电力系统自动装置 第3章 同步发电机自动励磁调节系统

第3章

同步发电机自动励磁调节系统电力系统自动装置内容概述概述励磁系统的换流电路自动励磁调节装置分类及原理概述半导体自动励磁调节装置工作原理励磁调节器静特性调整数字式励磁调节装置原理并联运行机组间无功功率的分配励磁调节系统动态特性概述自动励磁调节系统对电力系统稳定性的影响同步发电机的灭磁3.1概述同步发电机的励磁系统就是指为发电机提供可调节励磁电流装置的全部组合。其中包括产生可调节励磁电流的励磁功率单元(如励磁机,以下或称功率单元)与控制励磁功率单元的励磁调节器两个主要组成部分图3.1

励磁控制系统框图3.1.1电力系统中自动调节励磁系统的任务图3.2同步发电机运行原理示意图（１）系统正常运行条件下维持发电机端或系统某点电压在给定水平

图3.2(c)给出对应的相量图。由图可得

(2)实现并联运行发电机组的无功功率的合理分配图3.3

同步发电机接于无限大母线时向量图(3)提高同步发电机并联运行的稳定性图3.4

单机与系统连接网络对提高静态稳定能力的作用

图3.5自动调节励磁装置改善发电机静态稳定说明图励磁对提高暂态稳定的作用图3.6发电机的面积定则（４）励磁系统能改善电力系统运行条件提高继电保护动作的灵敏度改善电动机自启动条件允许发电机失磁异步运行（５）对于水轮发电机应要求能强行减磁由于水轮发电机的调速装置惯性大，所以，当发电机因故甩负荷时将超速，而超速则可能产生危险的过电压，励磁装置此时应进行强行减磁，以免产生危险过电压。汽轮发电机的调速器均较灵敏，故汽轮发电机不易超速，对励磁系统可不作此要求。以上诸作用表明，同步发电机均应装设自动调节励磁装置。3.1.2对自动调节励磁系统的要求1.励磁系统应能保证发电机在各种运行工况下要求的励磁容量，并适当留有裕度2.应有高的强励顶值电压与励磁电压上升速度图3.7

励磁电压上升速度的定义示意图3)应有足够的强励持续时间4)应有足够的电压调节精度与电压调节范围5)励磁系统应在工作范围内无失灵区6)励磁系统应有快速灭磁性能7)励磁系统本身应简单可靠,调节过程稳定

3.1.3励磁系统的类型（１）直流励磁机系统

图3.8

自励直流励磁机系统原理图

图3.9

他励式直流励磁机系统原理图(2)交流励磁机系统

图3.10交流励磁机系统原理图带静止整流器的励磁系统图3.11

无刷励磁系统原理图带旋转整流器的无刷励磁系统(3)自励式半导体励磁系统

图3.12

自并励励磁系统自并励励磁系统自复励励磁系统

①交流侧串联型自复励方式图3.13交流侧串联自复励式系统

②直流侧并联型自复励方式③直流侧串联型自复励方式3.2励磁系统的换流电路3.2.1三相半控桥式整流电路图3.15三相半控桥式整流电路及波形(1)基本假设①交流电压是三相对称的正弦波电压,且整流变压器容量足够大,即不受直流侧工作的影响②整流变压器的漏抗为零,因此,整流桥的换相过程被认为是瞬间完成,即重叠角为零③直流回路负载是转子绕组,故电感足够大,因而认为整流电流Id完全平滑。在控制角α不改变,负载R不变时,电流Id恒定不变④各相控制角α一致,即对应A,B,C三相,触发电路控制脉冲的相角依次为α,α-120°,α-240°(2)α=0时的整流过程

(3)α>0时的整流过程

3.2.2三相全控桥式整流电路（１）整流工作过程图3.16三相全控桥式整流电路及波形图（２）逆变过程分析1)理想逆变过程Uβ=-1.35Ulcosα=1.35Ulcosβ(3.13)2)逆变工作分析3.3自动励磁调节装置分类及原理概述3.3.1自动励磁调节装置分类(1)按物理结构分类(2)按调节原理分类3.3.2自动励磁调节器工作概述（１）复式励磁装置（２）基于闭环反馈的自动励磁调节器3.3.2自动励磁调节器工作概述(1)复式励磁装置图3.18

