自动装置原理第三章课件

第一节 概述
Eq ≈ UG + IQ X d
发电机励磁系统的任务
• 控制无功功率的分配
设单机无穷大系统：
.
UG = 常数
G.
IG
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。
第一节 概述
第一节 概述
• 提高并联运行的稳定性
励磁对静态稳定的影响
IQ
加
并联运行机组间的无功功率分配
• 母线等值调差系数
UG
Ⅰ Ⅱ
δ∑
= Q1N + Q2N Q1N + Q2N
δ1 δ2
0
IQ
并联运行机组间的无功功率分配
• 例1：某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行，1号机组的额定功 率时25MW，2号机组的额定功率为50MW。两台机组的额定功率因 数都是0.85。励磁调节器的调差系数均为0.05。若系统无功负荷波动 使电厂无功增量为他们总无功容量的20％，问各机组承担的无功负荷 增量是多少？母线上的电压波动是多少？
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
UAVR
UAVR
0 Ude
0 USM Ude
调节器放大系数K与组成调
节器的各单元增益的关系为
b
K = ΔU AVR
U REF −UG
a
= ΔU de ⋅ ΔU SM ⋅ Δα ⋅ ΔU AVR
UG
U REF −UG ΔU de ΔU SM Δα
5、发电机失磁监控
发电机在运行中全部或者部分失去励磁电流，使转子磁场减弱或消 失，称为发电机失磁。
造成发电机失磁的原因：励磁开关误跳闸、励磁机或晶闸管励磁系统元件 损坏或发生故障、自动灭磁开关误跳闸、转子回路断线及误操作。
发电机失磁后果：励磁电流衰减到零，机械转矩使得发电机加速，导致功 角加大，发电机失步，进入异步发电机状态。 引起转子铁芯、转子绕组及励磁回路过热； 系统无功缺乏时，引起系统电压下降，甚至电压崩溃并导致系统瓦解； 引起其他发电机过电流。
并联运行机组间的无功功率分配
• 正调差特性发电机并联
ΔI Q∗
=
−
ΔU G∗
δ
UG
当母线电压波动时
Leabharlann Baidu
UG0
UGⅠ
A. 发电机无功电流增量与母线电压偏
UGⅡ UGN
Ⅰ
差成正比
Ⅱ
B.发电机无功电流增量与与调差系数
成反比
C.具有正调差系数时，负号表示当母
线电压下降时，发电机无功电流将增
0
IQⅠ IQⅡ I’QⅡ I’QⅠ IQN
• 无差调节特性
G2受扰无功电流增加
2 无差+负调差
UG
Ⅱ δ<0
G2励磁电流增大， G2电压升高
G2无功电流增加
UⅠ
Ⅰ δ=0
G1为维持机端电
UⅡ
压，减小励磁电流
无功电流减小
IQ2
IQ
存在不稳定平衡点，无法稳定运行
并联运行机组间的无功功率分配
• 无差调节特性 3 无差+无差
UG
UⅠ
Ⅰ
UⅡ
Ⅱ
IQ
无平衡点，不能并联运行
并联运行机组间的无功功率分配
• 例2：在例1中1号机组调差系数为0.04，2号机组调差系数为0.05。各 机组的无功负荷增量是多少？母线上的电压波动是多少？
第五节 励磁调节器原理
• 基本调节控制方式 维持机端电压、合理分配无功
• 辅助控制 瞬时电流限制 最大励磁限制器 最小励磁限制器 电压／频率（V/Hz）限制和保护 发电机失磁监控
∫ =
K
P [e(t
)
+
1 TI
t
0 e(t)dt + TDde(t) / dt
UG
KDde(t)/dt
位置式PID
离散
∑ u(KT
)
=
K
P{e(KT
)
+
T TI
K e( jT ) + TD [e(KT ) − e(KT − T )]}
j=0
T
第五节 励磁调节器原理
增量式PID调节
Δu(KT ) = KP [e(KT ) − e(KT − T )]+ KI e(KT ) + KD [e(KT ) − 2e(KT − T ) + e(KT − 2T )] = KP [Δe(KT )]+ KI e(KT ) + KD [Δe(KT ) − Δe(KT − T )]
第五节 励磁调节器原理 • 辅助控制
1、瞬时电流限制
当瞬时电流超过发电机允许的强励电流，则限制励磁电流为Ifmax
第五节 励磁调节器原理
• 辅助控制
2、最大励磁限制
