第二章同步发电机励磁自动控制系统-电力系统自动化

第2章同步发电机励磁自动控制系统2.1概述基本知识点励磁自动控制系统的组成励磁自动控制系统的基本任务电压调节无功分配提高发电机运行稳定性提高电力系统运行性能励磁系统的要求一、同步发电机励磁自动控制系统1系统组成励磁功率单元励磁调节器同步发电机系统2同步发电机感应电动势及励磁电流3同步发电机与无限大系统并联运行相量图二、机端直接并联的发电机组运行

1、两台正调差特性发电机的并联运行无功电流增加:I1G.Q、I2G.Q↑→调节器感受电压U‘G↑（因正调差单元）→调节器的输出↓→发电机励磁↓→I1G.Q、I2G.Q↓

无功电流引起扰动时，正调差特性发电机可维持无功电流的稳定分配，能稳定电力系统运行，并保持并联点母线电压在整定水平。两台正调差特性的发电机在机端直接并联运行时，当系统无功负荷波动时，其电压偏差相同，调差系数较小的发电机承担较多的无功电流增量。因此容量大调差系数小。两台发电机正调差特性2、一台无差特性发电机与正调差特性发电机的并联运行无功负荷变化时，第二台发电机的无功电流I2G.Q保持不变，而第一台发电机承担全部无功负荷的变动。

一台无差特性的发电机可以与一台或多台正调差特性发电机组并联运行。

对于两台无差特性的发电机，是不能在同一母线上并联运行的。

一台无差特性与一台正调差特性发电机的并联运行3、一台负调差特性发电机与一台正调差特性发电机的并联运行I1G.Q↑→调节器感受电压U'1G↓（因负调差关系）→调节器的输出↑→发电机励磁↑→I1G.Q↑↑所以具有负调差特性的发电机不能参与机端直接并联运行。负调差特性的发电机并联运行4、发电机并联运行时无功负荷分配的计算发电机无功电流波动量的标幺值IGQ*相等，这就要求在公共母线上并联运行的发电机具有相同的调差系数。

例3-1某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行，一号机的额定功率为25MW，二号机的额定功率为50MW。两台机组的额定功率因数都是0.85，调差系数为0.05。如果系统无功负荷使电厂无功功率的增量为它们总无功容量的20%，问各机组承担的无功负荷增量是多少？母线上的电压波动是多少？

一号机额定无功功率为QG1=PG1tgφ1=25tg(arccos0.85)=15.49(Mvar)二号机额定无功功率为QG2=PG2tgφ2=50tg(arccos0.85)=30.99(Mvar)因为两台机的调差系数均为0.05，所以公共母线上等值机的调差系数Kadj也为0.05。因此母线电压波动为

ΔU*=-Kadj∑ΔQ∑*=-0.05×0.2=-0.01各机组无功负荷波动量:ΔQ1*=-ΔU*/Kadj=-(-0.01/0.05)=0.02ΔQ1=ΔQ1*QG1=0.02×15.49=3.10(Mvar)ΔQ2*=-ΔU*/Kadj=-(-0.01/0.05)=0.02ΔQ2=ΔQ2*QG2=0.02×30.99=6.20(Mvar)一号机组无功负荷增加3.10Mvar,二号机组的无功负增加6.20Mvar。因为调差系数相等，无功负荷的波动量与它们的容量成正比。解：例3-2在例3-1中，若一号机的调差系数为0.04，二号机调差系数仍为0.05。当系统无功负荷波动时仍使电厂总无功增加20%，问各机组的无功负荷增量是多少？母线上的电压波动是多少？

