发电厂自动装置

1、 发电厂自动装置 肖志怀第第2 2章章 自动并列控制自动并列控制 本章主要内容：1.发电机组的并列方式2.同期点选择和同期电压的引入3.同期并列的基本原理4.数字式自动准同期装置 正常情况下，电力系统的发电机是并列运行的，即电力系统内部的发电机均以同步转速旋转，且各发电机转子之间的相角差不超过允许的极限值，发电机出口折算电压近似相等。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.1 发电机组的并列方式2.1.1 同期的意义同期的意义 同步发电机乃至各个电力系统联合起来并列运行，可以带来很大的经济效益。一方面，可提高供电的可靠性和电能质量；另一方面，可使负荷分配更加合理，减少系统的备

2、用容量并充分利用各种动力资源，达到经济运行的目的。 2.1.2 发电机组同期方式发电机组同期方式 在电力系统中，同期并列方式分为准同期并列和自同期并列两种。 准同期方式：将发电机组调整到符合并网条件后，再发出断路器的合闸命令。 具体步骤是： 1、通过调速器调节发电机组转速，使其接近同步转速； 2、通过励磁装置调节发电机组励磁电流，使发电机组端电压接近系统 电压； 3、频率差和电压幅值差都满足给定条件时，选择在零相角差到来前的 合适时刻合上断路器。 用准同期方式时应避免非同期并列，否则可能使发电机遭到破坏。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.1 发电机组的并列方式自同期并列

3、： 将未加励磁电流的发电机组的转速升到接近额定转速，再闭合断路器，然后立即合上励磁开关供给励磁电流，在发电机电势逐渐增长的过程中由系统将发电机组拉入同步运行。 用自同期方式投入发电机时，由于未励磁发电机相当于异步电动机，因此合闸时后会出现短时间的电流冲击，并使系统电压下降。冲击电流引起的电动力可能对定子绕组绝缘和定子绕组端部产生不良影响，同时冲击电磁力矩也将使机组大轴产生扭矩，并引起振动。 两种同期方式具有各自的优缺点。系统在正常运行情况下，一般采用准同期并列方式将发电机组投入运行；自同期并列方式操作简单，速度快，在系统发生故障、频率波动较大时，发电机组仍能并列操作并迅速投入电网运行，可避免故

4、障扩大，有利于处理系统事故，只有当系统发生故障时，为了迅速投入发电机组才采用，应用此方式时要求发电机定子绕组的绝缘及端部固定情况应良好，端部接头应无不良现象。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.2 同期点选择和同期电压的引入列方式同期点：同期点：用于同期并列的断路器用于同期并列的断路器同期点选择原则：同期点选择原则：如果一个断路器断开后，两侧都有电源且不同步如果一个断路器断开后，两侧都有电源且不同步时，即两侧电压幅值、频率或相位不同时，则这个断路器就应该是同期时，即两侧电压幅值、频率或相位不同时，则这个断路器就应该是同期点。点。2.2.1 同期点的选择 在发电厂中，发电机

5、出口断路器和发电机-双绕组变压器组的高压侧断路器都是操作比较频繁的，所以他们都应该是同期点。 作为升压双绕组变压器一般应有一侧断路器作为同期点，当只在低压侧断路器设置同期点，合闸时要保证高压侧先投入。三绕组变压器或自耦变压器与电源连接的各侧断路器均应作为同期点，这些同期点将不同电压等级的系统连接起来，因此当任一侧断路器因故断开后，便可用此断路器进行并列操作而恢复运行。在某些主接线上，如果有一侧为多角形接线的联络变压器，则变压器两侧均设为同期点。单元接线的变压器各侧断路器高压侧以及与发电机直接连接的变压器低压侧断路器，其同期方式应与发电机断路器的同期方式相同。第第2 2章章 发电机组的自动并列发

6、电机组的自动并列 2.2 同期点选择和同期电压的引入列方式2.2.1 同期点的选择 接在单母线上的线路断路器均应设为同期点；各级610kV母线分段断路器均考虑作为同期点，以提高母线倒换操作的可靠性。35kV线路断路器可作为同期点，但必须在线路断路器外侧装一个单相式互感器。110kV及以上的接在双母线上或接在带有旁路母线上的线路的断路器均设为同期点，同时分段断路器、母联断路器和旁路断路器也作为同期点，以增加并列操作的灵活性。330kV及以上系统，为了运行操作方便，全部断路器均应设为同期点。多角形接线和外桥形接线中，与线路相关的两个断路器均设为同期点。一个半断路器接线的运行方式变化较多，一般断路器

7、均设为同期点。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.2 同期点选择和同期电压的引入列方式2.2.1 同期点的选择如图展示了发电厂同期点选择的一般规律。1：手动准同期，2：自动准同期。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.2 同期点选择和同期电压的引入列方式2.2.2 同期电压的引入同期电压的引入 用来取得同期电压的互感器一般安装在不同的地方，有的安装在发电机出口侧，有的安装在升高变压器高电压侧，且互感器本身也有各种不同的接线，升压变压器也可能采用Y-d11等两侧相位不同的接线方式，有时因继电保护的需要，互感器的接地方式也需要做出改变。因此可能出现这种情况

