电力系统自动化励磁部分

电力系统自动化主讲教师：刘兴杰答疑地点：教一楼3474电力系统电压和无功功率自动控制电力系统电压和无功功率控制的必要性（4.1）电力系统电压和无功功率控制（4.2）同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求（4.3）同步发电机励磁自动控制系统（4.4）比例式励磁控制系统的基本原理（4.5）同步发电机励磁控制系统的静态特性（4.6）同步发电机励磁控制系统的动态特性（4.7）同步发电机微机励磁控制系统（4.8）4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性电力系统电压控制的必要性1）电压偏离对电力用户造成影响2）电压偏离对电力系统造成影响4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性1）电压偏离对电力用户的影响电力负荷中比重最大的是异步电动机，它的转矩与端电压的平方成正比。如果额定电压时最大转矩为100％，当电压下降到90％时，它的最大转矩将下降到额定电压转矩的81％。因此，当电压过低时可使电动机拖动能力下降；使绕组温度上升，加速绝缘老化，严重情况下，甚至使电动机烧毁。电压下降时会使电动机的转速下降，将影响工业产品的产量和质量。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性电炉的用功功率与电压的平方成正比，炼钢厂中的电炉会因电压降低而增加冶炼时间，从而影响产量。电压过低时，照明设备的发光频率和亮度会大幅度下降。电压过高将使所有电气设备绝缘受损；使变压器、电动机等的铁心饱和程度加深，铁心损耗增大，温升增加，寿命缩短。照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化很敏感。电压过高会使白炽灯的寿命大大缩短，电压高于额定值10％，寿命将缩短一半。电压偏离额定值时，日光灯的寿命也会缩短。冲击负荷（如轧钢机等）会引起电压突然下降和恢复，产生电压闪变。电压闪变对冲击负荷附近的用户产生不良影响，如灯光闪烁。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性2）电压偏离对电力系统的影响电厂中的厂用机械（如给水泵、循环水泵、送风机、吸风机、磨媒机等）是由电动机驱动的。电压下降会使电动机转速下降、出力减少，并影响厂用机械的出力。这将直接影响锅炉和汽轮机的运行，严重时会使电厂出力下降，危机电力系统的安全运行。如果电力系统中无功功率严重短缺，电压水平过于低下，使某些枢纽变电站的母线电压运行在临界值之下时，母线电压有一微小下降就会发生负荷消耗的无功功率增加量大于系统向该点提供的无功功率增加量，使无功缺额进一步增大，电压进一步下降。如此恶性循环的结果，会使该枢纽变电站的母线电压下降到很低的水平。这种现象即所谓“电压崩溃”。电压崩溃后，大量电动机自动切除，某些发电机组失步，导致系统解列或大面积停电。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性电力系统无功功率控制的必要性：1）维持电力系统电压在允许范围之内2）提高电力系统运行的经济性3）维持电力系统稳定4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性1）维持电力系统电压在允许范围之内电力系统的电压是靠电力系统中无功功率平衡维持的。要控制电力系统在额定电压运行，就要控制电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时所需消耗的无功功率。如果这个“等于”关系不能满足，电力系统就会偏离额定电压运行。可见，维持电力系统电压在允许范围之内是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性2）提高电力系统运行的经济性电力系统的无功电源除了同步发电机外，还有并联电容器同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。高压输电线路的充电功率相当于在线路上并联了电容器，因此高压输电线路也可以看成无功电源。选用哪种无功电源，将他们配置在何处，如何控制系统中无功电源的出力，是很重要的。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，而且可以提高系统运行的经济性。例如，对于远离负荷中心的电厂，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向负荷输送无功功率，要产生电压损耗（高压线路和变压器上的电压损耗主要由无功功率造成的）和有功功率损耗，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就越大。因此，无功功率一般都尽可能就地、就近平衡。4.1电力系统电压和无功功率控制的必要性3）维持电力系统稳定发电机是电力系统中重要的无功电源，而控制发电机输出无功功率的是发电机的励磁调节系统。在电力系统静态稳定方面，合理地选用自动励磁调节器，可以使发电机出口某一电抗后面的电压维持不变。这相当于将发电机电抗和发电机后的电抗减少至零，从而提高电力系统地静态稳定性。在暂态稳定方面，采用高励磁顶值、快速响应的励磁系统，会使发电机在加速过程中迅速增大励磁电流，从而有效地改善电力系统地暂态稳定性。