第三章-同步發(fā)電機勵磁自動調(diào)節(jié)

總述勵磁系統(tǒng)的任務(wù)勵磁系統(tǒng)的類型勵磁系統(tǒng)的整流電路并聯(lián)機組間無功分配勵磁裝置的原理當(dāng)前第1頁\共有75頁\編于星期六\15點第一節(jié)概述同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)

勵磁功率單元

勵磁調(diào)節(jié)器

G發(fā)電機電力系統(tǒng)勵磁自動控制系統(tǒng)構(gòu)成控制同步發(fā)電機的勵磁同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的空載電動勢的大小發(fā)電機的勵磁電流當(dāng)前第2頁\共有75頁\編于星期六\15點一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務(wù)電壓控制無功分配提高穩(wěn)定強行勵磁強行減磁當(dāng)前第3頁\共有75頁\編于星期六\15點一發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)（一）電壓控制

等值電路相量圖GGEWUEF.IEF.UGIG..xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.φjIGxd.Eq.δGφjIQxd.當(dāng)前第4頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)電壓控制同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵磁電流來維持機端電壓為給定水平的。當(dāng)前第5頁\共有75頁\編于星期六\15點GIEFUGIGEqIGUGIEF1UGUG2UGeIQIEF2IQ2IQ1EqUGjIGXdIGIQIP負荷中的無功電流是造成Eq和UG幅值差的主要原因。同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵磁電流來維持端電壓在給定水平的。

當(dāng)前第6頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)（二）控制無功功率的分配

設(shè)單機無窮大系統(tǒng)：GIG.UG=常數(shù).當(dāng)前第7頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)控制無功功率的分配由于發(fā)電機發(fā)出的有功功率只受調(diào)速器控制，與勵磁電流的大小無關(guān)。當(dāng)前第8頁\共有75頁\編于星期六\15點靜態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，經(jīng)受微小擾動后恢復(fù)到原來運行狀態(tài)的能力。

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某一正常運行方式下突然遭受大擾動后，能否過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)、或者恢復(fù)到原來運行狀態(tài)的能力。

電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，計及自動調(diào)節(jié)和控制裝置作用的長過程的運行穩(wěn)定問題稱為動態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)前第9頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性1勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響發(fā)電機的輸出功率為當(dāng)前第10頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性abc同步發(fā)電機的功角特性最大可能傳輸?shù)墓β蕵O限為

當(dāng)前第11頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性它使發(fā)電機能在大于90度范圍的人工穩(wěn)定區(qū)運行，即可提高發(fā)電機輸送功率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備。當(dāng)前第12頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性2勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定等面積法則當(dāng)前第13頁\共有75頁\編于星期六\15點PGmax*0.750.700.650.500.3500.20.40.60.8Te(s)K=4K=1K=2PGmax*0.750.700.650.500.3501234KTe=0.1STe=0.8S要使勵磁系統(tǒng)在短暫過程中完成符合要求的控制必須要求勵磁系統(tǒng)具備快速響應(yīng)的條件。為此，一方面縮小勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)，另一方面盡可能提高強行勵磁的倍數(shù)。當(dāng)前第14頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)（四）強行勵磁以改善電力系統(tǒng)運行條件1改善異步電動機的自啟動2為異步發(fā)電機運行創(chuàng)造條件3提高繼電保護工作的準(zhǔn)確性當(dāng)前第15頁\共有75頁\編于星期六\15點1．改善異步電動機的自起動條件

