第5章同步发电机自动励磁.ppt

电力系统自动化内容,电力系统调度自动化,发电厂自动化,变电站自动化,发电自动控制,无功/电压,有功/频率,第5章 同步发电机自动励磁控制系统,5.1 同步发电机励磁系统的任务 一、电力系统无功功率控制的必要性1.维持系统电压正常水平电力系统电压水平主要是由电力系统中无功功率平衡来维持的。整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：,无功电源i向系统供给的无功功率；负荷j所消耗的无功功率；,电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；,在任意时刻，系统所产生的无功功率与系统中所消耗的无功功率总是平衡的。问题是在多高的电压下达到平衡的?,系统无功负荷(包括无功损耗)静态电压特性如图5.1所示。,系统无功电源所发出的无功功率偏离系统在额定电压下的无功需求越大，系统实际运行电压就偏离额定电压越大，电网电能质量越差，有可能使电网电压超出其允许范围。,控制无功电源所发出的无功功率就可以维持系统电压运行在其允许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。,2.提高电力系统运行的经济性,（1）系统的无功电源：主要:同步发电机,另外:并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。（2）选用哪种无功电源，将它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，因而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内负荷输送无功功率，会产生电压损耗(高压线路和变压器上的电压损失主要是出无功功率造成的)和有功功率损托，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也就越大。因此，无功功率一般都尽可能地就地、就近平衡。,3.维持电力系统运行的稳定性,发电机是电力系统中主要的无功电源，发电机的端口电压是由其励磁调节系统自动控制的。合理的选用自动励磁调节器，就可以保证发电机的端口电压维持不变，从而提高系统的静态稳定性。另外，现代发电机都装有快速响应的励磁调节系统，可以保证当系统发生故障而使发电机端电压低于(85%90%)时，能快速而大幅度地增大励磁电流，提高了发电机电动势，增加了发电机输出的电磁功率，减小了转子的不平衡功率，从而减小加速面积，有效地改善系统的暂态稳定性。,发电机励磁系统的任务,同步发电机的励磁系统=励磁功率单元+励磁调节器,同步发电机励磁控制系统示意图,二、同步发电机励磁系统的任务,同步发电机是系统重要的无功电源，其无功功率的输出是由它的励磁系统来控制的同步发电机励磁系统的任务主要有以下几个方面。1.控制发电机端电压 通过励磁系统来控制调节控制同步发电机的端电压是一种不需耗费投资而且最直接的调压手段。在发电机不经升压直接向用户供电的简单系统中，若供电线路不长，线路上电压损耗不大，单靠调节发电机的励磁来控制发电机的端电压就能满足负荷对电压质量的要求。,（1）单机运行时：在正常运行时，励磁电流IEF在发电机励磁线圈FLQ中建立磁场，使定子绕组产生感应电势Eq，在不考虑铁心饱和程度影响时，感应电势的大小与励磁电流的大小成正比，因此通过调整IEF的大小就可使Eq发生相应的变化.,其电势平衡方程为,发电机稳态运行时的向量图如图5.3(c)所示，由向量关系可得,发电机功角，即Eq与UG的相位差；Iq发电机定子电流无功分量；发电机功率因数(亦是负荷功率因数)。一般值很小，可近似认为cos=1，由式(5-2)可得,IG发电机定子电流(亦是负荷电流)Xd发电机直轴电抗,因发电机的直轴电抗Xd为常数，发电机的端电压UG的大小是由其感应电势Eq及负荷电流无功分量Iq的大小决定的。Eq和发电机励磁电流IEF成正比,上式说明，当IEF 不变时,Iq变化将引起UG变化，即发电机单机带负荷运行时，电压变化主要是由定子电流的无功分量Iq的变化引起的。上式还说明，如果发电机无功电流Iq不变，改变IEF可以改变Eq，进而可以改变UG或使UG保持恒定.即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。,（2）当发电机并入电力系统运行时,发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无功电源发出的无功功率总和与系统中负荷所消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此改变一台发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不象单机带负荷运行时对发电机电压的影响那么大。而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。当电力系统容量无穷大时，系统电压为恒定值。改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水平就一点影响也没有了。但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入电力系统的发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：,变压器漏抗和输电线路电抗归算值(归算到发电机电压等级下)；电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值。,而,所以,通过调节发电机励磁电流来改变发电机感应电势Eq,可以改变发电机输出的无功电流Iq，从而调节发电机端电压Ux和变压器高压侧电压UB，或维持它们在给定的范围内.如发电机直接接入无穷大电力系统，即XB=0，XL=0，则发电机端电压等于系统电压，并随系统电压的变化而变化，此时发电机励磁调节系统不再有调节发电机端电压的作用。,由以上分析可知：结论:同步发电机励磁控制系统对发电机端电压的调节控制作用是与接入系统容量的大小有关，其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，通常在由一台发电机供电的小系统中，仅靠发电机的励磁控制系统对发电机端电压的调节作用，就能满足系统对电压质量的要求。