复式励磁装置原理性接线示意图(2)基于闭环反馈的自动励磁调节器图3.19

自动调节励磁系统框图３.４半导体自动励磁调节装置工作原理3.4.1半导体自动励磁调节装置的基本结构图3.21半导体励磁调节系统结构图3.4.2各环节工作原理（１）测量比较环节

a.作用及对环节的要求

b.环节的组成①正序电压滤过器②多相整流③滤波电路④检测电路图3.22

测量比较环节框图图3.23正序电压滤过器原理接线图图3.24正序电压滤过器相量关系图3.25

六相桥式整流电路图3.26

滤波电路图3.27检测电路接线及特性（２）综合放大环节1)任务及对环节的要求2)工作原理图3.28

运算放大器原理接线图图3.29综合放大电路

图3.30综合放大电路工作特性

图3.30示出了Ｕｋ与主信号ΔＵ的关系特性（此时设其他信号均为零）。改变Ｒｆ与Ｒ１的比值，可以改变特性斜率；当ΔＵ大于一定值后，输出不再变，呈饱和状态，这是根据移相电路的要求而设定的。（３）移相触发环节图3.31三相移相触发电路工作示意图图3.32移相触发电路原理图移相触发电路工作原理①同步信号环节②移相触发电路③脉冲输出电路图3.33

移相触发电路原理图图3.34控制信号移相原理说明移相触发环节的移相特性图3.35

移相特性3.4.3自动调节励磁装置工作特性

图3.36

ZTL简化框图(1)ZTL系统的静态工作特性

图3.37测量与放大环节合成工作特性图3.38励磁调节器静态工作特性ΔIf=K4Δα(D)ΔIf=K1K2K3K4ΔUG=KΔUG(3.18)

ΔUk=K2ΔU(B)ΔU=K1(UG-Us)=K1ΔUG(A)Δα=K3ΔUk(C)（２）具有ＺＴＬ装置的发电机外特性:对于励磁调节而言，发电机的外特性在此是指发电机的无功电流Ｉｒ与端电压ＵＧ的关系：ＵＧ＝ｆ（Ｉｒ），这也常称为电压调差特性。该关系不仅与ＺＴＬ的特性有关，且与励磁机、发电机的工作特性有关。这即是本节图3.38所示的励磁控制系统的静态工作特性。图3.39

发电机外特性的形图3.40

调差系数定义说明3.4.4励磁控制系统中的辅助控制励磁调节器主要由测量比较、综合放大、移相触发３个基本单元组成。此外，还有若干重要辅助电路组成的辅助控制单元。这些辅助控制单元的输出均以综合放大单元输入回路方式加入相应辅助控制信号。它们的作用均体现在改变综合放大输出Ｕｋ的大小上，以达到最后改变移相触发输出Ｕα

的相位，从而达到应有的改变励磁的目的。3.5励磁调节器静特性调整3.5.1调差系数的调整（１）调差特性图３.４１发电机不同的调差特性图3.42

正调差系数的形成(2)调差环节工作原理调差环节的输出电压为U'G=UG+Rir(3.21)ΔU=K1(U'G-Us)=K1(UG+RIr-Us)调节稳态时,有ΔU=0UG+RIr-Us=0即UG=Us-Rir(3.22)图3.43

调差环节原理接线图图3.44

调差环节矢量图图3.45

接入正调差环节前图3.46外特性平移调整无功电流

3.5.2调差特性的平移图3.47

ZTL特性与调节特性平移的关系

3.6数字式励磁调节装置原理3.6.1数字式励磁调节装置的硬件构成（１）工业控制微型计算机（２）测量单元（３）同步和数字触发（移相触发）单元图3.50同步电压波形（ａ）交流电源相电压（ｂ）晶闸管电路的线电压（ｃ）整形后方波电压（ｄ）经非门后的方波电压（ｅ）Ｇａｔｅ输出脉冲3.6.2软件组成及其应用程序原理（１）电压调节量计算（调节与控制的算法）调差计算ＰＩＤ控制算法（２）辅助控制功能瞬时电流限制最大励磁（强励）限制最小励磁（欠励磁）限制电压／频率（Ｕ／ｆ）限制发电机失磁监控（３）主程序流程初始化开机条件判别及空载设置

