1、第三讲 同步发电机励磁自动控制系统（1）,肖仕武 Office:J5B309 Tel:80794899,North China Electric Power University,2/43,2019/3/7,主要内容,1、同步发电机励磁控制系统的任务（1）电压控制（2）控制无功功率（3）提高同步发电机并列运行的稳定性 （4）改善电力系统的运行条件（5）水轮发电机强行减磁 2、对励磁系统的基本要求 3、同步发电机的励磁系统的各种类型及其 结构和特点,North China Electric Power University,3/43,2019/3/7,第一节 概述,North China Ele
2、ctric Power University,4/43,2019/3/7,第一节 概述,同步发电机的运行特性与它的空载电动势Eq值的大小有关，而Eq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。,North C
3、hina Electric Power University,5/43,2019/3/7,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,North China Electric Power University,6/43,2019/3/7,一 同步发电机励磁控制系统的任务,1、电压控制(调压精度0.5%) 2、控制无功功率分配 3、提高同步发电机并联运行的稳定性 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、水轮发电机组要
4、求实行强行减磁,North China Electric Power University,7/43,2019/3/7,负荷的无功电流是造成Eq,UG 之间幅值差的主要原因,1 电压控制,励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务,等值,North China Electric Power University,8/43,2019/3/7,1 电压控制,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
5、接调整。,同步电机外特性,North China Electric Power University,9/43,2019/3/7,2 控制无功功率分配与无穷大母线并联运行,单机无穷大系统,发电机发出的有功功率只受调速器控制,North China Electric Power University,10/43,2019/3/7,2 控制无功功率分配与无穷大母线并联运行,发电机励磁电流变化只是改变了机组的无功功率Q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。,North China Electric Power University,11/43,201
6、9/3/7,2 控制无功功率分配多台发电机并联运行,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。,G,U,Q,I,1,G,2,G,2,Q,I,D,1,Q,I,D,North China Electric Power University,12/43,2019/3/7,2 控制无功功率分配名称说明,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
7、为“自动励磁调节器”，现在又有重称为自动调压器的趋势。,North China Electric Power University,13/43,2019/3/7,3 提高同步发电机并联运行的稳定性,电力系统稳定性的定义与分类,在20世纪60年代及以前,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,North China Electric Power University,1
8、4/43,2019/3/7,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 PES Winter Meeting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
9、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,North China Electric Power University,15/43,2019/3/7,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,North China Electric Power University,16/43,2019/3/7,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
10、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1020s,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,North China Electric Power University,17/43,2019/3/7,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
11、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,North China Electric Power University,18/43,2019/3/7,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
12、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,North China Electric Power University,19/43,2019/3/7,电力系统稳定性的定义与分类,我国在2001年制定的DL755-20
13、01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。,North China Electric Power University,20/43,2019/3/7,评价,为什么要分类？交流，技术发展 定义针对现象，不严格。 小扰动， 多小的扰动算小扰动? 大扰动， 多大的扰动算大扰动? 线性化数学基础： Hartman线性化定理 即:如果方阵A的特征根实部异于零,f(x)有界且有小Lipschitz常数,则存在Rn的同胚将非线性系x=Ax+f(
14、x)的解映为线性系x=Ax的解 大扰动：解析：Lyapunov法处理(电力系统能量函数)， 时域仿真法,North China Electric Power University,21/43,2019/3/7,励磁对静态稳定性的影响,Eq不变，有功增加,Eq不变，有功增加，UG下降,North China Electric Power University,22/43,2019/3/7,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,North China Electric Power University,23/43,2019/3/7,励磁对暂态