在现代大型发电机上采用高性能的励磁调节器提高励磁顶值电压和励磁电压上升速度，对提高电力系统稳定有明显的效果。4.3同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务和对它它的基本本要求励磁调节器励磁功率单元发电机励磁系统手动调节给定电压辅助控制信号PTCTULILUGIG同步发电机励磁控制系统构成示意图同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务1-控制电压压单机带负负荷稳定定运行图图同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务1-控制电压压同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务1-控制电压压发电机并并入电力力系统运运行电路路图同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务1-控制电压压同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务2-合理分配配无功功功率合理的体体现：1）每台发电电机发出出的无功功功率数数量要合合理2）系统统电压变变化时，，每台发发电机发发出的无无功功率率增量要要合理同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务2-合理分配配无功功功率发电机接接入无穷穷大系统统接线图图1）发电电机无功功功率控控制的原原理假设发电电机接入入无穷大大系统，，则发电电机机端端电压保保持不变变。调节节无功功功率时，，有功功功率输出出不变，，且忽略略发电机机凸极效效应和定定子损耗耗，有功功为：同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务2-合理分配配无功功功率发电机接接入无穷穷大系统统矢量图图可见，随随着励磁磁电流的的增加，，发电机机空载电电势沿着着AA’’逐渐增增大，发发电机电电流的无无功分量量增加，，发电机机输出的的无功增增加。同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务2-合理分配配无功功功率2）并联联运行机机组之间间的无功功分配并联运行行发电机机间的无无功负荷荷分配稳定性的的概念静态稳定定：小干干扰后恢恢复到原原状态；；（如：负负荷波动动）暂态稳定定：大干干扰后恢恢复到原原状态或或新状态态；（如：系系统故障障）同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务3-提提高电力力系统运运行的稳稳定性同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务3-提高电力力系统运运行的稳稳定性1）励磁磁系统对对静态稳稳定性的的影响同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务3-提高电力力系统运运行的稳稳定性2）励磁磁系统对对暂态稳稳定的影影响同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务4-改善电力力系统运运行条件件1）改善善异步电电动机的的自起动动条件短路切除除后电压压恢复过过程电力系统统发生短短路故障障时，故故障点附附近系统统电压大大幅下降降，使大大多数用用户的电电动机处处于回馈馈制动状状态，转转速下降降。故障障切除后后，由于于电动机机自启动动时要吸吸收大量量的无功功功率，，以致延延缓了电电网电压压的恢复复过程。。发电机机强行励励磁的作作用可以以加速系系统电压压的恢复复，有效效地改善善电动机机的自启启动条件件。同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务4-改善电力力系统运运行条件件2）为同同步发电电机异步步运行创创造条件件当发电机机的励磁磁系统发发生故障障时，有有可能使使同步发发电机失失去励磁磁，这时时发电机机将从系系统中吸吸收大量量无功功功率，造造成系统统电压大大幅下降降，严重重时会危危及系统统的安全全运行。。此时，，如果系系统中其其他发电电机组能能提供足足够的无无功功率率来维持持系统电电压水平平，则失失磁的发发电机还还可以在在一定时时间内以以异步方方式维持持运行。。这不但但可以确确保系统统安全运运行，而而且有利利于机组组热力设设备的运运行。同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务4-改善电力力系统运运行条件件3）提高高继电保保护装置置工作的的正确性性当系统处处于低负负荷运行行状态时时，系统统中的某某些发电电机的励励磁电流流不大，，若系统统此时发发生短路路故障，，其短路路电流较较小，且且随时间间衰减，，有可能能导致带带时限的的继电保保护不动动。励磁磁自动控控制系统统就可以以通过调调节发电电机的励励磁电流流以提高高系统电电压，增增大短路路电流，，使继电电保护装装置可靠靠动作。。同同步发电电机励磁磁控制系系统的主主要任务务5-防止水轮轮发电机机过电压压水轮发电电机在因因系统故故障被切切除或突突然甩负负荷时，，一方面面由于水水轮发电电机组的的机械转转动惯量量很大，，另一方面面为了引引水管道道的安全全，不能能迅速关关闭水轮轮机的导导水叶，，致使发发电机的的转速急急剧上升升。如果果不采取取措施迅迅速降低低发电机机的励磁磁电流，，则发电电机感应应电势有有可能升升高到危危及定子子绕组绝绝缘的程程度。