,注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较小罢了。,由以上分析可知：结论:同步发电机励磁控制系统对发电机端电压的调节控制作用是与接入系统容量的大小有关，其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，通常在由一台发电机供电的小系统中，仅靠发电机的励磁控制系统对发电机端电压的调节作用，就能满足系统对电压质量的要求。,注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较小罢了。,2.合理分配并联运行发电机间的无功功率,现代电力系统是由许多发电厂、变电所及线路组成的庞大而复杂的系统，无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机及静止补偿器等。由于发电机是系统中主要的无功电源。为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分布,要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功劝率。所谓“合理控制”包含两层意思；(1)每台发电机发出的无功功率数量要合理；(2)当系统电压变化时每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。,(1)发电机无功功率的控制原理,设单机无穷大系统其接线图如图所示：,UG=常数,.,以同步发电机接于无穷大电力系统为例说明发电机无功功率的控制原理。,因系统为无穷大，系统电压UX恒定不变，发电机端电压UG亦恒定不变，另外在调整发电机无功功率时不会引起发电机有功功率的改变，即发电机输出的有功功率PG为一常数。在忽略发电机定子损耗及凸极效应时，发电机输出的有功功率为,得出：,发电机输出电流IG在横轴上的分量是不变的，IG的端点在相量图中只能沿虚线BB移动.发电机端电压不变当励磁电流由IEF1增加IEF2时，发电机的各运行参数将由下角标为“1”的量变为下角标为“2”的量，从相量图中可以看出，当励磁电流增加时，发电机输出电流IG的无功分量IGsin是增加的，故发电机发出的无功功率 亦是增加的.同理，当发电机的励磁电流IG减小时，发电机发出的无功功率就减少。以上分析说明：当发电机接于无穷大系统时，通过调节发电机励磁电流的大小就可以控制发电机输出的无功功率的大小，这就是发电机无功功率调节控制原理。,由上可知：当调节发电机的励磁电流时，发电机感应电势Eq在纵轴上的分量是不变的，Eq的端点在相量图中只能沿虚线AA移动；,在实际运行中，与发电机并联的电力系统并不是真正意义上的无穷大系统，系统电压UG将随系统负荷的变化而变化。发电机输出的无功功率不仅与发电机的励磁电流IEF有关，还与发电机的端电压UG(即系统电压UX)有关，并且也影响与之并联运行机组输出的无功功率。同步发电机的励磁自动控制系统还承担着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。,(2)合理分配并联运行发电机间的无功功率。,当多台同步发电机接于同一母线并联运行时，系统所取用的无功功率由这多台发电机共同承担。根据负荷变化的需要，当系统所取用的无功功率发生变化时，并联运行的各发电机输出的无功功率是如何分配的呢？下面以两台发电机并联运行为例，分析无功功率的分配情况。,如图5.6(a)所示，UM为母线电压，Iq1、Iq2分别为发电机G1、G2输出的无功电流，Iq为系统所取用的无功电流，二者之间的关系如下：,并联运行的各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性，如图5.6(b)所示。当母线电压为UM1时，发电机G1所发出的无功电流为Iq1，G2所发出的无功电流为Iq2，并有Iq1Iq2。当电网的无功负荷增加时，即系统取用的无功电流增加，则要求发电机输出的无功电流也要相应地增加。由于发电机G1、G2都有下倾的外特性，所以母线电压必然相应地下降。假设母线电压由UM1下降到UM2，发电机G1的无功电流将增至Iq1，G2的无功电流将增至Iq2。从图中可看出：由于两台发电机的外特性不同，造成它们无功电流的变化亦不相同，即，改变了负荷增加前两台发电机无功电流分配的比例。外特性斜率相差越大，其改变程度也越大。,在实际运行中，为了合理利用发电机组的容量，希望各台发电机应按照其额定容量的大小成比例的分配其输出的无功电流。从以上分析可以看出，只要并联发电机的 特性完全一致时（为发电机无功电流与其无功电流额定值的比值)，才能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。将并联运行且容量不同的发电机组直接做成相同的 特性是不可能的。在发电机自动励磁调节系统中有一个形成发电机外特性的环节-调差环节，通过它可以改变发电机的外特性，很容易地做到使并联运行发电机组的外特性都一致，从而达到并联机组间无功负荷合理分配的目的。,保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。当系统受到各种干扰或发生各种故障时，系统稳定运行的平衡条件就被打破，系统将从一种运行状态过渡到另一种运行状态。电力系统运行的稳定性就是指从一种稳定运行状态能否过渡到另一种稳定运行状态的能力，它分为静态稳定和暂态稳定两类。现在，又把电力系统受到干扰后，涉及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。下面主要分析发电机的励磁自动控制系统对静态稳定和暂态稳定的影响。,3.提高同步发电机并联运行的稳定性,(1)对静态稳定性的影响。仍以图5.5为例，发电机直接并联于无穷大系统。当忽略发电机定子损耗及凸极效应时，发电机的输出功率为,上式说明，对应于某一固定感应电势值时，发电机输出功率是功角的正弦函数，如图5.7所示，称为同步发电机的功角特性。当功角 时发电机输出功率为最大值，该值称为发电机的极限功率。其大小为,从理论上讲，只要系统所取用的有功功率，发电机的功角，其运行是静态稳定的。否则，发电机就不能稳定运行。从以上分析可知发电机运行的功角愈小，其抗干扰能力愈强，运行的静态稳定性愈好。另一方面，功角愈小发电机输出功率亦越小，发电机的容量不能得到充分利用。