8、，即从互感器二次绕组取得而引入同期装置的电压相位，与同期点两侧待并发电机和系统的实际电压相位不符，这样就可能造成非同期合闸。为了避免这种情况，必须保证从互感器取得的电压相位与同期必须保证从互感器取得的电压相位与同期点两侧的实际电压相位相符。点两侧的实际电压相位相符。因此，在取得同期电压时，应根据同期点两侧电压的相序及相位，电压互感器的接线方式及接地情况进行选取。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理2.3.1 同期条件分析同期条件分析 2sin()sin()GGGGGmGGuUtUt2sin()sin()SSSSSmSSuUtUt 第第2 2章章 发电

9、机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理允许断路器并列的理想条件为允许断路器并列的理想条件为:（1）电压幅值相等；（2）电压角频率相等 ；（3）合闸瞬间的相角差为零。下面分别讨论准同期需要满足的三个条件对同期并列的影响。（1）电压幅值差hIUGUSUhIUGUSUGShd=sUUIXXdXsX为发电机次暂态电抗为电力系统等值电抗第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理 无论哪种情况，冲击电流 均滞后于电压差 90，为无功电流分量，因此，主要考虑产生的电动力对发电机绕组的影响。电动力较大时，有可能引起发电机绕组的端部变形。 冲击电流最大

10、的瞬时值为一般冲击电流不允许超过机端短路电流的1/101/20，因此根据式（2.4）可得，电压差值不应超过 5% 10%的额定电压值。m a x2hhipKii第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理（2）相角差2GUSUUhI2GUSUUhIGU22GhqSUIs inXX冲击电流的有效值max1.9222GhSqUisinXX冲击电流最大值有功功率冲击会使机组的联轴器受到突然冲击，这对机组转子轴系运行非常有害，为了保证机组的安全运行，应将冲击电流限制在较小数值。若要求冲击电流不超过出口三相短路电流的10%，则从式（2.7）中得 =5.73实际准同期在

11、并列时一般要求不超过10第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理（2）频率差GUSUUhIGUSUUhIGUssGG2()()22GSGSdGSGmuuuUsint cost 实际上断路器在合闸瞬间，待并发电机与系统的电压，可能既存在幅值差，又存在相位差，频率也可能不同。因此，并网时，总的冲击电流应该是上述三种情况的综合。由以上的分析可以看出，在同期并列点两侧频率不相等时，并列合闸时的相角差与合闸命令的发出时刻有关。如果发出合闸命令的时刻不恰当，则可能出现较大相角差的情况下合闸，从而引起较大的冲击电流。但是在较小相角差合闸时，如果频率差较大，频率高的一方

12、在合闸瞬间会将多余的动能传递给频率低的一方，当传递能量过大时，发电机组需要经过一个暂态过程才能拉入同步运行，严重时甚至导致失步。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理2.3.2 准同期基本原理准同期基本原理 将发电机并入系统时应遵循如下两个原则： (l) 出口断路器合闸时，冲击电流应尽可能小，其瞬间最大值一般不超过12倍定子额定电流。 (2) 发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理2.3.2 准同期基本原理准同期基本原理 1脉

13、动电压 在进行准同期并列时，根据待并发电机和系统电压来判断和调节，并在合适的时间发出合闸脉冲。如果发电机和系统电压幅值相等、初始相角相等，则在合闸瞬间，在断路器两侧的压降如式（2.8）所示。可见，断路器两端电压是一个脉动电压，波形如图2.13所示。 2()()22GSGSdGSGmuuuUsint cost 第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理2.3.2 准同期基本原理准同期基本原理 1脉动电压 如果并列断路器两侧的电压幅值或相位不相等，从图2.10、图2.11可知，应用三角公式可求得 的有效值为 222cosdGSGSdUUUU UtdGSdU1d

14、2d2GsUU2|GsUU1dT2dTOt脉动电压波形包含有准同期并列所需的信息：电压幅值差、频率差及相角差随时间的变化规律。对应于脉动电压的最小幅值2GSUU第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.3 同期并列的基本原理2.3.2 准同期基本原理准同期基本原理 1整步电压如果将脉动电压经过整流并滤波后，则可以获得脉振电压的半包络线正弦整步电压具有以下的特点：1、正弦整步电压周期与频差绝对值成反比，反映频差大小；2、整步电压的最低点反映压差大小；3、 =0，整步电压出现最小值， =180，整步电压出现最大 值。 第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.4 数

15、字式自动准同期装置2.4.1 组成组成 并列断路器频差单元电压差单元合闸单元电源增速减速合闸升压降压GabTvabc第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.4 数字式自动准同期装置2.4.1 组成组成 第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.4 数字式自动准同期装置2.4.2 工作原理工作原理（1）频差检测1、利用相角差来得到频差的值2、采用直接测量两并列电压频率的方法 edit第第2 2章章 发电机组的自动并列发电机组的自动并列 2.4 数字式自动准同期装置2.4.2 工作原理工作原理（2）相角检测 2.4.2 工作原理工作原理 第第3章章 发电机励磁系统