2．為發(fā)電機異步運行創(chuàng)造條件

3．提高繼電保護裝置工作的正確性1201008060402000102030t(s)U(%)當(dāng)前第16頁\共有75頁\編于星期六\15點發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)（五）水輪發(fā)電機強行減磁當(dāng)水輪發(fā)電機組發(fā)生故障突然跳閘時，由于它的調(diào)速系統(tǒng)具有較大的慣性，不能迅速關(guān)閉導(dǎo)水葉，因而會使轉(zhuǎn)速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發(fā)電機的勵磁電流，，則發(fā)電機電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以，在這種情況下，要求勵磁自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)強行減磁。當(dāng)前第17頁\共有75頁\編于星期六\15點二、對勵磁系統(tǒng)的基本要求維持電壓水平和無功的合理分配控制能力和調(diào)節(jié)范圍快速反應(yīng)能力高度的可靠性快速性結(jié)構(gòu)簡單，易于維護足夠的阻尼能力當(dāng)前第18頁\共有75頁\編于星期六\15點三對勵磁系統(tǒng)的基本要求勵磁調(diào)節(jié)器:檢測和綜合系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息,以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號,經(jīng)放大后控制勵磁功率單元以得到所要求的發(fā)電機勵磁電流。其基本要求勵磁功率單元:受勵磁調(diào)節(jié)器控制，并向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。其基本要求當(dāng)前第19頁\共有75頁\編于星期六\15點系統(tǒng)正常運行時,勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能反映發(fā)電機電壓高低以維持發(fā)電機電壓在給定水平；靜差率勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機組的無功功率；對遠距離輸電的發(fā)電機組，為了能在人工穩(wěn)定區(qū)域運行，要求勵磁調(diào)節(jié)器沒有失靈區(qū)；勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運行條件；具有較小的時間常數(shù)，能迅速響應(yīng)輸入信息的變化。1對勵磁調(diào)節(jié)器的要求當(dāng)前第20頁\共有75頁\編于星期六\15點2對勵磁功率單元的要求

要求勵磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調(diào)節(jié)容量。在電力系統(tǒng)運行中，發(fā)電機依靠勵磁電流的變化進行系統(tǒng)電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁功率單元應(yīng)具備足夠的調(diào)節(jié)容量以適應(yīng)電力系統(tǒng)中各種運行工況的要求。具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。從改善電力系統(tǒng)運行條件和提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性來說，希望勵磁功率單元具有較大的強勵能力和快速的響應(yīng)能力。因此，在勵磁系統(tǒng)中勵磁頂值電壓和電壓上升速度是兩項重要的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前第21頁\共有75頁\編于星期六\15點第二節(jié)同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)類型勵磁系統(tǒng)直流勵磁機交流勵磁機靜止勵磁當(dāng)前第22頁\共有75頁\編于星期六\15點第二節(jié)同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)的歷史直流勵磁機勵磁系統(tǒng)

機械整流子在換流方面遇到了困難，且大功率半導(dǎo)體整流元件制造工藝的日益成熟。交流勵磁機勵磁系統(tǒng)(交流發(fā)電機和半導(dǎo)體整流元件組成)

靜止勵磁系統(tǒng)(發(fā)電機自并勵系統(tǒng))

為了縮短主軸長度，降低造價，減少環(huán)節(jié)。幾種常用的勵磁系統(tǒng)簡要介紹（重點分析勵磁功率單元）當(dāng)前第23頁\共有75頁\編于星期六\15點一直流勵磁機勵磁系統(tǒng)（100MW以下）

按勵磁機的勵磁繞組供電方式的不同

自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)

他勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)當(dāng)前第24頁\共有75頁\編于星期六\15點=G勵磁調(diào)節(jié)器IAVRIEEIRIE1自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)

DER當(dāng)前第25頁\共有75頁\編于星期六\15點2他勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)G勵磁調(diào)節(jié)器IEEIR=IE=IAVRPEDE當(dāng)前第26頁\共有75頁\編于星期六\15點二、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)（100MW以上）

交流勵磁機勵磁系統(tǒng)根據(jù)勵磁機電源整流方式及整流器狀態(tài)的不同可分為以下幾種。他勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng)

自勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng)他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)他勵交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)(無刷勵磁)自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統(tǒng)自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)當(dāng)前第27頁\共有75頁\編于星期六\15點1他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)G自勵恒壓調(diào)節(jié)器放大器觸發(fā)器電壓檢測調(diào)差勵磁調(diào)節(jié)器交流發(fā)電機交流勵磁機交流副勵磁機可控整流器滑環(huán)起勵電源VSR當(dāng)前第28頁\共有75頁\編于星期六\15點2他勵交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)(無刷勵磁)G勵磁調(diào)節(jié)器交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)元件永磁副勵磁機晶閘管整流器NS當(dāng)前第29頁\共有75頁\編于星期六\15點1自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統(tǒng)GAVR滑環(huán)自動恒壓元件電壓起勵元件VSAE起勵電源當(dāng)前第30頁\共有75頁\編于星期六\15點2自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)G

