电力系统自动化第三版

11
I G cos k 1
A
E q sin K 2
Eq 2

Eq

E q1

A
'
K
2
I Q2

B
I G2

j I G1 xd


IP
IG




'
jI G 2 xd
U G U UG U

j I G xd


IQ I Q1



I
o
直流励磁机大多与发电机同轴，它是靠剩磁 来建立电压的；按励磁机励磁绕组供电方式 的不同，又可分为自励式和他励式两种。
35
LLQ
L
FLQ
ILQ
IRC
=
F YH
IZTL
Rc 励磁调节器 图2－15自励直流励磁机系统原理接线图
36
ILQ F IRC
=
FL
=
L YH
IZTL
励磁调节器
图2—16他励直流励磁系统原理接线图
图2-10 时间常数与暂态 稳定极限功率的关系
25
P
G max
0.75
T e 0.1s
0.70
0.65
T e 0.8s
0.60
从图2-11的强励倍数与 暂态稳定极限功率之间的 关系中，可以说明当励磁 系统既有快速响应特性又 有高强励倍数时，才对改 善电力系统暂态稳定有明 显的作用。
K
0.55
37

自励与他励的区别
◦ 他励比自励多用了一台副励磁机； ◦ 他励方式励磁单元的时间常数就是励磁机励磁绕组的时间 常数，与自励方式相比，时间常数减小了，即提高了励磁 系统的电压增长速率（第三节讨论）。 ◦ 他励直流励磁机励磁系统一般用于水轮发电机组；
Eq UG jIG X d
式中， X d —— 发电机直轴电抗。
（2-1）
6
Eq


j I G xd
G

j I P xd


IP
UG
(c) 矢量图

j I Q xd
IQ
IG
图2-2 同步发电机感应电动势和励磁电流关系

发电机感应电动势 Eq与端电压U G 的幅值关系为
E q cos G U G I Q X d 式中 G — Eq 与 U G 间的相角，即发电机的功率角；
28

提高继电保护装置工作的正确性
• 当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大 ，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时 间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。
• 励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短 路电流。使继电保护正确工作。
29

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。
概述
1
An electric generator or electric motor that uses field coils rather than permanent magnets requires a current to be present in the field coils for the device to be able to work. (from Wiki)
Pmax
Xd
19
实际运行时，为了可靠起见留有一定裕度，运行点总是低 于对应功率极限值。
设P0为实际输出的功率，则把比值
Pmax P0 Kp 100% P0
（2-6）
Baidu Nhomakorabea
在正常运行方式下，按功角判据计算的静态稳定储备系 数应为15％～20％；在事故后运行方式和特殊运行方式下，不 得低于10％。《电力系统安全稳定导则（2001版）》
（2-5）
式中 X — 系统总电抗，为发电机，变压器，输电线电抗之和； — 发电机空载电动势 Eq和端电压 U间的相角。 发电机输出有功功率和功率角的关系称为同步发电机的功 率特性（或称功角特性）。
18
P
Pm P0
a
b
Pm
o
0
90

180


图2-7 同步发电机的功率特性
众所周知，当 dP / d 0 时,即 90 （如图中a点所示）， 系统是静态稳定的。当 dP / d 0 时，即 90 为稳定 90 180（如b点所示），则是不稳定的。 的极限情况，最大可能传输的功率极限为 EqU
EA 2 NC f
励磁绕组通入直流电，产生磁场， 当原动机拖动电机转子旋转时，磁 场与定子绕组有相对运动，会在定 子绕组感应出交流电势，即定子三 相绕组会产生三相交流电势。
2

励磁系统：与同步发电机励磁回路电压建立、调整及 在必要时使其电压消失的有关设备和电路。励磁系统 一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成
电
励磁功 率单元
G
发电机
力 系 统
励磁调节器
输入信息
图2-1 励磁控制系统结构框图
3

空载电势
◦ 发电机空载电势决定于励磁电流，改变励磁电流就可影响 同步发电机在电力系统中的运行特性;

电力系统在正常运行时
◦ 可以通过控制励磁电流来控制电网的电压水平和并联运行 机组间无功功率的分配;

当系统发生故障时
0
1
2
3
4
图2-11 强励倍数与暂态 稳定极限功率的关系
26

改善异步电动机的自起动条件
U (%)
120
2 1
100 80
40
0
10
20
30
t (s)
图2-12 短路切除后电压的恢复 1-无励磁自动控制；2-有励磁自动控制
27

为发电机异步运行创造条件
• 同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功 率，造成系统电压大幅度下降，严重时危及系统的安全 运行。 • 在此情况下，如果系统中其它发电机组能提供足够的无 功功率维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一 定时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保系 统安全运行而且有利于机组热力设备的运行。

30

对励磁调节器的要求
• 具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 • 系统正常运行时，励磁调节器应能维持发电机电压在给 定的水平。励磁控制系统的自然调差率一般在1％以内。 • 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁 调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在土10％以 内进行调整。 • 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。
20
P
P
90
c
b
Pm
Pd Pc
a
b
Pm
d
P0
Pb

o
0
90

180

P0
a

图2-7 同步发电机的功率特性 Notice： 通常把大于90度的区段称为人工稳定区。
o
0 b
c d

图2-8 发电机的几条代表性功率特性
21



自动励磁调节器按电压偏差调节的放大倍数愈大， 发电机维持机端电压的能力愈强，Eq增加愈大， 功率特性曲线幅值愈高，发电机稳定极限功率就 愈大。 有了自动调节励磁后，如果仍按功率P0运行，则 提高了静稳定储备；如果按规定的静稳定储备系 数运行，则可增大发电机传输的功率。 由此可见，性能优良的励磁系统，改善了实际的 运行功率特性，提高了稳定极限，而且可以扩大 稳定区，使同步发电机能在 90 的区段运行。
G1
B
'
(b) 相量图
K
1
图2-4 同步发电机与无限大母线并联运行
12