16、发电机励磁系统1. 发电机励磁控制系统的任务和基本要求2. 发电机励磁系统的主要型式3. 励磁系统中的整流电路4. 励磁调节器工作原理5. 励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配6. 灭磁及过电压保护3.1 发电机励磁控制系统的任务1、调节电压 qGQdcosEUI X3.1 发电机励磁控制系统的任务1、调节电压 UGUGNUG2IQ1IQ2IQIE1IE2图3.3 同步发电机的外特性3.1 发电机励磁控制系统的任务2. 控制无功功率的合理分配3.1 发电机励磁控制系统的任务2. 控制无功功率的合理分配GG GcosPU I常数qGGdsinE UPX常数1cosGIK常数q2sinEK常

17、数3.1 发电机励磁控制系统的任务3. 提高电力系统运行稳定性3.1 发电机励磁控制系统的任务3. 提高电力系统运行稳定性（1）对静态稳定的影响X系统总电抗，一般为发电机、变压器和输电线路电抗之和系统总电抗，一般为发电机、变压器和输电线路电抗之和。qsinE UPXqmE UPX励磁调节系统的基本要求 1、对励磁调节器的要求 （1）自动电压调节器应保证能在发电机空载额定电压的70%110%范围内进行稳定、平滑地调节。（2）励磁调节器应能合理分配机组间的无功功率，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率的整定范围不小于15%（3）励磁调节器应能迅速反映系统故障，具备强行励磁、快速灭磁等功能，以提高

18、系统的暂态稳定、改善系统的运行条件以及保障发电机的安全。（4）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器应无失灵区。（5）装置结构简单、可靠，反应速度快，运行维护方便。励磁调节系统的基本要求 2. 对励磁功率单元的要求（1）励磁功率单元应有足够的调节容量，以适应各种运行工况的要求。当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电压和电流的1.1倍时，励磁系统应保证能连续运行。（2）励磁功率单元应具有足够励磁顶值电压。 励磁系统顶值电压：指在规定条件下，励磁系统能够提供的最大直流电压。励磁系统顶值电压与额定励磁电压之比称为顶值电压倍数（强励倍数）。 50MW及以上发电机一般不

19、低于2；其他一般不低于1.6；励磁系统允许强励时间应不小于10s。（3）励磁功率单元应具有足够的励磁响应速度 励磁调节系统的基本要求 UmU02U01Mp0tptstU0+10%U =偏 差 ； ts 调 节 时 间 ； tp 峰 值 时 间 ；Um 峰 值 电 压 ； U0 稳 态 电 压图 3.10 励 磁 控 制 系 统 阶 跃 响 应 曲 线励磁调节系统的基本要求 励磁控制系统动态指标 (1) 励磁控制系统的超调量和调节时间 发电机在空载额定工况下，突然改变电压给定值，使同步发电机端电压初始值由U01变为U02，初始阶跃量U02U01=10%初始值。发电机端电压的最大值与稳态值之差与阶

20、跃量之比的百分数为超调量。从阶跃信号开始到发电机端电压与新的稳态值的差值对阶跃量之比不超过2%时，所需时间为调节时间。 空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为10%时，发电机电压超调量应不大于阶跃量的50%。摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。(2) 励磁控制系统零起升压时的超调量和调节时间 发电机在额定转速下，突然投入励磁系统，使同步发电机端电压从零变为额定值时，发电机端电压的最大值与稳态值之差对稳态值之比的百分数为零起升压时的超调量，从给定信号到发电机端电压与稳态值之差值不超过稳态值的2%所需时间为调节时间。对静止励磁系统的调节时间（ts）的起点，从发电机端电压稳态值的30%计算起

21、。 当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间应不大于10s，电压摆动次数不大于3次。 励磁调节系统的基本要求 图3.11 励磁控制系统零起升压时间端电压响应曲线超调量 Mp(%) = (Um-Uo)/Uo*100%偏差；ts调节时间；tp峰值时间；tr上升时间；Um峰值电压；Uo稳态电压UmU00.9U0trMp0.1U00tptstU3.2发电机励磁系统的主要型式1、直流励磁机励磁系统 按照励磁机励磁绕组供电方式的不同，可分为自励式和他励式两种 3.2发电机励磁系统的主要型式GTVDE励磁调节器IEEIRCIAVRRC图3.12 自励直流

22、励磁机励磁系统3.2发电机励磁系统的主要型式GTVDE励磁调节器IEEIAVRRCPEIRC图3.13 他励直流励磁机励磁系统3.2发电机励磁系统的主要型式交流励磁机励磁系统 1交流励磁机带静止整流器励磁系统 自励与他励两类。他励交流励磁机励磁系统是指交流励磁机备有他励电源中频副励磁机或永磁副励磁机。 自励交流励磁机励磁系统的交流励磁电源取自交流励磁机本身，采用可控整流器维持其端电压恒定 2. 交流励磁机带旋转整流器励磁系统（无刷励磁系统 ）（1） 无炭刷和滑环，维护工作量少，无炭粉等污染，电机绝缘寿命长；（2）发电机励磁由励磁机独立供电，可靠性高；（3）励磁控制通过调节交流励磁机的励磁实现，

23、因而励磁系统的响应速度较慢；（4）发电机主轴长，使厂房高度（长度）增加，造价高；（5）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，无法实现直接灭磁，也无法实现励磁系统的常规检测（励磁电压、电流、转子绝缘等），必须采用特殊的测试方法；要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受离心力。励磁调节系统的基本要求 3.2发电机励磁系统的主要型式GTV励磁调节器图3.16 无刷励磁系统TA永磁发电机晶闸管整流器 励磁开关NSAE旋转元件3.2发电机励磁系统的主要型式 静止励磁系统（发电机自并励系统）静止励磁系统（发电机自并励系统）静止励磁系统（发电机自并励系统）中发电机的

