励磁控制系统与电力系统稳定

1、1励磁控制系统与电力系统稳定励磁控制系统与电力系统稳定2006年年9月月2一、发电机励磁控制的作用一、发电机励磁控制的作用1 从发电厂角度从发电厂角度调节发电机的机端电压调节发电机的机端电压调节发电机的无功功率调节发电机的无功功率多台发电机之间的无功功率分配（多台发电机之间的无功功率分配（AQC）安全可靠运行安全可靠运行32 从电力系统角度从电力系统角度提高系统的静态稳定性提高系统的静态稳定性提高系统的暂态稳定性提高系统的暂态稳定性改善系统的电压稳定性改善系统的电压稳定性二次电压控制二次电压控制安全可靠运行安全可靠运行4二、励磁系统分类二、励磁系统分类1 三机励磁系统三机励磁系统UffUz1U

2、z2UfIfIffVgAVRPg Qg组成：组成： 副励磁机副励磁机 小功率可控硅整流桥小功率可控硅整流桥 主励磁机主励磁机 大功率二极管整流柜大功率二极管整流柜 自动电压调节器（自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 他励，励磁电源不受系统电源的影响他励，励磁电源不受系统电源的影响缺点：缺点： 调节速度慢，轴系长度长，易引发轴调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡系振荡52 三机励磁系统改进型三机励磁系统改进型组成：组成： 副励磁机副励磁机 小功率二极管整流桥小功率二极管整流桥 主励磁机主励磁机 大功率可控硅整流柜大功率可控硅整流柜 自

3、动电压调节器（自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 励磁电源不受系统电源的影响，调节速度快励磁电源不受系统电源的影响，调节速度快缺点：缺点： 需大功率整流柜，增加主励磁绕组的灭磁与需大功率整流柜，增加主励磁绕组的灭磁与过电压保护过电压保护UffUz1Uz2UfIfIffVgAVRPg Qg63 开关式三机励磁系统开关式三机励磁系统组成：组成： 副励磁机副励磁机 小功率二极管整流桥小功率二极管整流桥 IGBT+续留二极管续留二极管 主励磁机主励磁机 大功率二极管整流柜大功率二极管整流柜 自动电压调节器（自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭

4、磁开关与过电压保护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 他励，模拟式励磁简单他励，模拟式励磁简单缺点：缺点： 增加了硬件复杂性，可靠性降低，不能逆变增加了硬件复杂性，可靠性降低，不能逆变灭磁灭磁UffUz1Uz2UfIfIffVgAVRPg Qg74 二机励磁系统二机励磁系统组成：组成： 励磁变压器励磁变压器 小功率可控硅整流桥小功率可控硅整流桥 主励磁机主励磁机 大功率二极管整流柜大功率二极管整流柜 自动电压调节器（自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 取消副励磁机，轴系长度缩短取消副励磁机，轴系长度缩短缺点：缺点： 调节速度慢调

5、节速度慢UffUz2UfIfIffVgAVRPg Qg85 带自励恒压的二机励磁系统带自励恒压的二机励磁系统组成：组成： 励磁变压器励磁变压器 小功率可控硅整流桥小功率可控硅整流桥 主励磁机主励磁机 大功率可控硅整流柜大功率可控硅整流柜 自励恒压调节器和自动电压调节自励恒压调节器和自动电压调节器（器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 响应速度快响应速度快缺点：缺点： 结构复杂结构复杂UffUz2UfIfIffVgAVRPg Qg自励恒压调节器96 带开关管的二机励磁系统带开关管的二机励磁系统组成：组成： 副励磁机副励磁机 小功率二极管整流桥小功率二

6、极管整流桥 IGBT+续留二极管续留二极管 主励磁机主励磁机 大功率二极管整流柜大功率二极管整流柜 自动电压调节器（自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 模拟式模拟式AVR可以简化（同步、脉冲移相可取可以简化（同步、脉冲移相可取消）消）缺点：缺点： 增加结构复杂性，可靠性降低增加结构复杂性，可靠性降低UffUz1Uz2UfIfIffVgAVRPg Qg107 自并励系统自并励系统组成：组成： 励磁变压器励磁变压器 大功率可控硅整流柜大功率可控硅整流柜 自动电压调节器（自动电压调节器（AVR） 起励设备起励设备 转子绕组灭磁开关与过电压保