由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它 的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。

在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无 限大母线，母线的电压将随着负荷波动而改变。 改变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电 压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的 无功功率。
IQ —发电机的无功电流。
7
一般 G 很小，可近似认为 cos G 1 ，可得简化的运算式为
Eq U G I Q X d
（2-2）
（ 2-2 ）式说明，负荷的无功电流是造成 E q 和 U G 幅值 差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者之间的差值也 越大。 由（2-2）式可以看出，同步发电机的外特性必然是下降 的。当励磁电流一定时，发电机端电压随无功负荷增大而下 降。

13

并联各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性，而上倾的 和多于一条水平的外特性都不能起到稳定分配无功电流的作用。
图2-5 并联运行发电机间无功负荷的分配
I Q I Q1 I Q 2
14



通常我们希望发电机间无功电流应按机组容量的 大小进行比例分配，大容量的机组担负的无功增 量应相应地大，小容量的机组增量应该相应地小。 只要并联机组的“UG — IQ*” 特性完全一致（IQ*为 机组无功电流与其无功电流额定值的比值），就 能使得无功负荷在并联机组间进行比例分配。 要作到这一点，单纯地想把参加并联运行的大小 发电机组都做成相同的“UG — IQ*” 特性是很难实 现的，甚至是不可能的，但是自动调压器却可以 相当容易地作到这一点。
24

PG max
0.75
K 4
0.70
0.65
K 2 K 1
图2-10励磁系统时间常数Te 与暂态稳定极限功率的关 系，由图可见在0.3s以下时， 提高强励倍数K对提高暂态 稳定极限功率有显著效果。 当 Te 较大时，效果就不明 显。
0 .6 0 .8
0.50 0.35
0
0 .2
0 .4
T e( s )
U=常 数 G
IG
如果发电机的有功功率恒定，即
PG U G I G cos C
当励磁电流改变时，
（2-3）
I G cos k1
10
不考虑定子电阻和凸极效应，发电机功率还可表示为
E qU G sin C PG Xd
当励磁电流改变时
（2-4）
E q sin K 2
15

系统在扰动后，系统能够恢复到原来的运行状态或者 过渡到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的。 通常将电力系统的稳定性问题分为三类：静态稳定 （Steady State Stability）、和暂态稳定（Transient Stability）和动态稳定（Dynamic Stability）。 励磁电流直接影响的是 E q 。励磁自动控制系统是通 过改变励磁电流从而改变 E q 值来改善系统稳定性的。
8
U
G
I
U
U
Ge
EF 2
G2
I
EF1
o
I
Q1
I
Q2
I
Q
图2-3 同步发电机的外特性
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。
9
1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题 为了分析简便，设同步发电机与无穷大母线并联运行，即 发电机的端电压不随负荷大小而变化，是一个恒定的值。


16
Eq
输电线
降压变压器


G
升压变压器
系统
j IG

x
d
(a)


U
d




G
UG j I G xT U


Eq
X
d
UG

X
U
T
q
(b )
(c )
IG

图2-6 单机向无穷大母线送电 (a) 接线图；(b) 等值网络；(c) 相量图
17
发电机的输出功率按（2-4）式可以写成
U P Eq sin G X
◦ 迅速增大励磁电流，可以改善电网的电压水平及稳定性。
4
同步发电机两种不同的运行方式： 单机运行方式：
G
U IG
P+jQ
特点：机端电压随发电机电流的变化而变化。
与无穷大系统并联方式
U=常 数 G
IG
特点：机端电压不随发电机电流的变化而变化。
5
x

d
IG

Eq
UG

（b）等值电路
空载电势和机端电压的关系：
31

对励磁功率单元的要求
• 要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调 节容量。 • 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。
32
同步发电机励磁系统
33
直流励磁机 自励 他励
交流励磁机 自励 他励
静止电源供电 自并励
自复励
34

直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励磁方 式； 限于换相制约，通常只在10万kW以下机组中 采用。
22

摆次暂态稳定的基本属性：
• 在遭受扰动后，如果系统在到达不稳定平衡点之前动能 减小到零，则该摆次是暂态稳定的。 要求励磁系统必须具有快速响应能力，以及足够高的强励 倍数。
U
T

G
X
h
(a)
图2-9 发电机暂态功角特性曲线
23

励磁顶值电压 U EFq是励磁功率单元在强行励磁时， 可能提供的最高输出电压值，该值与额定工况下 励磁电压U EFN 之比称为强励倍数。其值的大小， 涉及制造和成本等因素，一般取1.6-2。 提高励磁系统的强励能力，即提高电压强励倍数 和电压上升速度，被认为是提供电力系统暂态稳 定性最经济、最有效的手段之一。随着继电保护 和断路器动作速度的提高，强励对暂态稳定的作 用有所减小，因为强励作用的时间缩短了。但强 励对远距离输电的发电机仍是十分重要的。