24、励磁电源不用励磁机，而通过连接于发电机机端的励磁变压器经过整流电路取得励磁电流。这类励磁系统没有转动部分，故称静止励磁系统。 3.2发电机励磁系统的主要型式 3. 静止励磁系统的优点（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，设备维护简单，可靠性高。（2）取消了励磁机，可缩短主轴长度，减小基建投资。（3）有晶闸管直接控制励磁电压，可以获得较快的响应速度。（4）由发电机机端获取励磁能量，由于机端电压与转速的一次方成正比，故静止励磁系统的励磁电压与转速的一次方成正比，而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的二次方成比例，因此，甩负荷时静止励磁系统机组的过电压低。励磁系统中的整流电路励磁系统中的

25、整流电路 从波形图中可以看出，整流输出直流电压ud在一个周期有六个均匀的脉波。整流输出直流电压的平均值为 式中 El变压器二次侧线电压有效值； E2变压器二次侧相电压有效值；二极管V1在不导通的期间承受的反向电压图3.18（b）中点划线所示，二极管承受的反向电压为线电压，其最大值为 （3.10）22d0ab266633 22sin()1.352.3426lllUe d tEtd tEEE励磁系统中的整流电路 2、三相桥式全控整流电路 采用双窄脉冲触发:在一个周期中每只晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲中间的间隔为60，脉冲宽度一般为2030； 采用宽脉冲触发，要求触发脉冲的宽度大于60，但小于1

26、20 ，一般取80100。 共阴极组与共阳极组各有一元件同时处在被触发状态，才能构成电流的通路。双脉冲触发电路较复杂些，但它可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积，因而应用较多。在三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的条件都是其阳极承受正向电压期间在控制极上加触发脉冲。 三相桥式全控整流电路的工作特点是既可工作于整流状态，将交流转变成直流，以供给同步发电机转子绕组励磁；也可工作于逆变状态，将直流转变成交流，在发电机灭磁时，利用逆变将存储在发电机励磁绕组中的能量转换成交流电能并馈回电网 eaebecidudVS1VS3VS5VS6VS2VS4R图3.19 三相桥式全控整流电路L励磁系

27、统中的整流电路 整流工作状态 控制角=00 ； 控制角=300 控制角=600 在控制角600的情况下，共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的阳极电位，故输出电压ud的瞬时值都大于零，且波形是连续的。 在600，当线电压由零转为负值时，由于电感负载产生的反电势的作用，导通的晶闸管继续导通，输出电压ud的瞬时值将出现负的部分。如图3.23为电感负载、=900时的情况。三相桥式全控整流电路在电感负载时，输出电压ud的波形在一个周期内为均称的六段，计算输出平均电压时，可计算任意1/6周期的平均值.在600的情况下计算公式如下，式中 Ud0控制角=0时的最大输出平均电压。22dab66206

28、32sin()261.35cos2.34coscoslldUe d tEtd tEEU1133551162424662eaeaebece2tt1t0t2t3t4t5t6eabeacebcebaecaecbeabeactud00afedcbgh0ugug1ug3ug5ug10ugug6ug2ug4ug6ug1ug3ug5ug1ug2ug4ug6ug2tt图3.20 控制角=0时电压波形eaebecidudVS1VS3VS5VS6VS2VS4R图3.19 三相桥式全控整流电路L1133551162424662eaeaebece2tt1t0t2t3t4t5t6eabeacebcebaecaecbea

29、beact00afedcbgh0ugug1ug3ug5ug10ugug6ug2ug4ug6ug1ug3ug5ug1ug2ug4ug6ug2ttud30图3.21 控制角= 30时电压波形eaebecidudVS1VS3VS5VS6VS2VS4R图3.19 三相桥式全控整流电路L11335516242466eaeaebece2tt1t0t2t3t4t5t6eabeacebcebaecaecbeabeact00afedcbgh0ugug1ug3ug5ug10ugug6ug2ug4ug6ug1ug3ug5ug2ug4ug6tt60ud图 3.22 控 制 角 = 60时 电 压 波 形1133551

30、6242466eaeaebece2tt1t0t2t3t4t5t6eabeacebcebaecaecbeabeact00afedcbgh0ugug1ug3ug5ug10ugug6ug2ug4ug6ug1ug3ug5ug2ug4ug6ttud90图3.23 控制角= 90时电压波形eaebecidudVS1VS3VS5VS6VS2VS4R图3.19 三相桥式全控整流电路L励磁系统中的整流电路 对电阻负载，在60时输出电压波形连续，平均电压仍用式（3.11）计算。当60时输出电压波形出现间断，这时输出平均电压为。可见，当=120时，Ud=0，所以电阻负载的最大移相范围为0120。 5566dab66