7、护转子绕组灭磁开关与过电压保护优点：优点： 结构简单、响应速度快、轴系短结构简单、响应速度快、轴系短缺点：缺点： 强励时会受系统电压的影响强励时会受系统电压的影响UffIfVgAVRPg Qg118 直流励磁系统组成：组成： 副励磁机 小功率可控硅整流桥 直流主励磁机 自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护应用场所：应用场所： 小容量机组Uz1AVRUfIfVgPg Qg129 开关式直流励磁系统组成：组成： 直流主励磁机 IGBT+续流二极管 自动电压调节器（AVR） 转子绕组灭磁开关与过电压保护应用场所：应用场所： 中、小容量机组AVRUfIfVgPg Qg13三、励磁系统

8、控制过程三、励磁系统控制过程1 三机励磁系统控制过程三机励磁系统控制过程 数学关系数学关系 n永磁机的输出三相电压永磁机的输出三相电压n经过可控硅整流，整流器的输出平均电压为经过可控硅整流，整流器的输出平均电压为n输出的直流电流为输出的直流电流为)32sin()32sin(sintUUtUUtUUmcmbmacos35. 1)()6sin(3326mmdUtdtUURUIdd14n考虑到交流回路电抗考虑到交流回路电抗XK引起的电压损失，整流电路输出电压的平均值为引起的电压损失，整流电路输出电压的平均值为n设励磁机放大倍数为设励磁机放大倍数为Kf，三相电压再经过整流，得到发电机的励磁电压，三相电

9、压再经过整流，得到发电机的励磁电压n若发电机的放大倍数为若发电机的放大倍数为KG，可以得到机端电压，可以得到机端电压Vg与励磁电压与励磁电压Efd的关系为的关系为dkmdIXUU3cos35. 1fkdffdIXUKE335. 1fdEKVGg152 自并励励磁系统的控制过程自并励励磁系统的控制过程 数学关系数学关系 n可控整流的输入为机端电压和电流可控整流的输入为机端电压和电流n经过可控硅整流，整流器的输出平均电压为经过可控硅整流，整流器的输出平均电压为n若发电机的放大倍数为若发电机的放大倍数为KG，可以得到机端电压，可以得到机端电压Vg与励磁电压与励磁电压Efd的关系为的关系为)32sin

10、(2)32sin(2sin2tUUtUUtUUmgcmgbmgafkabfdIXUE3cos35. 1fdGgEKV 163 励磁系统控制脉冲波形17四、励磁控制在系统稳态运行时的基本功能四、励磁控制在系统稳态运行时的基本功能 1保证发电机机端电压调节精度保证发电机机端电压调节精度 静态误差静态误差定义：稳态运行条件下发电机端电压的要求值与 实际值之差静差分类：n当系统仅仅受到输入信号的作用而没有任何扰动时的静差输入信号引起的偏差n输入信号为零而有扰动作用于系统时引起的静差扰动引起的静差18系统误差的定义 Vref：机端电压参考输入Vg： 发电机端电压实际值G(s)：励磁机、发电机传递函数F(

11、s)：AVR的传递函数G(S)F(S)AVRX(t)=Vrefe(t)b(t)y(t)= Vg19误差：误差：静态误差：静态误差：静态误差系数：静态误差系数： 从输入信号从输入信号x(t)到误差信号的传递函数为到误差信号的传递函数为 式中式中 G0(s)=G(s)F(s)是系统的开环传递函数是系统的开环传递函数)()()(tbVteVVterefgref)(lim)(0tetetss)(11)()(11)()(0sGsFsGsxse20n由由Laplace变换终值定理有变换终值定理有n若输入信号为单位阶跃，即若输入信号为单位阶跃，即n定义误差系数定义误差系数n则有则有)(1)(lim)(lim

12、)(lim0000sGssxsseteesstss)(11lim1)(00sGessxsss)(lim00SGKtppssKe11)(lim00SGKtp21通常励磁机和发电机和励磁控制器的开环传函可表示为通常励磁机和发电机和励磁控制器的开环传函可表示为0型系统，即型系统，即因此因此 K为系统的开环放大倍数为系统的开环放大倍数若若K1，则有，则有发电机励磁系统的静态误差的大小与开环放大倍数成反比。发电机励磁系统的静态误差的大小与开环放大倍数成反比。) 1() 1)(1() 1() 1)(1()(21210sTsTsTssssKSGmvmKeKSGKsstp11)(lim00Kess1222保证

