同步发电机励磁自动控制系统(1)

1、North China Electric Power University第三讲 同步发电机励磁自动控制系统（1）主讲人：李岩松North China Electric Power Universitypage22022-3-8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。North China Electric Power Universitypage32022-3-8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

2、电流的函数。改变励磁电流就可以影响同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。步发电机在电力系统中的运行特性。qEqE在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力在某些故障情况下，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，要系统稳定水平下降，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求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。平及稳定性。 电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要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。影响电网的电

3、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、提高电力系统运行的可靠性方面均起到十分重要的合理分配、提高电力系统运行的可靠性方面均起到十分重要的作用。作用。North China Electric Power Universitypage42022-3-8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。反馈控制系统。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

4、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North China Electric Power Universitypage52022-3-8一一 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、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

5、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North China Electric Power Universitypage62022-3-8 负荷的无功电流是造成负荷的无功电流是造成 之间幅值差的主要原因之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压水平的任务G GEFUEFIGUGIGEWGEWqEGUGIdXqEGUGIdGXjIdQXjIPIQIG等值等值dGGqXI jUEdQGGqXIUEcosdQGqXIUE1cosGqEGUNorth China

6、 Electric Power Universitypage72022-3-81 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维持发电机端电压为设定值的 注：改变发电机的励注：改变发电机的励磁电流一般都不直接在磁电流一般都不直接在发电机的转子回路中进发电机的转子回路中进行，而是行，而是改变励磁机的改变励磁机的励磁电流的方法来达到励磁电流的方法来达到调节目的调节目的。原因是转子。原因是转子回路的电流很大，不易回路的电流很大，不易直接调整。直接

7、调整。North China Electric Power Universitypage82022-3-82 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发电机发出的有功功率只受调速器控制率只受调速器控制consantXUEPdGqGsinconsantUG1cosKIG2sinKEqNorth China Electric Power Universitypage92022-3-82 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

8、联运行发电机励磁电流变化只是改变了机组的无功功率和功率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角 值的大小。值的大小。与无穷大母线并联运与无穷大母线并联运行的机组，调节励磁行的机组，调节励磁电流就可以改变发电电流就可以改变发电机的无功功率机的无功功率G GGU= 常数= 常数GINorth China Electric Power Universitypage102022-3-82 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并联发电机组无功功率

9、分配取决于各发电机的外特性，曲线越平于各发电机的外特性，曲线越平坦的机组其无功电流的增量越大坦的机组其无功电流的增量越大通常希望发电机组间的无功功率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单纯把并联所有机组的外特性做成相同是不可能的做成相同是不可能的调节励磁可以任意改变调节励磁可以任意改变外特性曲线的斜率以达外特性曲线的斜率以达到合理分配无功的目的。到合理分配无功的目的。North China Electric Power Universitypage112022-3-83 3 提高同步发电机并联运行的稳定性提高同步发电机并

10、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异步运行又自动牵入同步，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

11、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年苏联学年苏联学者维者维.柯柯.维尼柯维尼柯夫夫电力系统电力系统机电过渡过程机电过渡过程North China Electric Power Universitypage122022-3-8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年美国学者年美国学者拜金利及金巴克主拜金利及金巴克主编论文集编论文集大规模大规模电力系统稳定性电力系统稳定性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

12、）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电力系统分会的冬季会议上重新对电力系统稳定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

13、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线性化方程来描述系统过渡过程所加的干扰使得不能用系统的线所加的干扰使得不能用系统的线性化方程来描述系统过渡过程性化方程来描述系统过渡过程North China Electric Power Universitypage132022-3-8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为委员会联

14、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North China Electric Power Universitypage142022-3-8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：把原来的注：把原来的静态稳定（小静态稳定（小扰动稳定性）扰动稳定性）和

15、暂态稳定性和暂态稳定性（大干扰稳定（大干扰稳定性）合起来统性）合起来统称为功角稳定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。增长，也可能是增幅振荡。分析时间为分析时间为1020s静态稳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

16、的低频振荡而失步增幅的低频振荡而失步North China Electric Power Universitypage152022-3-8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总量出现了不平衡。表现在电压持续下降能提供的总量出现了不平衡。表现在电压持续下降（或上升），又称（或上升），又称“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，发电机的励磁控制产

17、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），常常是出现电压不稳定的直接原因。制退出），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

18、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North China Electric Power Universitypage162022-3-8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。取决于系统在切除最大可能切除的负荷后是否能够恢复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荷之间的平衡。出力与负荷之间的平衡。2 频率发生不稳定时，潮流、电压及其他变量

19、会出现频率发生不稳定时，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，造成更大的波动，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。多机组或负荷的切除。这种情况出现在大系统因失步这种情况出现在大系统因失步而解列为数个孤立系统而解列为数个孤立系统，在这些系统中，发电机之间，在这些系统中，发电机之间的稳定不是问题，的稳定不是问题，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

20、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North China Electric Power Universitypage172022-3-8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电力系统安全电力系统安全稳定导则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器及元件动态，并分析它

21、在暂态过程后能否趋于或者接近原来稳定工况的能力。接近原来稳定工况的能力。North China Electric Power Universitypage182022-3-8励磁对静态稳定性的影响励磁对静态稳定性的影响GT1T1T2T2L LsinXUEPqqEdX1TXlX2TXUo90o90调节励磁系统使得调节励磁系统使得 为常数为常数E 励磁调节系统可以励磁调节系统可以有效提高系统的静态有效提高系统的静态稳定极限稳定极限North China Electric Power Universitypage192022-3-8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

22、（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 L 励磁系统的作用体现在使励磁系统的作用体现在使得发电机内电势上升而增加电得发电机内电势上升而增加电功率输出，提高了功率极限，功率输出，提高了功率极限，从而减小加速面积，增加了减从而减小加速面积，增加了减速面积，提高了暂态稳定性速面积，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North China Electric Power Universitypage202022-3-84

23、 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的同步发电机提供大量的无功功率，以维持其运行率，以维持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North China Electric Power

24、Universitypage212022-3-85 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电流不调整不调整发电机端电压上升而危及发电机端电压上升而危及定子绝缘定子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North China Electric Power Universitypage222022-3-8二二 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

25、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North China Electric Power Universitypage232022-3-81 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、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维持发电机电压在给定的水平3、励

26、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、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、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高暂态稳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、励磁调节器能够长期可靠工作，具有高可靠性North China Electric Power Universitypage242022-3-82 2 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求1、要求

27、励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调、要求励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调节容量。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单元应该具有较大的强励能力强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 供的最供的最高输出电压值。高输出电压值。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

28、倍数强励倍数，一般为，一般为1.62North China Electric Power Universitypage252022-3-8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，机组容量增大，机械整流困难，大功率半导体技术成熟大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North China Electric Power Universitypage262022-3-81 1 直流励磁机励磁系统

29、直流励磁机励磁系统自励型自励型G G励磁调节器励磁调节器EFIRCIAVRIEEWEEWDEDETVTV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North China Electric Power Universitypage272022-3-81 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励磁调节器励磁调节器RCIPEPEEFIAVRIDEDETVTV与自励型相比，多了一台副励磁机，时间常数小，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。提高了励磁系统的电压增长速率。North China Electric Po

30、wer Universitypage282022-3-82 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North China Electric Power Universitypage292022-3-82 2 交流励磁机励磁系统交流励磁机励