31、632sin()261.351 cos3llUe d tEtd tE励磁系统中的整流电路 2、逆变工作状态在90时，输出平均电压Ud则为负值，三相桥式全控整流电路工作在逆变状态，将直流转变为交流。在同步发电机励磁装置中，如采用三相桥式全控整流电路，当发电机内部发生故障时能进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈给交流电源，实现快速灭磁，以减轻发电机损坏的程度。此外，发电机在运行中发生过电压，亦可调节控制角（使90），使整流电路进入逆变状态，实现快速减磁。 在三相桥式全控整流电路中常将=180-叫作逆变角。 3逆变失败与最小逆变角由三相桥式全控整流电路工作特点可知，90是逆变区，全控

32、桥输出直流平均电压为负，当=180时负值最大。负电压值越大，表示能量返送电网的速度越快。但实际上全控桥不能工作在=180工况，必须留出一定的裕度角，否则会造成逆变失败或颠覆 1.35cos(180)1.35coslluEE 励磁系统中的整流电路113355624246eaeaebece2tt1t0t2t3t4t5eabeacebcebaecaecbeabeactul00afedcbgh0ugug1ug3ug50ugug6ug2ug4ug1ug3ug5ug2ug4ug6tt3.25 控制角由0转180电压波形励磁系统中的整流电路 3逆变失败与最小逆变角在工程实际中不允许

33、将控制角调至180，即必须限制逆变角不小于极小值min，也就是说控制角不能大于180-min。最小逆变角可由下式决定：min+式中 代表换流时的换流角，或称换相重迭角，一般为1520；代表可控硅关断时间相对应的电角度，一般约45。根据经验min=3035。因此，当需要发电机快速灭磁时，要把控制角限制在=145150范围，以确保逆变成功。三相桥式全控整流电路输出特性Ud=f（）如图3.26所示。图中曲线1为三相桥式半控整流电路输出特性。 励磁系统中的整流电路整流区逆变区0306090120150180ud3121半控；2全控（电阻负载）；3全控（电感负载）图3.26 三相桥式半控、全控整流电路输

34、出特性励磁系统中的整流电路 整流电路的换流压降及外特性整流电路的换流压降及外特性在前面分析整流电压过程中，忽略了各相交流电路中的电感，认为晶闸管在换流过程中其电流能突变。但实际上整流电路各相交流回路中存在电感，因此相间换流不是瞬间突变完成的，存在着前一相的电流从Id逐渐降至零，后一相的电流从零逐渐上升到Id的相间换流过程。这段换流期间对应的电角度称为换流角 。只要小于60，整流桥总是处于两臂导通与三臂导通的交替工作状态，简称2-3工作状态。在换流过程中相邻两相的电流是变化的，因此该变化的电流就会在相应回路的电抗上引起电压降，从而造成输出电压ud的波形出现新的缺口，导致输出电压平均值Ud减少。

35、Kd0Kd331.35coscosdldUEX IUX I11335516242466eaeaebece2tt1t2id000ugug1ug3ug5ug10ugug6ug2ug4ug6ug1ug3ug5ug1ug2ug4ug6ug2tttug5ug656iciaibiciaiaicibib图3.27 换流过程中电压、电流波形=60VS1VS2VS3eaebecLLLiaibicIdi图3.28 换流期间的等值电路K3XRUddI0cosdU0dUdI1dU2dU1dI2dI1201cosdU02cosdU图3.29 三相全控桥的等值电路和外特性(a)等值电路(b)外特性3励磁调节器工作原理 励

36、磁调节器的主要任务就是根据检测到的发电机电压、电流及其它状态信号，按照给定的调节准则自动调节励磁功率单元的输出，从而维持发电机端电压和实现并联机组间无功功率的合理分配。 励磁调节器的工作过程简述如下：当发电机端电压升高时，经测量单元得到的发电机端电压UG与整定值UREF比较，输出正比于发电机电压偏差U，U再与调差单元的输出UQ综合得出综合偏差E。控制算法根据综合偏差E按给定的调节准则形成控制量作用于移相触发单元，使晶闸管的控制角增大，减小励磁功率回路的输出即励磁电压和励磁电流，使发电机电压下降到正常值。反之，UG降低，减小，增大励磁使UG上升到正常值。 励磁调节器工作原理图3.30 励磁调节器

37、原理框图励磁调节器工作原理图3.31微机励磁调节器硬件原理框图励磁调节器工作原理 测量单元 模拟量主要包括：发电机机端电压、发电机并列母线电压（或称系统电压）、发电机有功功率、无功功率、功率因数、发电机频率、励磁电流和励磁电压。（1）电压、电流量计算 若取N=12，即一个周期内采样12点，则根据傅氏采样算法，基波信号的实部和虚部分别为 式中 U0U11对应时刻的采样值。R061115721048I392481015711131622131622UUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUU 22mI1IRtgRUUUUU励磁调节器工作原理 (2) 有功与无功功率计算 (3) 开关量测量 励磁系统

38、中需要采集的开关量主要包括：发电机出口主断路器接点、发电机保护出口继电器、发电机灭磁开关接点、开停机信号、增减磁信号、功率单元局部故障信号（风机停机，快速熔断器熔断，晶闸管温度过高等）和运行方式转换信号等。 ARARAI AIBRBRBI BICRCRCI CI12PUIU IUIU IUIU IAI ARARAIBI BRBRBICI CRCRCI12QU IUIU IUIU IUI励磁调节器工作原理VCVCC图3.32 开关量采集励磁调节器工作原理移相触发单元 移相触发单元的任务，是将PID调节单元输出控制信号uc的变化，转变为脉冲相位的变化，并以此脉冲触发三相全控整流桥（即励磁系统的功率