13、并联运行发电机组间无功负荷合理分配保证并联运行发电机组间无功负荷合理分配 调差系数调差系数调差系数的定义 U1：发电机空载电压 U2：额定无功电流时发电机端电压 Ufe：发电机额定电压 %10021feUUUU1UfUfe =U2IQIQe23调差系数与无功负荷的关系 0：正调差，即发电机输出无功增加时，端电压下降UfIQ024调差系数的整定：调差系数的整定：发电机直接与系统母线电压相联发电机直接与系统母线电压相联 应整定为正调差系数应整定为正调差系数发电机经变压器与系统母线电压相联发电机经变压器与系统母线电压相联 对对Uf应整定为负调差应整定为负调差 但对但对UT仍然是正调差仍然是正调差注意

14、：发电机调差系数的大小严重影响电力系统中无功功率分布和网注意：发电机调差系数的大小严重影响电力系统中无功功率分布和网损，因此从理论上应由调度部门从全系统出发给出最合理的调差损，因此从理论上应由调度部门从全系统出发给出最合理的调差系数值。系数值。UfUT25五、励磁调节对电力系统小干扰稳定性的影响五、励磁调节对电力系统小干扰稳定性的影响定义：电力系统在遭受小干扰后，维持同步运行的能力。定义：电力系统在遭受小干扰后，维持同步运行的能力。小干扰：小干扰：系统的响应分析可以由线性化系统确定系统的响应分析可以由线性化系统确定电力系统不稳定结果表示为两个方面：电力系统不稳定结果表示为两个方面：n由于缺少同

15、步转矩，发电机功角逐步增大直至失稳由于缺少同步转矩，发电机功角逐步增大直至失稳n由于缺少阻尼转矩，发电机功角逐步增大直至失稳由于缺少阻尼转矩，发电机功角逐步增大直至失稳tt26发电机励磁控制系统小干扰分析的基础发电机励磁控制系统小干扰分析的基础)(1)(10fdddqdqemuIxxETEPPH27基本结论基本结论n当发电机与系统的外接电抗较小，并且发电机的输出当发电机与系统的外接电抗较小，并且发电机的输出功率较低时，系数功率较低时，系数K5K5为正，这时为正，这时AVRAVR的作用是引入了一的作用是引入了一个负的同步转矩和一个正的阻尼转矩。个负的同步转矩和一个正的阻尼转矩。n当发电机与系统的

16、外接电抗较大，并且发电机的输出当发电机与系统的外接电抗较大，并且发电机的输出功率较高时，系数功率较高时，系数K5K5为负，这时为负，这时AVRAVR的作用是引入了一的作用是引入了一个正的同步转矩和一个负的阻尼转矩。个正的同步转矩和一个负的阻尼转矩。n解决这问题的方法是附加控制，即电力系统稳定器，解决这问题的方法是附加控制，即电力系统稳定器，或线性最优励磁控制器等各种智能控制器。或线性最优励磁控制器等各种智能控制器。28六、电力系统稳定器（六、电力系统稳定器（PSS） PSS基本功能是通过引入附加信号控制励磁，以提供正的阻尼矩阵，抑制电力系统的振荡。n首先知道系统的振荡频率n计算PSS需补偿的相

17、位和增益n设计相位超前环节n仿真与实验注意：对于不同的振荡频率，需要有不同的相位补偿和注意：对于不同的振荡频率，需要有不同的相位补偿和增益。增益。29七、励磁调节对电力系统大干扰稳定性的影响七、励磁调节对电力系统大干扰稳定性的影响暂态稳定性的定义和概念暂态稳定性的定义和概念定义：定义：在电力系统遭受大扰动时，如输电设备上在电力系统遭受大扰动时，如输电设备上的故障、发电机跳闸或失掉大的负荷等，电力的故障、发电机跳闸或失掉大的负荷等，电力系统保持同步的能力。系统保持同步的能力。特点：特点：在电力系统遭受大扰动时，由于系统的电在电力系统遭受大扰动时，由于系统的电压、电流、有功、无功、发电机转子角等的