在实际运行时，既要考虑充分发挥发电机效力，又要考虑因系统干扰造成发电机运行不稳定，通常是让发电机运行在功角。,图5.7 同步发电机的功角特性,从图5.5(b)发电机稳态运行相量图中可看出，当发电机发出的有功功率PG不变时，通过增加发电机的励磁电流IEF，即增大发电机的感应电势Eq，可使发电机的功角减小，从而提高发电机运行的稳定性。从发电机的功角特性曲线上分析可得到相同的结论，如当系统电压UG不变时，提高发电机的励磁电流IEF，即增大发电机的感应电势Eq，可使发电机的功角特性曲线上移，在相同的功角下，使发电机输出的有功功率增大，从而可保证发电机运行的稳定性。,(2)对暂态稳定性的影响。,当系统正常运行时，发电机工作在a点，发电机输出的有功功率为PG=P1(P1为系统取用的有功功率)。当系统中某点发生故障时，阻断了发电机与系统之间的部分联系(影响程度与故障点至发电机的电气距离有关)，系统取用功率由P1急剧减小，从而使发电机的输出功率PG急剧减小，其运行点突变到曲线2的b点，发电机的输入功率由于惯性而不会突变减小，造成发电机的输入功率大于输出功率，其输入转矩大于发电机的电磁转矩，使发电机转子加速，发电机的运行点由b点沿曲线2向c点移动，其功角不断增大。当故障切除后，发电机运行到曲线3上的d点。如果在故障时快速提高励磁电流，即增加发电机的感应电势，使发电机故障时的功角特性曲线2的幅值增加，从而使发电机在故障时的输出功率相对较大，降低转子加速程度，提高发电机的暂态稳定性。提高同步发电机的强励能力，即提高励磁顶值电压和励磁电压的上升速度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。,同步发电机暂态功角特性曲线如图5.8所示，曲线1对应于正常运行时的状态；曲线2对应于故障时的运行状态；曲线3对应于故障切除后的运行状态。,发电机励磁系统的任务,强行励磁以改善电力系统运行条件,4.改善电力系统的运行条件,4.改善电力系统的运行条件,当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，发电机的励磁自动控制系统可发挥其调节功能，即大幅度地快速增加励磁电流以提高系统电压来改善系统运行条件。,(1)改善异步电动机的自起动条件。电力系统发生短路故障时，故障点附近系统电压大幅下降，使大多数用户的电动机处于回馈制动状态，转速下降。故障切除后，由于电动机自启动时要吸收大量的无功功率，以致延缓了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速系统电压的恢复，有效地改善电动机的自启动条件。图5.9表示了机组有励磁自动控制和没有励磁自动控制时，短路切除后电压恢复的不同情况。,(2)为发电机异步运行创造条件。当发电机的励磁系统发生故障时，有可能使同步发电机失去励磁，这时发电机将从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅下降，严重时会危及系统的安全运行。此时，如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率来维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步方式维持运行。这不但可以确保系统安全运行，而且有利于机组热力设备的运行。(3)提高继电保护装置工作的正确性。当系统处于低负荷运行状态时，系统中的某些发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，有可能导致带时限的继电保护不动。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机的励磁电流以提高系统电压，增大短路电流，使继电保护装置可靠动作。,5.防止水轮发电机过电压,水轮发电机在因系统故障被切除或突然甩负荷时，一方面由于水轮发电机组的机械转动惯量很大，另一方面为了引水管道的安全，不能迅速关闭水轮机的导水叶，致使发电机的转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机感应电势有可能升高到危及定子绕组绝缘的程度。因此要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能.,三、对同步发电机励磁系统设计的基本要求,1.对励磁调节器的要求励磁调节器的主要功能是检测和综合系统运行状态的信息，经相应处理后，产生控制信号，控制励磁功率单元，以得到所要求的发电机励磁电流，对其如下要求:(1)有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。(2)系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机端电压的高低，以维持发电机端电压的给定水平。在调差装置不投入的情况下，励磁控制系统的自然调差系数一般在1%内。,励磁系统的组成如图:,(3)励磁调节器应能合理分配机组的无功功率。为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10%以内进行调整。(4)对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区。(5)励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能，以提高系统暂态稳定和改善系统运行条件。2.对励磁功率单元的要求发电机励磁功率单元向同步发电机提供直流电流，除自并励励磁方式外，一般是由励磁机担当的。励磁功率单元受励磁调节器控制，对其如下要求：,(1)要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和无功功率控制。因此，励磁功率单元应具备足够的容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。(2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的指标。励磁顶值电压是励磁功率电源在强行励磁时可能提供的最高输出电压值，该值与额定工况下励磁电压之比称为强励倍数。其值的大小，涉及制造成本等因素，一般取1.62。,