15、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,P,d,故障前,故障后（未调励磁）,故障时（未调励磁）,故障后（调励磁）,故障时（调励磁）,North China Electric Power University,24/43,2019/3/7,4 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(其他机组)
16、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,低负荷，小短路电流继电保护拒动,North China Electric Power University,25/43,2019/3/7,5 水轮发电机实行强行减磁,水轮发电机组因故障而跳闸,调速系统具有较大的惯性,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,North China Electric Power University,26/43,2019/3/7,实测励磁响应曲线(1),(机端电压0.995-0.98
17、),自并励，175MW水轮机,North China Electric Power University,27/43,2019/3/7,实测励磁响应曲线(2),安徽铜陵4发电机(300MW,20kV),机端励磁,North China Electric Power University,28/43,2019/3/7,实测励磁响应曲线(3),(300MW)三机无刷励磁，ABB-UNITROL F,North China Electric Power University,29/43,2019/3/7,二 对励磁系统的基本要求,North China Electric Power Universi
18、ty,30/43,2019/3/7,1 对励磁调节器的要求,1、具有较小的时间常数，能够迅速响应输入信息的变化 2、系统正常运行时，励磁调节器能反映发电机电压的高低来维持发电机电压在给定的水平 3、励磁调节器能够合理分配机组的无功功率 4、对远距离输电的发电机组，要求没有失灵区，以使其在稳定区运行 5、励磁调节器迅速反映系统故障，具备强行励磁的功能，提高暂态稳定性和改善系统的运行条件 6、励磁调节器能够长期可靠工作，具有高可靠性,工作可靠，功能齐全，各种工况下性能优越。,North China Electric Power University,31/43,2019/3/7,2 对励磁功率单元
19、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1.62,North China Electric Power University,32/43,2019/3/7,结后语,励磁机容量仅仅占发电机的0.250.5% 但作用巨大 电压控制 控制无功功率分配 提高同步发电机并联运行的稳定性 改善电力系统的运行条件
20、 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 水轮发电机组要求实行强行减磁,North China Electric Power University,33/43,2019/3/7,第二节 同步发电机励磁系统,直流励磁机励磁系统,交流励磁机励磁系统,静止励磁系统(自并/复励),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,1050MW,100125MW勉强,三机励磁,无刷励磁,North China Electric Power University,34/43,2019/3/7,同步发电机励磁系统系
21、统分类,同步发电机励磁自动控制系统,同步发电机,励磁系统,励磁功率单元,自动励磁调节器,交流电源励磁,直流电源励磁,机电式励磁调节器,半导体励磁调节器,计算机励磁调节器,交流电源,整流电路,它励,自励,静止,旋转,静止励磁,North China Electric Power University,35/43,2019/3/7,1 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,直流励磁机,励磁机的励磁绕组,100MW机组,North China Electric Power University,36/43,2019/3/7,1 直流励磁机励磁系统他励型,与自励型相比，多
22、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。,副励磁机,有电刷，整流器件等旋转部件，维护复杂可靠性低。,100MW机组,North China Electric Power University,37/43,2019/3/7,2 交流励磁机静止整流器励磁系统他励型,1、交流励磁机、副励磁机和发电机同轴，独立电源，可靠性高 2、交流励磁机时间常数大,100/150Hz叠片使时间常数减一半 3、采用永磁发电机作为副励磁机可以简化设备，提高可靠性,100MW机组,三机励磁,IEF8kA,North China Electric Power University,38/43,2019/3
23、/7,励磁+发电机,North China Electric Power University,39/43,2019/3/7,2 交流励磁机旋转整流器励磁系统他励型,1、无碳刷和滑环 (60年代西屋公司研发) 2、运行维护不便，转子回路电流电压不能用常规仪表测量，不能实现电压反馈，不利于稳定运行的措施 3、已经被国外大公司采用，将来发展如何有待于现场运行经验的积累(目前西屋公司500多台，英国/苏联.国内80s引进,大亚湾),无刷励磁,North China Electric Power University,40/43,2019/3/7,2 交流励磁机励磁系统自励型,直接控制IEF，快但容量
24、大,间接控制IEF，慢,两机励磁,GE ALTHYREX,GE ATERREX,North China Electric Power University,41/43,2019/3/7,3 静止励磁系统,1、简便，无旋转部分，可靠性高 2、直接用晶闸管控制转子电压，获得较快的励磁电压响应速度 3、由发电机提供励磁能量，在机组甩负荷时的过电压低,励磁变提供电源,如ABB的UNITROL5000 GE EX2100，SAVR2000, 东方电机,前苏联,North China Electric Power University,42/43,2019/3/7,主要内容,1、同步发电机励磁控制系统的任
25、务（1）电压控制（2）控制无功功率（3）提高同步发电机并列运行的稳定性 （4）改善电力系统的运行条件（5）水轮发电机强行减磁 2、对励磁系统的基本要求 3、同步发电机的励磁系统的各种类型及其 结构和特点,North China Electric Power University,43/43,2019/3/7,进一步参考书目,刘取，电力系统稳定性及发电机励磁控制，中国电力出版社，2005 李基成,同步发电机励磁系统设计及应用, 中国电力出版社,2002 陆继明,毛承雄等，同步发电机微机励磁控制，中国电力出版社，2005 竺士章. 发电机励磁系统试验. 中国电力出版社, 2005 IEEE Recommended Practice of Excitation System, “Models for Power System Stability Studies”, IEEE Standard 421.5 1992,