防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。 当过励磁超过允许时间，励磁电流仍然不能自动降低，则 由最大励磁限制器执行限制功能。
第五节 励磁调节器原理
KPe(t)
• 基本调节控制方式
UREF
e(t)
U(t)
KF e(t)dt
t
∫ u(t) = KPe(t) + KF 0 e(t)dt + KDde(t) / dt
∫ =
K
P [e(t
)
+
1 TI
t
0 e(t)dt + TDde(t) / dt
UG
KDde(t)/dt
离散
∑ u(KT
http://ee.gzu.edu.cn/
同步发电机励磁自动控制系统
张靖 贵州大学 电气工程学院
1
内容
概述 同步发电机励磁系统 并联机组间无功分配
励磁装置的原理
第一节 概述
第一节 概述
一、同步发电机励磁控制系统的任务
电
无
压
功
控
分
制
配
提
改善
强
高
系统
行
稳
运行
减
定
条件
磁
第一节 概述
• 电压控制
GEW
最大励磁限制器反时限特性
第五节 励磁调节器原理
• 辅助控制
3、最小励磁限制（欠励磁限制）
发电机欠励磁运行时，发电机吸收系统的无功功率，这种运 行状态称为进相运行。发电机进相运行时受静态稳定极限的 限制，这里以单机－无限大系统为例来讨论电力系统静态稳 定极限的问题。
第五节 励磁调节器原理
带入并整理，可得
励磁调节器
其他信号
手动
U REF
励磁系统
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。
励磁调节器的基本特性与框图
• 比例式励磁调节器
负斜率特性
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。
δ % = UG1 −UG2 ×100%
U GN
调差系数越小说明IQ对UG影 响越小
IQ
励磁调节器的基本特性
• 励磁控制系统静态特性
UG
调差系数存在的意义:
δ< 0
①能平稳地改变无功负荷， 不致发生无功功率的冲击；
UG0
δ= 0
②保证并联运行的发电机
δ> 0
组间无功功率的合理分配。
IQ
励磁调节器的基本特性
对励磁系统的要求
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 结构简单，易于维护 足够的阻尼能力
高度的可靠性 快速性
第二节 同步发电机励磁系统
励 磁系统
直流励磁 机
交流励磁 机
静止励 磁
第二节 同步发电机励磁系统
第二节 同步发电机励磁系统
第二节 同步发电机励磁系统
第二节 同步发电机励磁系统
发电机的输出功率为
PG
=
EqU XΣ
sin δ
内功率特性
第一节 概述
• 提高并联运行的稳定性
励磁对静态稳定的影响
c
a
b
同步发电机的功角特性图
最大可能传输的功率极限为
PG
=
EqU XΣ
第一节 概述
• 提高并联运行的稳定性
励磁对静态稳定的影响
Pm ∝ Eq，而Eq值与励磁有关，若调节励磁，则有外功率特性
PG
=
U GU XL
sin δ L
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。
励磁调节装置能有效地提高系统 静态稳定的极限功率。
第一节 概述 • 提高并联运行的稳定性
励磁对暂态稳定的影响
图3－8 发电机的暂态稳定等面积法则
第一节 概述
• 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启动
2
为发电机异步运行创造条件
3
提高继电保护工作的准确性
第一节 概述
水轮发电机强行减磁
当水轮发电机组发生故障突 然跳闸时，由于它的调速系统具 有较大的惯性，不能迅速关闭导 水叶，因而会使转速急剧上升。 如果不采取措施迅速降低发电机 的励磁电流，则发电机电压有可 能升高到危及定子绝缘的程度， 所以，在这种情况下，要求励磁 自动控制系统能实现强行减磁。
• 发电机无功电流的转移
UG
IQ2
IQ1
UM 1 2 3
IQ
1、 退出运行：调节特性从1 平移 到2、 3 的位置时，则它的无功电 流将减小到零。 2、 投入运行：调节特性从3 的位 置向上移动，使无功电流逐渐增加 到运行的要求值。 3、 改变励磁调节器的整定值,可控 制无功功率特性上下平移，实现了 无功功率的转移。
)
=
K
P{e(KT
)
+
T TI