39、输出部分）的晶闸管，使其控制角随uc的变化而改变，从而达到自动调节励磁的目的。 励磁调节器工作原理移相触发单元 同步信号取自三相全控整流装置的主回路。对三相可控整流桥而言，就是要求每次加在晶闸管控制极上的触发脉冲，都应在该晶闸管承受正向电压的一定时刻发出。同时，当控制电压一定时，每相每个周期送出的第一个触发脉冲，对应于该相阳极电压的时刻都应相同，即控制角相同。 晶闸管触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系，即称为同步。通常的做法是从主回路引一个与其电源电压有一定相位关系的电压信号至移相触发单元，这个电压信号称为同步电压或同步信号，一般经过同步变压器获得。同步变压器的作用，是将主回路的电压变换成

40、在相位、相数以及幅值等各方面均能满足触发电路要求的同步电压。 励磁调节器工作原理对移相触发单元有下列基本要求：（1）各相触发脉冲必须与整流桥主回路的电源同步，既具有相同的频率并保持一定的相位关系。（2）为确保晶闸管可靠和准确的触发，要求触发电路应有足够大的功率输出，且触发脉冲的前沿上升要陡（一般在10s左右），并具有足够的幅值和宽度。（3）触发脉冲的移相范围及数目，应能满足晶闸管整流桥和调节器调压范围的要求。（4）在整个移相范围内，各相触发脉冲的控制角应保持一致，以减小整流桥输出电压的谐波分量，以及避免在逆变运行时出现直通故障。一般要求各相触发脉冲的相位偏差不大于10（在全控桥中不大于5），同

41、相桥臂晶闸管触发角相差不大于2。（5）为了避免反向击穿，晶闸管的控制极不应出现反向电压。 （6）为确保安全，触发电路应与处于高电压的主电路互相隔离。（7）具有较强的抗干扰能力，在允许的电网电压波动和波形畸变 励磁调节器工作原理 同步电压整形电路 同步电压整形电路的任务是：将同步变压器TB的二次侧电压整形成同频率，同相位的方波，其上升沿作为控制角的计时起点，也就是自然换流点。分为单相式电路和三相式电路 励磁调节器工作原理+-YBAeac*LM339AB，Y=0AB，Y=1图 3.34 单相同步电压整形电路TB励磁调节器工作原理eaeaebece2teact00afedcbght1t0t2t3t4

42、t5t60ugug1ug3ug5ug1ug2ug4ug6ug2tT/6T/6T/6T/6T/6T/6Tu2uact图3.35 单相同步整形电路波形图励磁调节器工作原理1ea eb ec 整形电路反相器 35462&图3.36 三相同步整形电路图励磁调节器工作原理eaeaebece2teacebaecbeact00afedcbghu20ugug1ug3ug5ug1ug2ug4ug6ug2tuacubaucbttt图3.37 三相式同步整形电路波形图励磁调节器工作原理励磁调节器脉冲分配+ E晶闸管功率放大图3.38 脉冲功率放大电路励磁调节器工作原理coscykuarccos()cku移相

43、原理 在PID调节运算结束后，就得到了控制电压uc,然后再根据控制电压uc 计算出晶闸管触发角。由于触发角和控制电压成余弦关系，可以表示为数字移相是把确定的晶闸管触发角折算为对应的延时t，然后再将t折算为对应的计数脉冲个数N。将触发角折算为计数值N的公式为360cNTf T为阳极电压周期fc为计数器脉冲的频率励磁调节器工作原理 脉冲形成及脉冲功率放大 触发脉冲有两种形式。一种是宽脉冲，另一种是双窄脉冲。由于宽脉冲触发对脉冲功率放大电路要求更高，在装置中很少被选用。双窄脉冲是在向某一桥臂晶闸管送一个窄脉冲时，同时向前一桥臂晶闸管补送一个窄脉冲，分别触发共阳极组和共阴极组的晶闸管。这样每隔60就产

44、生一对脉冲，经过脉冲功率放大后分别触发相应的晶闸管，满足了全控桥对双脉冲触发的要求，双脉冲的形成有两种方式，一种是由微机直接输出双脉冲，另一种是通过脉冲分配电路将微机输出的单脉冲转化为双脉冲（如图3.38） 调节与控制的数学模型 1、调节算法对于连续PID算法有在励磁控制系统中，比例调节是按电压偏差值的大小成比例地改变主回路晶闸管的触发角度，从而改变励磁电流，以维持机端电压为恒定。实际调节效果一般仍有一定偏差，其偏差大小主要与放大倍数有关，放大倍数越大，偏差越小。积分调节是根据电压偏差的积分调节励磁电流，调节的结果使偏差减小，理想积分调节可以使调节误差为零。微分调节是按预测的电压变化趋势进行调

