第六讲 同步发电机培训资料

U X U B —电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值。
通过调节发电机励磁电流来改变发电机感应电势Eq,可以改变发电 机输出的无功电流Iq，从而调节发电机端电压Ux和变压器高压侧电 压UB，或维持它们在给定的范围内.
如发电机直接接入无穷大电力系统，即XB=0，XL=0，则发电机端 电压等于系统电压，并随系统电压的变化而变化，此时发电机励磁 调节系统不再有调节发电机端电压的作用。
不能并联运行
并联运行机组间的无功功率分配
❖ 有差调节特性
UG
UG0 UGⅠ
UGⅡ UGN
Ⅰ
Ⅱ
0
IQⅠ IQⅡ I’QⅡ I’QⅠ IQN
IQ
IQ UUGG00UUGGNIQN
IQU UG G00U UGGN1UG0UG
UGN
IQ
UG
我国励磁调节器的发展及分类
20世纪初
1950s’
1960s’
电压损耗不大，单靠调节发电机的励磁来控制发电机的端电压就能满足负荷 对电压质量的要求。
❖ （1）单机运行时：
❖ 在正常运行时，励磁电流IEF在发 电机励磁线圈FLQ中建立磁场， 使定子绕组产生感应电势Eq，在 不考虑铁心饱和程度影响时，感 应电势的大小与励磁电流的大小 成正比，因此通过调整IEF的大小 就可使Eq发生相应的变化 .
❖ 由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此改变一台 发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不象单机带负荷运行时对 发电机电压的影响那么大。而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。
❖ 当电力系统容量无穷大时，系统电压为恒定值。改变一台发电机的励磁电 流对系统的电压水平就一点影响也没有了。
系统无功电源所发出的无功功率偏 离系统在额定电压下的无功需求越 大，系统实际运行电压就偏离额定 电压越大，电网电能质量越差，有 可能使电网电压超出其允许范围。
控制无功电源所发出的无功功率就可以维持系统电压运行在其允 许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。
2. 提高电力系统运行的经济性
❖ （1）系统的无功电源： ❖ 主要:同步发电机,另外:并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。。 ❖ （2）选用哪种无功电源，将它们配置在何处．如何控制系统中无功电源的出力，是很重要
励磁调节器的基本特性与框图
❖ 励磁调节器基本框图
励磁调节器的简化框图
UG
UREF Ude
USM
IEE
测量K1
综合放大K2
移相触发K3
可控整流K4
❖ 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
K Ude USM IEE UREFUG Ude USM
IEE UREF UG
%UG1UG210% 0
UGN
调差系数越小说明IQ对UG影 响越小
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
❖ 发电机无功电流的转移
发电机励磁系统的任务
❖ 提高并联运行的稳定性
励磁对暂态稳定的影响
发电机的暂态稳定等面积法则
发电机励磁系统的任务
❖ 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
为异步发电机运行创造条件
3
提高继电保护工作的准确性
发电机励磁系统的任务
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。
基本 控制
•电压调节 •无功分配
数字式励磁调节器
主控制单元 信息采集单元 调节控制输出
人—机接口
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
硬件+软件
励磁调节装置原理
❖ 数字式励磁调节器原理框图
励磁调节装置原理
❖ 控制的数学模型 PID模型:
PEq
EqU Xd
sin
发电机励磁系统的任务
电
无
提
强
强
压
功
高
行
行
控
分
稳
励
减
制
配
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
定
磁
磁
发电机励磁系统的任务
❖ 电压控制
GEW
.