解：首先应求出公共母线上等值机的调差系数，为此推导如下：=

等值调差系数为

母线电压波动为

各机组的无功增量

(Mvar)(Mvar)一号机组的无功负荷增加3.56Mvar，二号机组的无功负荷增加5.73Mvar。调差系数小的机承担的无功负荷增量较大。

三、经升压变压器后发电机组的并联运行则对并联点的高压母线Usys:Usys=U1G－I1G.QXT1

Usys=U2G－I2G.QXT2

接线图外特性U0IG·QI2G·QXT2I1G·QXT1122‘1’34负调差特性可补偿变压器阻抗上的压降2.2同步发电机励磁系统直流励磁机励磁系统（旋转励磁）交流励磁机励磁系统（旋转励磁）发电机自并励系统（静止励磁系统）一、直流励磁机励磁系统1原理GIEEREEUEFIEFEGIEEUEFIEF自励：REE→IEE→UEF励磁机→发电机他励：REE→IEE→UEF副励→主励→发电机2特点优点：控制方便缺点：有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护3应用中小容量机组（≤100MW）旧型机组二、交流励磁机励磁系统1他励交流励磁机励磁系统（1）原理500Hz副励磁机100Hz主励磁机50Hz发电机起励电源副励~~~自励恒压调节器励磁调节器主励交流发电机（2）特点优点：响应速度快（相对DC）；容量较大（相对DC）缺点：有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护（3）应用中等容量机组（100MW~300MW）我国旧型机组2无刷励磁系统(1)原理副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止发电机：电枢静止，磁极（励磁）旋转副励~~~励磁调节器主励交流发电机（2）特点优点：维护工作量少；可靠性高无接触磨损，电机绝缘寿命长缺点：响应速度慢不能直接灭磁对机械性能要求高（3）应用大容量机组（600MW）因为没有滑动器件三、静止励磁系统1原理起励电源~励磁调节器交流发电机2特点优点：维护工作量少；可靠性高主轴长度短，基建投资少电压响应速度快过电压低缺点：发电机近端短路时，缺乏足够的强励能力继电保护的动作会受一定影响3应用大容量机组（600MW）水轮机组因为没有转动励磁2.3励磁系统中转子磁场的建立与灭磁基本内容掌握强励、灭磁的定义及作用，分析继电强励接线及工作原理；比较灭磁的三种方法学习重点强励、灭磁的定义及作用一、同步发电机继电强行励磁（一）强励的定义及作用：定义：电力系统短路故障时，为提高电力系统的稳定性迅速将发电机励磁增加到最大值。作用：有利于电力系统的稳定运行；有助于继电保护的正确动作；有助于缩短电力系统短路故障切除后母线电压的恢复时间；并有助于用户电动机的自起动过程。（二）继电强励装置（AEI）1．接线及工作原理当系统故障，机端电压降低到80%~85%额定值时，低电压继电器的动作，通过KM1、KM2启动接触器KM，通过KM的触头将R1、Rm短接，励磁机的端电压迅速上升到顶值，起到强励作用。1）防止励磁机的过电压，ROV强励动作后仍保留；

4）为使强励装置动作后有关励磁设备不致过热，一般考虑强励时间为20s左右

继电器强励系统接线原理图3）为保证G在起动时或事故跳闸后灭磁过程中，强励装置不发生误动，串入发电机主开关QF的辅助触点和自动灭磁开关SD的辅助触点及逆变灭磁继电器K动断触点闭锁。2）为防止TV二次恻熔断器熔断时造成的误强励，KM1、KM2分别由KVU1和KVU2启动且触点相串联再起动KM；2．参数整定低电压继电器：返回电压Ur:Ur<UN或Ur=UN/Krel动作电压:Uact=（80%~85%）UN

3．接线原则1）.继电强励装置，应分别接入不同名的相间电压上2）.继电强行励磁装置所接相别，应优先选择某些类型的相间短路情况下，AER不能保证的强行励磁

3）.采用正序电压或复合电压起动的继电强行励磁装置。

4）.电压互感器一次或二次侧发生断线故障时，继电强行励磁装置不应误动作。5.）当备用励磁机代替工作励磁机时，继电强行励磁装置应切换到备用励磁机上。（三）强励指标1．强励倍数KHSE强励时，实际能达到的励磁最高电压UEmax与额定励磁电压UE.N的比值KHSE值愈大，强励效果愈好