K e( jT ) + TD [e(KT ) − e(KT − T )]}
j=0
T
位置式PID
第五节 励磁调节器原理
KPe(t)
• 基本调节控制方式
UREF
e(t)
U(t)
KF e(t)dt
t
∫ u(t) = KPe(t) + KF 0 e(t)dt + KDde(t) / dt
第五节 励磁调节器原理
• 辅助控制 4、电压／频率（V/Hz）限制和保护
V/Hz（伏/赫）限制器，用于防止发电机的端电压与频率的 比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引 起的过热。
V/Hz升高
磁通量∝ V/Hz 磁通量增加
铁芯趋于饱和
励磁电 流增大
铁芯 发热
第五节 励磁调节器原理
• 辅助控制
第二节 同步发电机励磁系统
第二节 同步发电机励磁系统
第二节 同步发电机励磁系统
励磁系统的整流电路
整流电路
三相桥式 不可控
三相桥式 半控
三相桥式 全控
补充
转子运动过程示意
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
I EF 同步发电机
I&G
U& G
自动
励磁功率单元
我国励磁调节器的发展及分类
20世纪初
1950s’
1960s’
1980s’
辅基助本控控制制功功能能：：励电磁压限调制节、和励无磁功系功统率稳分定配器、电 力系统稳定器等
电压调节器 存在死区
电压调节器 时间常数大
励磁调节器
励磁调节器
综合了基本控制 实现先进控制策略、
和辅助控制功能 灵活、易于修改
= K1K2K3K4
励磁调节器总的放大倍数等于
0
USM 0
UREF
UG
各组成单元放大倍数的乘积
励磁调节器的基本特性 • 发电机励磁控制系统静态特性
( ) I EF = f IQ
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
UG
UG1
ΔUG
UG2
0
IQN
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:
.
IEF
.
UEF
..
UG
G IG
等值电路
.
xd IG
.
.
Eq
UG
φ
. δG
IP
..
IQ IG
.
Eq
φ
.
..
UG j IQ xd
相量图
E&q = U&G + jI&G X d
第一节 概述
• 电压控制
Eq cos δ G = U G + I Q X d
Eq ≈ UG + IQ X d
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。
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
UREF
UG
测量K1
α Ude 综合放大K2 USM 移相触发K3
UAVR 可控整流K4
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
K = ΔU AVR U REF −UG
K——调节器的放大倍数
并联运行机组间的无功功率分配
• 无差调节特性
1 无差+正调差
UG
电网无功负荷改变
UⅡ
UⅠ
Ⅰ δ= 0
Ⅱ δ> 0
G1维持0调差，机端电 压不变，G2为与G1电 压保持一致，运行点不 变，因此无功电流不变， 无功电流的改变量由 G1单独承担。
IQ2
IQ
存在稳定平衡点，但不符合实际运行
并联运行机组间的无功功率分配
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 大幅度变化。且增量算式只与最近几次采样值有关，容易获得 较好的控制效果。
第五节 励磁调节器原理
励磁控制系统的正常运行调节方式是维持 机端电压，合理分配无功功率
ΔU (KT ) = K p [U REF (KT )−UG (KT )± δQ(KT )]
第五节 励磁调节器原理
第五节 励磁调节器原理
功率圆
在静态稳定极限情况下， 有功功率极限Pm 和无功功 率极限Qm之间的函数关系 满足圆轨迹方程，该圆圆 心在Q 轴上，即发电机进 相运行必须满足静稳定条 件。
功率圆图
第五节 励磁调节器原理
• 功率圆
当发电机运行在Q < 0 的部 分时，发电机为进相运行状 态 M 为静态稳定功率极限 考虑实际运行因素，最小励 磁限制应在N’ 之内