因此，要要求励磁磁自动控控制系统统能实现现强行减减磁功能能。励磁调节器励磁功率单元发电机励磁系统手动调节给定电压辅助控制信号PTCTULILUGIG同步发电机励磁控制系统构成示意图对对励磁系系统的基基本要求求对对励磁系系统的基基本要求求具有十分分高的可可靠性保证发电电机具有有足够的的励磁容容量。具有足够够的强励励能力保证发电电机电压压调差率率有足够够的整定定范围保证发电电机电压压有足够够的调节节范围保证发电电机励磁磁自动控控制系统统具有良良好的调调节特性性励磁调节节器任务要求迅速响应输入信息变化时间常数小准确调节发电机电压自然调差系数精确合理分配无功功率电压调差系数范围大人工稳定区域运行无失灵区迅速反映系统故障励磁控制功能励磁功率率单元任务要求调节系统电压和本身无功可靠性、调节容量较强励磁能力頂值电压快速响应能力电压上升速度一、同步步发电机机励磁自自动控制制系统基基本构成成（按励励磁功率率单元分分类）直流励磁磁机励磁磁系统：：由与发发电机组组同轴的的直流发发电机供供给发电电机励磁磁交流励磁磁机励磁磁系统：：励磁功功率单元元就采用用了交流流发电机机和半导导体整流流元件组组成，交交流发电电机发出出的交流流电经半半导体整整流后供供给发电电机励磁磁静止励磁磁系统：：以接于于发电机机出口的的变压器器作为励励磁电源源，经晶晶闸管整整流后供供给发电电机励磁磁4.4同同步发发电机的的励磁自自动控制制系统（一）自自励直流流励磁机机系统4.4.2直流流励磁机机励磁系系统（二）它它励直流流励磁机机系统4.4.2直流流励磁机机励磁系系统（三）特特点优点：控控制方便便缺点：须须换向，，有滑环环、电刷刷易产生火火花，可可靠性不不高结构复杂杂，不易易维护（四）应应用范围围：中小容量量机组（（≤100MW）旧型机组组4.4.2直流流励磁机机励磁系系统（一）它它励交流流励磁机机静止整整流励磁磁系统（1）原原理4.4.3交流流励磁机机励磁系系统（2）特特点优点：响响应速度度快（相相对DC）；容量较大大（相对对DC））缺点：有有滑环、、电刷易产生火火花，可可靠性不不高结构复杂杂，不易易维护（3）应应用中等容量量机组（（100MW~300MW））我国旧型型机组4.4.3交流流励磁机机励磁系系统（三）交交流励磁磁机旋转转整流励励磁系统统（无刷刷励磁））(1)原原理4.4.3交流流励磁机机励磁系系统副励磁机机：电枢枢静止，，磁极（（励磁））旋转主励磁机机：电枢旋转转，磁极极（励磁磁）静止止发电机：：电枢静止止，磁极极（励磁磁）旋转转4.4.3交流流励磁机机励磁系系统（2）特特点优点：维维护工作作量少可靠性高高无接触磨磨损，电电机绝缘缘寿命长长缺点：响响应速度度慢不能直接接灭磁对机械性性能要求求高（3）应应用大容量机机组（600MW））（一）自自并励励励磁系统统静止励磁磁系统曾经的疑疑虑：发电机端端三相短短路而切切除时间间又较长长的情况况下，由由于励磁磁变压器器原边的的电压为为零，历历次系统统能否及及时提供供足够的的强励电电压由于短路路电流的的衰减，，带时限限的继电电保护能能否正确确动作静止励磁磁系统（2）特特点：优点：维维护工作作量少；；可靠性高高主轴长度度短，基基建投资资少电压响应应速度快快过电压低低缺点：发发电机近近端端路路时，缺缺乏足够够的强励励能力继电保护护的动作作会受一一定影响响（3）应用用大容量机机组（600MW））水轮机组组静止励磁磁系统（二）自自复励励励磁系统统特点：当当电力系系统短路路时，自自励部分分会因为为发电机机电压下下降而降降低励磁磁能力，，复励部部分会因因为发电电机电流流增加而而增加励励磁能力力，两者者相辅相相成，弥弥补了自自并励方方式单独独由发电电机供给给发电机机励磁电电流的不不足，它它可以保保证在机机端短路路时有足足够的强强励能力力。静止励磁磁系统4.5比比例式式励磁自自动控制制的基本本原理基基本结构构与工作作原理4.5.1.1基本本结构调差单元元测量比较较单元综合放大大单元移相触发发单元可控硅整整流单元元励磁功率率单元发电机4.5比比例式式励磁自自动控制制的基本本原理4.5比比例式式励磁自自动控制制的基本本原理4.5.1.2工作作原理正常状态态下系统统工作在在某个稳稳定的工工作点。。当UG升高时，，经过调调差、测测量环节节的输出出UC升高，测测量比较较单元输输出一个个负的偏偏差电压压，将使使ILL变小从而而使IL变小，这这样可以以降低UG；当UG降低时，，经过调调差、测测量环节节的输出出UC降低，测测量比较较单元输输出一个个正的偏偏差电压压，将使使ILL变大从而而使IL变大，这这样可以以升高UG；达到维维持机端端电压基基本不变变的目的的。ILL（IL）UG励磁调节节器的工工作特性性4.5比比例式励磁磁自动控制制系统的基基本原理励磁功率单元移相触发同步信号手动调节给定电压辅助控制信号PTCTULILUGIGU’G测量比较调差综合放大可控整流UbUkα比例式可控控硅励磁调调节器的结结构框图4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理4.5.2比例式式可控硅励励磁调节器器的工作原原理电电压测量比比较单元-作用及要要求电压测量比比较单元的的基本作用用是把发电电机电压变变换为与其其成正比的的直流电压压，与给定定电压进行行比较，得得到两者的的偏差。测量电路应应有足够高高的灵敏度度，给定电电压应稳定定，保证足足够的调节节范围。电路的时间间常数要小小。