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
EqUGjIGXd
二、同步发电机励磁系统的任务
❖ 励磁控制系统框图
I EF 同步发电机
IG
U G
自动
励磁功率单元
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
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。
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。
发电机励磁系统的任务
❖ 提高并联运行的稳定性
励磁对静态稳定的影响
发电机的输出功率为
PG
EqU X
sin
发电机励磁系统的任务
电力系统自动化内容
电力系统 调度自动化
发电厂 自动化
变电站自 动化
发电自动控制
有功/ 频率
无功/ 电压
第六讲 同步发电机 励磁自动控制系统
同步发电机自动励磁控制系统
❖ 同步发电机励磁系统的任务 ❖ 一、电力系统无功功率控制的必要性
❖ 1. 维持系统电压正常水平 ❖ 电力系统电压水平主要是由电力系统中无功功率平衡来维持的。 ❖ 整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：
1980s’
励磁调节装置原理
❖ 数字式励磁调节器的优点
方便地实现复杂的控制策略 便于修改，灵活性强 可以实现更加完备的限制和保护功能 操作简单、维护方便以及便于试验和调试
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
发电机励磁系统的任务
EqcoG sU GIQXd
Eq UGIQXd
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。
UG EqIqXd
❖ 因发电机的直轴电抗Xd为常数，发电机的端电压UG的大小是由其感应电势 Eq及负荷电流无功分量Iq的大小决定的。
❖ Eq和发电机励磁电流IEF成正比,上式说明，当IEF 不变时,Iq变化将引起UG变 化，即发电机单机带负荷运行时，电压变化主要是由定子电流的无功分量Iq 的变化引起的。
❖ 同步发电机是系统重要的无功电源，其无功功率的输出是由它的励磁系统来 控制的
❖ 同步发电机励磁系统的任务主要有以下几个方面。 ❖ 1. 控制发电机端电压 ❖ 通过励磁系统来控制调节控制同步发电机的端电压是一种不需耗费投资而且
最直接的调压手段。 ❖ 在发电机不经升压直接向用户供电的简单系统中，若供电线路不长，线路上
n
m
l
QGi QLj Qk
i1
j1
k1
Q G i ——无功电源i向系统供给的无功功率；
Q
——负荷j所消耗的无功功率；
Lj
Q k ——电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；
在任意时刻，系统所产生的无功功率与系统中所消耗的无功功率总是平衡的。问题是在多高的 电压下达到平衡的?
❖ 系统无功负荷(包括无功损耗)静态电压特性如图5.1所示。
utK P etT 1 I 0 tetd tTDddte t
离散化为
u K T K P e K T T T I jK 0 e jT T T D e K e T K T T
励磁调节装置原理
❖ 控制的数学模型 增量式PID调节
u K K P T e K e K T T T K I e K K D e T K 2 e K T T e T K 2 T T K P e K K I e T K K D T e K e K T T T
❖ 但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入电力系统的 发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。
❖ 下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：
U GU X Iq(XB XL ) 而 UG EqIqXd
所以
Iq
Xd
Eq UX XB XL
UB UX IqXL
X B X L ——变压器漏抗和输电线路电抗归算值(归算到发电机电压等级下)；
❖ 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
K1K2K3K4
励磁调节器总的放大倍数等于 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
IEFf 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
IQ
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:
❖ 上式还说明，如果发电机无功电流Iq不变，改变IEF可以改变Eq，进而可以改 变UG或使UG保持恒定.
❖ 即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。
（2）当发电机并入电力系统运行时
❖ 发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无功电源发出 的无功功率总和与系统中负荷所消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。
❖ 提高并联运行的稳定性
c
a
b
同步发电机的功角特性
最大可能传输的功率极限为
Pm
E qU X
发电机励磁系统的任务
❖ 提高并联运行的稳定性
PmEq，而 Eq值与励磁无关 励， 磁若 ，调 则节 有外功率特性
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。
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。
励磁调节装置原理
❖ 基本调节方式 算法:
U K K p T U R K E F U G T K Q T K T
❖ 因此，无功功率一般都尽可能地就地、就近平衡。
3. 维持电力系统运行的稳定性
❖ 发电机是电力系统中主要的无功电源，发电机的端 口电压是由其励磁调节系统自动控制的。
❖ 合理的选用自动励磁调节器，就可以保证发电机的 端口电压维持不变，从而提高系统的静态稳定性。
❖ 另外，现代发电机都装有快速响应的励磁调节系统， 可以保证当系统发生故障而使发电机端电压低于 (85%~90%)时，能快速而大幅度地增大励磁电流， 以迅速提高发电机的端电压，从而有效地改善系统 的暂态稳定性。
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
同步发电机励磁系统类型
励 磁系统
直流励磁 机
交流励磁 机
静止励 磁
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
励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配
UG
IQ2
IQ1
UM 1 2 3
IQ
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
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
UG
UⅡ UⅠ UⅡ’
Ⅱ’δ< 0 Ⅰ δ= 0 Ⅱ δ> 0
2 无差+无差
UG
UⅠ
Ⅰ
UⅡ
Ⅱ
IQ2
IQ
有困难
无法稳定
IQ
的。 ❖ 这些工作做得好．不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功率传输过程中
造成的无功和有功功率损耗，因而可以提高系统运行的经济性。
❖ 例如:对于还离负荷中心的电厂，就不要它发过多的无功功率送往负荷,这是因为远距离地从 电源经过变压器和输电线路内负荷输送无功功率，会产生电压损耗(高压线路和变压器上的 电压损失主要是出无功功率造成的)和有功功率损托，而且输送距离越远，经过的环节越多， 电压损耗和有功功率损耗也就越大。