45、节，可以减小超调量，缩短调整时间，改善调节系统的动态品质，提高系统的稳定性。0( )( )( )( )tPIDde tu tK e tKe t dtKdt00( )( )( )( )( )( )( )1 ( )(1)ktiu tu ke te ke t dtTe ide te ke kdtT调节与控制的数学模型 1、调节算法位置型数字PID控制算式 与过去的状态有关，需要对e(k)进行累加，计算工作量大。由于调节器输出的是控制对象调节机构的位置值，当计算机发生电源消失故障或受到干扰时，将产生不必要的错误动作，导致调节系统严重的事故或波动，为此，必须采取电源消失保护措施或适当的抗干扰措施。增量型

46、数字PID控制算式 0( )( )( ) ( )(1)kDPIiKu kK e kK Te ie ke kT10(1)(1)( ) (1)(2)kDPIiKu kK e kK Te ie ke kT( )( )(1) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)PDIu ku ku kKe ke kKK Te ke ke ke kT调节与控制的数学模型 2、调差计算在电压给定综合点处附加一个与发电机无功功率Q成正比的值，其比例系数即为调差系数，如图3.39。 PIDUG UREFQ_+u_图3.39 调差原理框图REF*G*( )e tUUQG*REF*UUQG1G2REF*G*GNUUUUU励

47、磁调节器的辅助控制励磁调节器的辅助控制 辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是，辅助控制不参与正常情况下的自动控制，仅在非正常工况下，需要调节器具有某些特有的限制功能起相应的控制功能 瞬时电流限制与磁场热容量限制 （1）瞬时电流限制瞬时电流限制器的作用是限制励磁电流的最大值（顶值），以防止超出设计允许的强力倍数，避免励磁功率单元及转子绕组超过极限运行而损坏（2）磁场热容量限制器磁场热容量限制器是一种磁场发热保护。它的作用是防止发电机励磁绕组因励磁电流过大而发生过热。当励磁电流超过额定励磁电流时，随着时间的增加，转子绕组发热升温可能超过允许值。 dti2maxE过热检测器过热电力积分器

48、tTeIErIEmax 整定值选择Tcdti2+-KEI+-过流检测IESS图3.40 瞬时电流限制与磁场热容量限制原理图励磁电流预期值IEmax IEr (1.05IEN)Te(20s) tt IE 工况1工况2图3.41 瞬时电流限制与磁场热容量限制的限制特性励磁调节器的辅助控制励磁调节器的辅助控制 3、最小励磁（欠励）限制器当系统处于小负荷时，为避免电网无功过剩（电容电流增大）而使系统电压升高，利用同步发电机转入进相运行（欠励运行），吸收系统中过剩的感性无功功率，改善系统的电压品质，是一项经济又方便的调压措施。同步发电机欠励运行时，发电机的定子电流由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角（

49、即进相运行），发电机从系统中吸收的感性无功功率随励磁电流的减小而增加。在发电机输出有功功率不变的情况下，随着发电机励磁电流的减小，发电机同步电动势Eq下降，并使功角增大。当发电机同步电动势Eq与系统等值电压U之间的功角超过静稳极限功角时，发电机就不能和系统保持稳定运行。另外，发电机进相过深时，其吸收的无功电流增大，使发电机定子端部合成磁通增加，有可能引起发电机端部过热。总之，为了防止发电机励磁电流过小而引起静态稳定的破坏和发电机的过热，必须对发电机励磁电流的下限值，也就是对发电机的最大进相无功功率或无功电流加以限制。 qEdXGUeTLXXXUqEGUGUI图3.42 发电机-无限大系统(a)

50、等值电路 (b)向量图(a)(b)dqFE2Ged11()2UXX2Ged110()2UXX，ABC0PKQKPQ图3.43 发电机功率圆图励磁调节器的辅助控制励磁调节器的辅助控制 4.电压频率限制器 电压/频率限制器亦称磁通限制器，它的作用是限制发电机端电压和频率的比值，防止发电机及与其连接的主变压器由于电压过高和频率过低，引起铁芯饱和发热。因为磁通量与机端电压和频率之比成正比，所以UGfG愈大，发电机和变压器铁芯饱和愈严重。铁芯饱和，励磁电流就会增加，造成铁芯发热加剧，所以必须加以限制。正常并网运行的发电机， UGfG比值一般不会超过允许值。引起电压过高和频率过低的主要原因有：（1）发电机

51、甩负荷或解列，电枢反应去磁作用减弱而使电压升高；（2）系统事故，如发电机跳闸等使系统处于低频运行；（3）机组空载或启动时过励引起端电压升高等。 保护特性限制特性655t(s)1.061.11.2图3.44 限制与保护动作特性UG/fG励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 在电网上运行的同步发电机，为满足并列运行机组间无功功率的稳定、合理分配，以及保证平稳地投入和退出发电机，不致对系统造成无功冲击，应能调整同步发电机的调节特性（调差特性）。调整的内容包括调差系数的调整和调节特性的平移。在励磁调节器中设置了调差单元和电压整定环节，调差单元用来改变调差

52、系数，电压整定环节则用来平移调差特性。励磁控制系统调节特性发电机的调节特性是指发电机各稳定工况下无功电流IQ （无功功率）与端电压之间的关系曲线，又称为同步发电机的外特性。 G0GNGN100%UUUIQNIQUGUGNUG0图3.45 无功调节特性曲线励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 2. 调差特性的平移 移动发电机的无功调节特性可以改变该发电机所承担的无功负荷。如图3.46所示，假设发电机与无限大母线容量并联运行，母线电压为U不变，若将调节特性从1平移到2的位置，发电机承担的无功电流由IQ1减小到IQ2；如果特性继续下移到3的位置，则发电