测量电路的的输出电压压应平稳，，纹波要小小4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理电电压测量比比较单元-结构测量比较单单元结构框框图4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理电电压测量比比较单元-正序电压压滤过器Ra2:Rb1:Xc=2:1:sqrt(3)正序滤过器器ABCB’C’A’Ra2:Rb1:Xc=2:1:sqrt(3)ACB4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理电电压测量比比较单元-测量变压压器将从电压互互感器二次次侧来的电电压降为适适用于整流流电路所需需要的值。。测量变压器器副边一般般为三相。。有的励磁调调节器为了了减小整流流后的交流流分量，进进而减小滤滤波电路的的电容量，，达到减小小测量单元元时间常数数的目的，，将测量变变压器副边边做成6相相，甚至12相。4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理电电压测量比比较单元-整流滤波波将测量变压压器副边输输出的三相相电压整流流得到一个个反映三相相交流电压压大小的直直流电压。。对应测量变变压器副边边，整流电电路有3相相，6相，，甚至12相整流。。4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理电电压测量比比较单元-比较整定定电路4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理电电压测量比比较单元-发电机端端电压整定定过程发电机端电电压整定是是指确定发发电机端电电压稳定工工作电压。。它是通过过调整电位位器W的阻阻值RW来实现的。。设发电机运运行在电压压UG，与之对应应，比较电电路的输出出电压Ub=0。若调调整W，使使阻值RW增加，其上上电压降随随之增加。。因系统延延迟，发电电机端电压压不会立即即下降，即即Uc不变。这样样，RW增加的结果果会使Uab↓→Ub↓，从而而导致发电电机的励磁磁电流ILL↑→UG↑→UC↑→Uab↑→Ub↑。当上升升到Ub≈0时，，调节过程程结束，发发电机进入入新的稳定定运行状态态。4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理综综合放大单单元-作用用及要求综合放大各各种励磁控控制信号。。改善励磁自自动控制系系统的静态态和动态性性能指标。。输出移相单单元所需的的输入电压压。能线性无关关地综合、、放大各输输入信号。。要有足够的的运算精度度和放大系系数，且放放大系数可可调。要有足够的的响应速度度，即时间间常数要小小。工作稳定可可靠，输出出阻抗低。。输出电压范范围应满足足移相触发发单元的要要求。4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理综综合放大单单元-结构构及工作原原理4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理可可控硅整流流电路-作作用可控硅(晶闸管)整流电路路的作用是是将交流电电压整流成成直流电压压向发电机机励磁绕组组或励磁机机励磁绕组组供给可控控制的励磁磁电流。4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理可可控硅整流流电路-电电路结构4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理可可控硅整流流电路-工工作原理可控硅的通通断。整流元件的的导通次序序。可控硅的控控制角α。。可控硅的导导通角β整流电路的的输入电压压整流电路的的输出电压压续流管的作作用4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理三相半控桥桥式整流电电路的电压压波形图触发角为0度时的波波形触发角为30度时的的波形触发角为60度时的的波形触发角为90度时的的波形触发角为120度时时的波形触发角为150度时时的波形触发角为180度时时的波形4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理可可控硅整流流电路-特特性4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理同同步及移相相触发单元元-要求晶闸管的触触发脉冲应应与晶闸管管阳极电压压同步。触发脉冲的的移相范围围要符合相相应可控整整流电路的的要求。触发脉冲应应有足够的的功率以保保证晶闸硅硅可靠地导导通。触发脉冲上上升沿要陡陡。触发脉冲应应有足够的的宽度。保证各相晶晶闸管的控控制角α一一致。触发脉冲应应与主电路路相互隔离离。4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理同同步及移相相触发单元元-结构及及工作原理理4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理比例式半导导体励磁调调节器的静静态工作特特性4.5比比例式励磁磁自动控制制的基本原原理比例式半导导体励磁调调节器的静静态工作特特性4.6同同步发电机机励磁控制制系统的静静态特性发电机调压压精度：当当自动励磁磁调节器投投入运行、、调差单元元退出、电电压给定值值不变时，，发电机负负载从零到到额定值变变化时引起起的发电机机机端电压压的变化。。一般要求不不大于0.5~1%。4.6同同步发电机机励磁控制制系统的静静态特性同步发电