第3讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(1)

第三讲同步发电机励磁控制系统及特性分析（1）主讲人：李岩松华北电力大学电气与电子工程学院liyansong811@126.com第三章同步发电机励磁控制系统及特性分析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。2023/12/182NorthChinaElectricPowerUniversity第一节概述2023/12/183NorthChinaElectricPowerUniversity第一节概述同步发电机的运行特性与它的空载电动势值的大小有关，而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。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。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。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作用。2023/12/184NorthChinaElectricPowerUniversity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反馈控制系统。向同步发电机转子提供直流电流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2023/12/185NorthChinaElectricPowerUniversity一同步发电机励磁控制系统的作用1、维持发电机机端电压在给定水平2、使并列发电机组间无功功率合理分配3、提高电力系统稳定性和输电线路有功传输能力4、改善电力系统的运行条件

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

提高继电保护装置工作的正确性5、发电机组突然解列实行强行减磁6、发电机内部故障时快速灭磁7、采取适当辅助励磁控制2023/12/186NorthChinaElectricPowerUniversity负荷的无功电流是造成之间幅值差的主要原因1维持发电机机端电压在给定水平励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务等值2023/12/187NorthChinaElectricPowerUniversity1维持发电机机端电压在给定水平发电机端电压励磁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维持发电机端电压为设定值的注：改变发电机的励磁电流一般都不直接在发电机的转子回路中进行，而是改变励磁机的励磁电流的方法来达到调节目的。原因是转子回路的电流很大，不易直接调整。2023/12/188NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列发电机组间无功功率合理分配单机无穷大系统发电机发出的有功功率只受调速器控制2023/12/189NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列发电机组间无功功率合理分配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值的大小。与无穷大母线并联运行的机组，调节励磁电流就可以改变发电机的无功功率2023/12/1810NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列发电机组间无功功率合理分配并联发电机组无功功率分配取决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单纯把并联所有机组的外特性做成相同是不可能的调节励磁可以任意改变外特性曲线的斜率以达到合理分配无功的目的。2023/12/1811NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列发电机组间无功功率合理分配我国在1953年以前把调整同步发电机励磁电流的自动装置成为“自动调压器”，1953年后又改称为“自动励磁调节器”，现在又有重称为自动调压器的趋势。2023/12/1812NorthChinaElectricPowerUniversity3提高电力系统稳定性和输电线路有功传输能力电力系统稳定性的定义与分类在20世纪60年代及以前1静态稳定性2动态稳定性系统受到小扰动后保持所有运行参数接近正常值的能力系统受到大扰动后，系统参数恢复到正常值的能力出现了自动再同期现象——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1静态稳定性2动态稳定性3综合稳定性小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1954年苏联学者维.柯.维尼柯夫《电力系统机电过渡过程》2023/12/1813NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统稳定性的定义与分类1静态不稳定性1974年美国学者拜金利及金巴克主编论文集《大规模电力系统稳定性》2动态不稳定性3暂态不稳定性功角过大而失步（滑行失步）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静态/动态稳定性定义及理解出现了混乱1981年在IEEE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1静态稳定性/小扰动稳定性2暂态稳定性/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性化方程来描述系统过渡过程2023/12/1814NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统稳定性的定义与分类2004年8月，IEEE发表了CIGRE第38委员会与IEEE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电力系统稳定性功角稳定性频率稳定性电压稳定性小干扰功角稳定性大干扰功角稳定性小干扰电压稳定性大干扰电压稳定性短期稳定性短期稳定性长期稳定性短期稳定性长期稳定性2023/12/1815NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统稳定性的定义与分类功角稳定性注：把原来的静态稳定（小扰动稳定性）和暂态稳定性（大干扰稳定性）合起来统称为功角稳定性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增长，也可能是增幅振荡。分析时间为10~20s静态稳定性系统在小干扰下维持同步的能力滑行失步型振荡失步型暂态稳定性系统在大干扰下维持同步的能力功角非周期增长而失步增幅的低频振荡而失步2023/12/1816NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统稳定性的定义与分类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（或上升），又称“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，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。大干扰电压稳定性小干扰电压稳定性短期电压稳定性长期电压稳定性系统在大干扰后维持可接受稳态电压的能力系统在小干扰后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慢速响应负荷和励磁限幅器等动态特性及相互作用2023/12/1817NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统稳定性的定义与分类频率稳定性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、电压及其他变量会出现大的波动，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。这种情况出现在大系统因失步而解列为数个孤立系统，在这些系统中，发电机之间的稳定不是问题，主要是出力和负荷是否会保持平衡。频率过渡过程时间秒级（几秒）低压及低频减载、发电机控制器起主要作用分级（几分）锅炉、机组保护和负荷调压系统起主要作用2023/12/1818NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统稳定性的定义与分类