2．励磁电压响应比：反映励磁响应速度的大小，表示励磁电压的响应能力。

（一）灭磁定义及对灭磁要求定义使发电机励磁绕组的磁场尽快地减弱到最低程度。对灭磁要求：1）灭磁时间要短；2）灭磁过程中励磁绕组的电压不应超过允许值。

（二）灭磁方法1、励磁绕组对常数电阻放电灭磁在励磁绕组中接入一常数电阻Rm，将励磁绕组所储存的能量转变为热能而消耗掉。

二、同步发电机灭磁发电机或发电机—变压器组内部发生故障时在继电保护动作将发电机断路器跳开的同时，还应迅速灭磁。

正常运行时SD的动合触头闭合。灭磁时，灭磁开关跳闸，SD的动断触头先闭合，使励磁绕组接入灭磁电阻，而后动合触头再断开，从而防止励磁绕组接入灭磁电阻时由于发生开路在灭磁过程中产生过电压。

Rm增大时，

减小；但EU·max增大

2、励磁绕组对非线性电阻放电1）理想灭磁条件：

电流在相当大范围内变化时，两端电压保持不变.2）快速灭磁开关灭磁过程中，磁场电流就以等速衰减，直到为零

3、全控整流桥的逆变灭磁控制角α在90°～150°范围内整流桥处于逆变运行状态。转子储存的磁场能量就以续流形式经全控桥的逆变状态反送到交流电源，使转子磁场能量不断减少，这样就达到了灭磁.小结发电机的灭磁实际上是将励磁绕组储存的能量消耗掉。采用常数电阻灭磁时，储能转变为热能，消耗在该电阻上；采用非线性电阻（灭弧栅）灭磁时，储能转变为电弧消耗在灭弧栅中；采用整流桥逆变灭磁时，储能馈送给励磁电源。复习与作业

1.何谓强励？说明比例型励磁调节器和补偿型励磁调节器如何实现强励作用？各自的强励效果如何？2.强励的基本作用是什么？衡量强励性能的指标是什么？3.继电强行励磁装置在实施接线时应注意哪些原则？4.何谓灭磁？常见的三种灭磁方法是什么，并加以比较。

2.4励磁调节器原理一、对励磁调节器静特性调整的基本要求及组成：1．基本要求

1）保证发电机在投入和退出电网运行时能平稳的转移无功负荷，不要引起对电网的冲击；

2）保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。2．组成：电压整定和调差单元

二、具有自动励磁调节器的发电机外特性的合成1、发电机外特性：指发电机的无功电流IG·Q与端电压UG的关系曲线。2．具有自动励磁调节器发电机的外特性合成：UG=f(IG·Q)为｛IAER=f(UG)+IG。Q=f(IE)｝。

0IG·QIAERIG·QUGUG=UG·NabRP大RP大RP小RP小三、励磁调节器静特性IAER=f(UG)调整内容：1）平移发电机的外特性——改变RP值，即Uset整定。实现平稳的将发电机投入和退出电网运行2）改变发电机的外特性的斜率——调整调差系数Kadj，保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。四、调整调差系数Kadj（一）定义：在某一RP值下，无功负荷电流从零变至额定值时，发电机电压的相对变化。

（3-18）

由3-46（c）图可得发电机的无功电流IGQ也可表示为用标幺值表示为:即当母线电压波动时，发电机无功的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比，式中的负号表明无功增大时机端电压下降。（二）调差系数的调整1、改变极性：

*1）正调差接线

2）负调差接线将UA1、UA2极反接即可得到负调差接线，此时İA、İC流向与图3-47中相反，调差单元输出、输入电压间关系为同上分析可得：输入线电压的关系为

2、改变大小：调整电阻R值。（二）调差系数的调整1、改变极性：

1）正调差接线

（三）有自动励磁调节器发电机的外特性1．特性1自然调差系数：当调差单元退出工作时，发电机外特性的调差系数，用Kadjo表示2．接入调差单元后发电机的外特性:1）特性2的Kadj>0，为正调差系数，特性下倾当无功电流增大时，调节器感受到的电压在上升调节装置降低发电机的励磁电流，驱使发电机电压降低，

R值增大，外特性下倾的程度增大，调差系数也增大。因此正调差特性主要用来稳定并联运行机组间无功电流的分配，也称为电流稳定环节。

特性3的Kadj=0，为无差特性，特性呈水平，发电机端电压不随无功电流而变化，是恒定值。特性4的Kadj<0，为负调差系数，当无功电流增大时，自动励磁调节器感受到的电压在下降调节装置增加了发电机的励磁电流，驱使