18、摆压、电流、有功、无功、发电机转子角等的摆动幅度较大，因此不能用线性化方法来研究它。动幅度较大，因此不能用线性化方法来研究它。概念：概念：等面积定则等面积定则30P.limccr0mIIP0PIPIIIPTPbcedaIIP0mIIIP等面积定则等面积定则 1)1)加速面积与减速面积加速面积与减速面积: : P PT T P Pe e：加速面积：加速面积 P PT T P Pe e：减速面积，最大可能减速面积：减速面积，最大可能减速面积 2)2)等面积定则：加速面积和减速面积相等等面积定则：加速面积和减速面积相等 (a)(a)最大可能减速面积最大可能减速面积加速面积，加速面积， 稳定。稳定。

19、(b)(b)最大可能减速面积加速面积，不稳定。最大可能减速面积加速面积，不稳定。 (c)(c)加速面积加速面积= =减速面积减速面积, ,临界稳定。临界稳定。Pcr0mIIP0PIPIIIPTPbcedaIIP0mIIIP31在电力系统中，应用发电机励磁改善电力在电力系统中，应用发电机励磁改善电力系统的暂态稳定性有两条途径：系统的暂态稳定性有两条途径：l增加发电机的强励能力，可以减少发电机的加速面积和增加发电机的减速面积l基于发电机的非线性动态方程设计发电机的非线性励磁控制32八、励磁调节对电力系统电压稳定性的影响八、励磁调节对电力系统电压稳定性的影响定义：定义：电压稳定性是一个电力系统在正常

20、条件下电压稳定性是一个电力系统在正常条件下受扰动后，维持系统中所有母线电压在可接受受扰动后，维持系统中所有母线电压在可接受水平的能力。水平的能力。分类：分类：（a）暂态电压稳定性：当系统发生短路、失去大负荷或机组电源扰动下，系统维持电压的能力。（b）静态电压稳定性：当系统发生小扰动后，系统维持电压的能力。33电压稳定性分析的目的：电压稳定性分析的目的：（a）电压不稳定的接近程度：）电压不稳定的接近程度： 系统离电压不稳定有多近？系统离电压不稳定有多近？（b）电压不稳定的机理：）电压不稳定的机理： 怎么及为何发生不稳定？怎么及为何发生不稳定？ 引发不稳定的关键因素是什么？引发不稳定的关键因素是什

21、么？ 哪里是电压的薄弱环节？哪里是电压的薄弱环节？ 什么措施对改善电压稳定最有效？什么措施对改善电压稳定最有效？34发电机无功功率调节特性发电机无功功率调节特性 在讨论电压稳定性时，必须清楚发电机无在讨论电压稳定性时，必须清楚发电机无功功率调节特性，即无功与电压的功功率调节特性，即无功与电压的VQ关系。关系。 电枢电流极限（定子绕组发热）电枢电流极限（定子绕组发热） 励磁电流极限（转子绕组发热）励磁电流极限（转子绕组发热）35发电机励磁电流限制器的影响发电机励磁电流限制器的影响 保护发电机，防止发电机烧坏保护发电机，防止发电机烧坏 目前国内很多励磁厂家的调节器中无此环目前国内很多励磁厂家的调节

22、器中无此环节，应该要有。国外的励磁调节器重此环节是节，应该要有。国外的励磁调节器重此环节是必不可少。必不可少。36九、励磁系统的保护与限制对稳九、励磁系统的保护与限制对稳定性的影响定性的影响1 强励顶值限制强励顶值限制 影响电力系统暂态稳定性，保护转子绝缘和影响电力系统暂态稳定性，保护转子绝缘和发电机安全。发电机安全。 在任何运行工况下，限制磁场励磁电流不超在任何运行工况下，限制磁场励磁电流不超过允许值的、防止转子过热。当励磁电流超过过允许值的、防止转子过热。当励磁电流超过1.1额定磁场电流，小于强励顶值电流时，按照额定磁场电流，小于强励顶值电流时，按照等效发热原则，强励允许持续时间和强励电流值等效发热原则，强励允许持续时间和强励电流值按反时限规律确定。按反时限规律确定。 372 强励反时限强励反时限 根据转子发热情况决定动作时间，调节励磁根据转子发热情况决定动作时间，调节励磁电流使其恢复到设定值。应当和发电机转子热容电流使其恢复到设定值。应当和发电机转子热容量特性相匹配。量特性相匹配。t30%1.12.0383 励磁电流限制励磁电流限制 影响电力系统的电压稳定性，根据励磁过电流决定动作时间，影响电力系统的电压