我国在2001年制定的DL755-2001《电力系统安全稳定导则》中将稳定性分为：

静态稳定性——小扰动稳定性暂态稳定性——大扰动稳定性动态稳定性动态稳定性

——电力系统受到小扰动时，考虑调节器及元件动态，并分析它在暂态过程后能否趋于或者接近原来稳定工况的能力。2023/12/1819NorthChinaElectricPowerUniversity励磁对静态稳定性的影响调节励磁系统使得为常数励磁调节系统可以有效提高系统的静态稳定极限2023/12/1820NorthChinaElectricPowerUniversity励磁对暂态稳定性的影响励磁系统的作用体现在使得发电机内电势上升而增加电功率输出，提高了功率极限，从而减小加速面积，增加了减速面积，提高了暂态稳定性实现手段：1、缩小励磁系统时间常数2、尽可能提高强行励磁倍数2023/12/1821NorthChinaElectricPowerUniversity4改善电力系统运行条件1、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3、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无励磁控制有励磁控制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2023/12/1822NorthChinaElectricPowerUniversity5发电机组突然解列实行强行减磁大型发电机组因故障而跳闸调速系统具有较大的惯性汽门/导水叶不能迅速关闭转子转速急剧上升励磁电流不调整发电机端电压上升而危及定子绝缘励磁电流迅速调整机组安全2023/12/1823NorthChinaElectricPowerUniversity二对励磁系统的基本要求向同步发电机转子提供直流电流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2023/12/1824NorthChinaElectricPowerUniversity1对励磁调节器的要求1、系统正常运行时，励磁调节器应能对发电机电压的变化做出反映以维持其在给定水平。2、励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，保证同步发电机电压调差率在合理范围内进行调整。3、为了使远距离输电的发电机组在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区。4、励磁调节器应能迅速反应电力系统故障，具备强行励磁等控制功能，以提高暂态稳定和改善系统运行条件。5、具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。6、励磁调节器正常工作与否直接影响到发电机组的安全运行，要求能够长期可靠工作。2023/12/1825NorthChinaElectricPowerUniversity2对励磁功率单元的要求1、要求励磁功率单元有足够的可靠性，具有一定的调节容量。2、具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。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，励磁功率单元应该具有较大的强励能力和快速响应能力。注：1、励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高输出电压值。2、励磁顶值电压与额定励磁电压之比为强励倍数，一般为1.6~22023/12/1826NorthChinaElectricPowerUniversity第二节同步发电机励磁控制系统直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统静止励磁系统在电力系统发展初期，机组容量小机组容量增大，机械整流困难，大功率半导体技术成熟与发电机同轴旋转2023/12/1827NorthChinaElectricPowerUniversity1直流励磁机励磁系统——自励型共同担负励磁机的励磁绕组EEW的调节功率2023/12/1828NorthChinaElectricPowerUniversity1直流励磁机励磁系统——他励型

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。自励型2023/12/1829NorthChinaElectricPowerUniversity2交流励磁机励磁系统——他励可控整流型

发电机励磁电流的调节是由励磁调节器AVR控制晶闸管VS导通角来实现的。

励磁机与主发电机同轴，其电源不受发电机电压的影响，可以说是保证和提高电力系统稳定性的理想系统2023/12/1830NorthChinaElectricPowerUniversity2交流励磁机励磁系统——自励型（二机系统）他励可控整流型2023/12/1831No