开中断故障检测及检测设置终端显示与人机接口命令

（４）调节限制程序

３.７并联运行机组间无功功率的分配图3.56一台无差与一台有差特性机组并联运行3.7.1一台无差特性与一台有差特性机组并联运行3.7.2两台无差特性的机组并联运行图3.57两台无差特性机组并联运行这是一种不能并联运行的方式。两台机组均为无差特性时，可能有两种情况：①两条特性不重合，如图3.57所示。两台机组各有其电压整定值为Ｕ１和Ｕ２。因为Ｕ１≠Ｕ２，两机组不能并联运行②两条特性重合，此时两机组无明确交点，无功分配是任意的，不合理图3.58两台正调差特性机组并联运行3.7.3两台正调差特性的机组并联运行

3.7.4发电机经升压变压器并联运行图3.59两台机组各自经升压变压器后并联运行图3.60

励磁控制系统结构框图3.8励磁调节系统动态特性概述3.8.1对励磁系统动态指标的要求

1)上升时间tr上升时间指响应曲线自10%稳定响应值上升到90%响应值时所需的时间。有时也取为稳态响应值从零上升到100%时对应的时间

3)调节时间ts从输入阶跃信号响应值与稳态值之差ε(见图3.61)调节到不再超过稳态值的2%(有时给定为5%)所需的最小时间,称为调节时间3.8.2励磁控制系统的传递函数(1)同步发电机的传递函数

(2)励磁功率单元的传递函数直流励磁机图3.62

他励式励磁机简化原理图

式中

λE—励磁机励磁回路磁链;λE=NΦE;N—绕组匝数;ΦE—与N交链的磁通;RE—励磁机励磁回路电阻;iE—UE作用下输入回路的电流图3.63

励磁机的饱和特性曲线

计入饱和后,有iE=G(1+SE)uf(3.40)设气隙中磁通为Φa,在恒定转速下uf=kΦa(3.41)式中

k——常系数ΦE在穿过气隙时有漏磁Φl,且漏磁通与Φa成正比ΦE=Φa+Φl=σΦa(3.42)

式中

σ——分散系数,一般取σ=1.1~1.2利用以上各式,可以求出励磁机传递函数。将式(3.40)、式(3.41)、式(3.42)代入式(3.37'),得

图3.64

他励式励磁机结构框图图3.65

交流励磁机等效电路原理图图3.66

交流励磁机饱和特性曲线交流励磁机本体传递函数为

图3.67

交流励磁机结构框图可控整流器图3.68

单相全波可控整流输出与α角的关系

(3)励磁调节器的传递函数

图3.69

综合放大单元框图(4)励磁控制系统的传递函数

图3.70

励磁控制系统的传递函数框图

3.8.3励磁控制系统的稳定性（１）用劳斯判据讨论稳定性（２）用Ｂｏｄｅ图讨论稳定性３．９自动励磁调节系统对电力系统稳定性的影响

图3.73

经外阻抗接于无限大母线的同步发电机的传递函数(3)同步发电机的固有特性

其特征方程式为(Tjs2+K1ω0)(1+K3T'd0s)-K2K3K4ω0=0

图3.74

不计ZTL时同步发电机的传递函数框图3.9.3自动励磁调节系统对电力系统稳定性的影响

(2)电力系统的低频振荡及电力系统稳定器(PowerSystemStabilizer,PSS)的概念

在远距离输电线路重负荷时,采用通常的按电压偏差进行比例调节的ZTL,由于励磁控制系统存在惯性,这种调节方式提供的励磁电流具有时滞,其滞后相位使本应衰减的振荡角度反而加大,即出