勵磁調(diào)節(jié)器滑環(huán)電壓起勵元件VSAE起勵電源當(dāng)前第31頁\共有75頁\編于星期六\15點三靜止勵磁系統(tǒng)(發(fā)電機自并勵系統(tǒng))G

勵磁調(diào)節(jié)器滑環(huán)電壓起勵元件VS起勵電源當(dāng)前第32頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁系統(tǒng)的整流電路整流電路三相橋式不可控三相橋式半控三相橋式全控當(dāng)前第33頁\共有75頁\編于星期六\15點第三節(jié)勵磁系統(tǒng)中的整流電路

三相橋式不可控整流電路三相橋式半控整流電路三相橋式全控整流電路一三個基本整流電路二整流電路的換流壓降及外特性

三最小逆變角當(dāng)前第34頁\共有75頁\編于星期六\15點+-RfeaebecV1V3V5V4V6V2三相橋式不可控整流電路eaecebteabacbcbacacbabacbc161232345456161232ut1工作原理共陰極連接的二極管，在t=30-150之間是V1導(dǎo)通，V3、V5承受反壓而關(guān)斷；在t=150-270之間是V3導(dǎo)通；在t=270-390之間是V5導(dǎo)通。共陽極連接的二極管，在t=90-210之間是V2導(dǎo)通，V4、V6承受反壓而關(guān)斷；在t=210-330之間是V4導(dǎo)通；在t=330-450之間是V6導(dǎo)通。當(dāng)前第35頁\共有75頁\編于星期六\15點2輸出電壓當(dāng)前第36頁\共有75頁\編于星期六\15點RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V三相橋式半控整流電路1工作原理當(dāng)前第37頁\共有75頁\編于星期六\15點eaecebteugabacbcbacacbabacbc161232345456161232tut脈沖控制角=0135當(dāng)前第38頁\共有75頁\編于星期六\15點RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=30°euguLttt當(dāng)前第39頁\共有75頁\編于星期六\15點RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=60°uguLttet當(dāng)前第40頁\共有75頁\編于星期六\15點RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=120°uguLttet當(dāng)前第41頁\共有75頁\編于星期六\15點RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=180°uguLttet當(dāng)前第42頁\共有75頁\編于星期六\15點2輸出電壓與控制角關(guān)系當(dāng)前第43頁\共有75頁\編于星期六\15點3失控現(xiàn)象和續(xù)流二極管的作用uguLttett3t4t5RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2VeaecVS1V2V+(-)-(+)當(dāng)前第44頁\共有75頁\編于星期六\15點三相橋式全控整流電路ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L當(dāng)前第45頁\共有75頁\編于星期六\15點◤在晶閘管需導(dǎo)通的區(qū)域僅用初始的一個窄脈沖去觸發(fā)的方式稱“單窄脈沖觸發(fā)”

◢

◤每個元件除了在各自的換流點處有一個脈沖之外，還在60度電角度之后的下一個導(dǎo)通元件的導(dǎo)通時刻補了一個脈沖。所補的脈沖在電流連續(xù)的穩(wěn)態(tài)工作時并不起任何作用，但它卻是電路啟動及在電流斷續(xù)時使電路正常工作所不可缺少的，這種觸發(fā)方式稱之為“雙窄脈沖觸發(fā)”。

◢

◤若把上面的雙窄脈沖連成一個寬脈沖，電路當(dāng)然也可正常工作，這種觸發(fā)方式稱之為“寬脈沖觸發(fā)”◢

三相橋式全控整流電路觸發(fā)脈沖的形式ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L當(dāng)前第46頁\共有75頁\編于星期六\15點euLugtttugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=0°工作原理當(dāng)前第47頁\共有75頁\編于星期六\15點ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=60°euLugtttugt2當(dāng)前第48頁\共有75頁\編于星期六\15點ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=90°uLtugtugtett1t2當(dāng)前第49頁\共有75頁\編于星期六\15點ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=60°150°eugtttugtuLt1t2VS6VS1VS3VS2VS4當(dāng)前第50頁\共有75頁\編于星期六\15點3輸出電壓與控制角關(guān)系電感性負載逆變角=180°-uLtugtugtett1t2在<90時，輸出平均電壓Ud為正，三相全控橋工作在整流狀態(tài)。在>90時，輸出平均電壓Ud為負，三相全控橋工作在逆變狀態(tài)。當(dāng)前第51頁\共有75頁\編于星期六\15點電阻性負載電阻性負載uLtugtugtett1t2當(dāng)前第52頁\共有75頁\編于星期六\15點ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2Leidugtttugtt1二整流電路的換流壓降及外特性換流角當(dāng)前第53頁\共有75頁\編于星期六\15點當(dāng)前第54頁\共有75頁\編于星期六\15點ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2LeaebecVS1VS3VS2LLLi以上討論中均假設(shè)換流角＜60，當(dāng)交流回路中電抗較大，并且直流負載電流較大時，換流角也會增大。當(dāng)＞60時，整流回路中換流過程將發(fā)生變化，此時不能用上式來計算整流電路輸出的直流電壓。