53、机输出的无功电流将减小到零，这样机组就可以退出运行，不会对系统造成无功功率冲击。调节特性的平移是通过改变机端电压整定值实现的，发电机端电压整定值增加时，发电机的无功调节特性也随之上移。反之，整定值减小，无功调节特性向下平移。 励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配图3.46 调节特性平移与机组无功功率关系IQ1IQUGUIQ2123励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 1. 一台无差特性的机组与有差特性机组的并联运行一台无差特性的发电机可以和一台或多台正调差特性机组在同一母线上并联运行，但由于无差特性

54、发电机组将承担所有无功功率的变化量，无功功率的分配是不合理的，所以实际中很少采用。 若第二台发电机为负调差特性，这种方式下，运行不稳定。 2. 两台无差调节特性的机组不能并联运行3. 两台正调差特性的发电机并联运行可见，两台正调差特性机组能在公共母线上稳定并联运行，并可维持无功电流的稳定分配，分配比例取决于各机组的调差系数。理想的情况是无功负荷应按机组容量分配，无功负荷增量也应与机组容量成正比。IQUGUUUIQ图3.47 并联运行机组间无功功率的分配IQUGUU图3.48 两台无差特性的机组在同一母线上并联运行励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分

55、配 （1）母线电压变化时无功的变化设无功电流为零时发电机端电压为UG0，无功电流为额定值IQN时发电机端电压为UGN，则机端电压为UG时的无功电流为对应于母线电压UG时的无功电流标幺值为 则母线电压由UG变到UG时的无功电流增量的标幺值为 上式表明，当发电机在公共母线上并联运行时，若系统无功负荷波动引起母线电压波动，则发电机的无功增量与电压偏差成正比，与该机组的调差系数成反比，与给定值无关。式中的负号表示母线电压降低时，发电机无功增加。要使并联机组的无功负荷增量按机组容量分配，则要求各机组有相同的调差系数，即外特性相同。G0GQNG0GNQUUIIUUG0*G*Q*G0*G*G0GNGN1()

56、UUIUUUUUQ*G0*G*1()IUU Q*Q*Q*G*G*G*11()IIIUUU IQUGUGUGIQIQ IQ NUG 0UG N IQ图 3 .5 0 发 电 机 外 特 性IQUGUGUGIQIQIQNUG0UGNIQ图3.50 发电机外特性励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 （2）变动无功负荷在并列运行机组之间的分配设总无功功率增加时，公共母线上的电压变化标幺值为U*，则据式（3.79）第i台机组的无功功率增量 。 *12NNNNnQQQQQQQ*N1iiiiQQUQ *1iiNiQUQ n*=1=1=11nniNiiNiiii

57、iQQQU QU *=1=1n=111nniNiNiiiNiiQQUUQQQ =1n=1niNiiNiiQQ式中为等值调差系数励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 4. 发电机经升压变压器后并联运行 如图3.51（a）所示，发电机经升压变压器后在高压侧母线与系统并联运行，这时发电机发出的无功电流流经变压器，在变压器漏抗上产生压降，将使发电机对高压母线的调差特性向下倾斜程度加大，不利于维持高压母线电压水平，如果发电机具有负调差特性，如图3.51（b）中曲线1所示，则考虑到变压器压降IQXT 后，发、变组对高压母线的整体调差特性是下倾的，如图3.51

58、（b）中曲线1，这样不仅能稳定并联运行，同时其倾斜度较小，有利高压母线电压稳定。设总无功功率增加时，公共母线上的电压变化标幺值为U*，则据式（3.79）第i台机组的无功功率增量综上所述，机端直接并联运行的发电机应具有正调差特性，无功负荷的分配与调差系数成反比；要按机组容量分配无功功率，发电机必须具有相等的调差系数。以发电机变压器组形式并联运行的发电机，应具有负的调差系数，以维持高压母线电压稳定。 T2G1G2T1IQUGUG1UG2IQ1IQ2IQ1XT1IQ2XT1（a）（b）图3.51 发电机经升压变压器后并联运行11 灭磁及过电压保护 灭磁系统的作用是当发电机内部及外部发生诸如短路、接地

59、等事故时迅速切断发电机的励磁，并将储存在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中。目前主要有耗能型和移能型两种方式的灭磁装置。耗能型灭磁装置的原理是将磁能消耗在灭磁开关中，而移能型灭磁装置是将磁场能量转移到耗能元件线性或非线性电阻中。（1）灭磁装置动作后，应使发电机最终剩磁低于能维持短路点电弧的数值。（2）灭磁过程中，发电机转子励磁绕组所承受的灭磁过电压不超过规定的倍数。（3）灭磁时间尽可能短。理论上，理想灭磁过程为：在保证灭磁过电压不超过转子励磁绕组容许值的前提下，励磁电流保持最大速度衰减，直到灭磁过程结束。 。 GabRdc灭磁开关整流器图3.52 发电机灭磁系统原理图 灭磁及过电压保护 1. 线性电阻灭磁 灭磁电阻R取得越大，灭磁速度就越快，但它的数值过大使励磁绕组承受过高电压。一般取R为Rf的56