靠性、采用永磁发电机作为副励磁机可以简化设备，提高可靠性现在学习的是第29页，共33页2 2 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统他励型他励
28、型TVTVG GG G永磁发电机永磁发电机交流发电机交流发电机TATAG G励磁调节器励磁调节器旋转元件旋转元件AEAEN NS S励磁开关励磁开关晶闸管晶闸管整流器整流器1、无碳刷和滑环、无碳刷和滑环2、运行维护不便，转子回路电流电压不能用常规仪表测量，不能实、运行维护不便，转子回路电流电压不能用常规仪表测量，不能实现电压反馈，不利于稳定运行的措施现电压反馈，不利于稳定运行的措施3、已经被国外大公司采用，将来发展如何有待于现场运行经验的积累、已经被国外大公司采用，将来发展如何有待于现场运行经验的积累现在学习的是第30页，共33页2 2 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统自励型自励型TVTV
29、G G交流发电机交流发电机G GAVRAVR自动恒压元件自动恒压元件电压启励元件电压启励元件启励电源启励电源交流励磁机交流励磁机TRTR滑环滑环TVTVG G交流发电机交流发电机G GAVRAVR电压启励元件电压启励元件启励电源启励电源交流励磁机交流励磁机TRTR滑环滑环现在学习的是第31页，共33页3 3 静止励磁系统静止励磁系统T TV VG G交交流流发发电电机机励励磁磁调调节节器器电电压压启启励励元元件件启启励励电电源源滑滑环环T TR RV VS S1、简便，无旋转部分，可靠性高、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、直接用晶闸管控制转子
30、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、由发电机提供励磁能量，在机组甩负荷时的过电压低现在学习的是第32页，共33页小结小结1、同步发电机励磁控制系统的任务、同步发电机励磁控制系统的任务 （1）电压控制）电压控制 （2）控制无功功率）控制无功功率 （3）提高同步发电机并列运行的稳定性）提高同步发电机并列运行的稳定性 （4）改善电力系统的运行条件）改善电力系统的运行条件 （5）水轮发电机强行减磁）水轮发电机强行减磁2、对励磁系统的基本要求、对励磁系统的基本要求3、同步发电机的励磁系统的各种类型及其、同步发电机的励磁系统的各种类型及其 结构和特点结构和特点现在学习的是第33页，共33页