當(dāng)前第55頁\共有75頁\編于星期六\15點etugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2Lugtt0t1VS1VS3VS5VS2VS6VS4三最小逆變角晶閘管關(guān)斷角

當(dāng)前第56頁\共有75頁\編于星期六\15點第四節(jié)勵磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性和并聯(lián)機組間無功分配勵磁控制系統(tǒng)框圖同步發(fā)電機勵磁功率單元勵磁調(diào)節(jié)器手動自動勵磁調(diào)節(jié)器檢測發(fā)電機的電壓、電流或其它狀態(tài)量，然后按指定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則對勵磁功率單元發(fā)出控制信號，實現(xiàn)控制功能。

勵磁系統(tǒng)其他信號當(dāng)前第57頁\共有75頁\編于星期六\15點一勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖比例式勵磁調(diào)節(jié)器勵磁調(diào)節(jié)器最基本的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓。常用的勵磁調(diào)節(jié)器是比例式調(diào)節(jié)器，它的主要輸入量是發(fā)電機端電壓，其輸出用來控制勵磁功率單元。電壓升高時輸出減小，電壓降低時輸出增大。當(dāng)前第58頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖勵磁調(diào)節(jié)器基本框圖當(dāng)前第59頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖勵磁調(diào)節(jié)器的簡化框圖勵磁調(diào)節(jié)器的特性曲線在工作區(qū)內(nèi)的陡度，是調(diào)節(jié)器性能的主要指標(biāo)之一，即測量K1綜合放大K2移相觸發(fā)K3可控整流K4UGUREFUdeUSMUAVRK——調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)當(dāng)前第60頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖勵磁調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作特性調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K與組成調(diào)節(jié)器的各單元增益的關(guān)系為勵磁調(diào)節(jié)器總的放大倍數(shù)等于各組成單元放大倍數(shù)的乘積0000UdeUAVRUAVRUdeUGUGUSMUSMUREFba當(dāng)前第61頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性發(fā)電機調(diào)節(jié)特性當(dāng)前第62頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性無功調(diào)節(jié)特性在公共母線上并聯(lián)運行的發(fā)電機組間無功功率的分配，主要取決于各臺發(fā)電機的無功調(diào)節(jié)特性。而無功調(diào)節(jié)特性是用調(diào)差系數(shù)來表征的:調(diào)差系數(shù)越小說明IQ對UG影響越小UGUG1UG20IQIQNΔUG當(dāng)前第63頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性調(diào)差系數(shù)存在的意義:①能平穩(wěn)地改變無功負荷，不致發(fā)生無功功率的沖擊；②保證并聯(lián)運行的發(fā)電機組間無功功率的合理分配。UGIQδ=0δ<0δ>0UG0當(dāng)前第64頁\共有75頁\編于星期六\15點勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性發(fā)電機無功電流的轉(zhuǎn)移

3-2-1IQ投入運行到合適點,無沖擊1-2-3退出運行,IQ減小到零,無沖擊UGIQUM123IQ2IQ1當(dāng)前第65頁\共有75頁\編于星期六\15點并聯(lián)運行機組間的無功功率分配無差調(diào)節(jié)特性

1無差+有差有困難無法穩(wěn)定不能并聯(lián)運行

2無差+無差

UGIQⅠ

δ=0Ⅱ’δ<0Ⅱ

δ>0UⅠUⅡUⅡ’IQ2UGIQⅠⅡUⅠUⅡ當(dāng)前第66頁\共有75頁\編于星期六\15點并聯(lián)運行機組間的無功功率分配有差調(diào)節(jié)特性UGUGⅠUGⅡ0IQI’QⅠⅠⅡUG0