電力系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)課件：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

電力系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)2025/3/72上次課內(nèi)容準(zhǔn)同期并列的基本原理基于脈動(dòng)電壓的同期條件檢測：脈動(dòng)電壓包絡(luò)線幅值最小值為電壓幅值差、脈動(dòng)電壓包絡(luò)線幅值變化周期為滑差周期自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置基本構(gòu)成：電壓差控制單元、頻率差控制單元、合閘信號(hào)控制單元、電源圖恒定越前時(shí)間控制：考慮到斷路器和自動(dòng)同期裝置動(dòng)作時(shí)間，在機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓相量重合之前提前上述動(dòng)作時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)2025/3/73上次課內(nèi)容恒定越前時(shí)間并列裝置線性整步電壓：幅值與相角差之間成分段線性關(guān)系的三角波電壓，其周期為滑差周期，任一時(shí)刻值對(duì)應(yīng)斷路器兩端電壓相角差；經(jīng)整形電路、相敏電路、濾波回路形成恒定越前時(shí)間并列裝置實(shí)現(xiàn)：線性整步電壓經(jīng)比例-微分電路和電平比較電路實(shí)實(shí)現(xiàn)恒定越前時(shí)間脈沖發(fā)出2025/3/74本次課內(nèi)容同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的含義與任務(wù)含義任務(wù)組成和要求同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)分類及特點(diǎn)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)靜置勵(lì)磁系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)性能指標(biāo)大?。簭?qiáng)勵(lì)倍數(shù)、頂值電壓快慢：電壓響應(yīng)比2025/3/750發(fā)電機(jī)原理回顧自動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)2025/3/761.1同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——含義建立、調(diào)整、熄滅勵(lì)磁繞組電流（直流）根據(jù)勵(lì)磁需要構(gòu)建的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路電壓建立、調(diào)整及在必要時(shí)使其電壓消失的有關(guān)設(shè)備和電路。一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)部分組成2025/3/771.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——任務(wù)電壓控制改變發(fā)電機(jī)外特性控制無功功率的分配并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無功功率合理分配提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件改善異步電機(jī)自啟動(dòng)條件、為同步發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行創(chuàng)造條件、提高繼電保護(hù)動(dòng)作正確性根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁、滅磁水輪機(jī)超速條件下快速減磁，保護(hù)絕緣2025/3/781.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——1電壓控制調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以維持機(jī)端或系統(tǒng)中點(diǎn)的電壓在給定水平IEF·UEF·式中，——發(fā)電機(jī)直軸電抗。空載電勢和機(jī)端電壓的關(guān)系：等值2025/3/79發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢與端電壓的幅值關(guān)系為式中—與間的相角，即發(fā)電機(jī)的功率角；

—發(fā)電機(jī)的無功電流。Ip··xdjIG1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——1電壓控制2025/3/710一般很小，可近似認(rèn)為，可得簡化的運(yùn)算式為同步發(fā)電機(jī)的外特性1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——1電壓控制同步發(fā)電機(jī)的外特性必然是下降的當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓隨無功負(fù)荷增大而下降不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流維持機(jī)端電壓為給定水平使外特性“變硬”2025/3/7111.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——2無功功率分配并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)間按照容量比例承擔(dān)無功功率及其增量分兩種情況分析：理想情況（并聯(lián)與無窮大母線）實(shí)際情況（多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行）如果發(fā)電機(jī)的有功功率恒定，即又UG恒定，則有2025/3/7121.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——2無功功率分配實(shí)際情況（多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行）2025/3/712負(fù)荷并聯(lián)發(fā)電機(jī)間無功電流的分配取決于各發(fā)電機(jī)的外特性發(fā)電機(jī)通常具有下傾的外特性，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行希望發(fā)電機(jī)間無功電流應(yīng)按機(jī)組容量的大小進(jìn)行比例分配并聯(lián)機(jī)組的“UG—IQ*”特性完全一致（IQ*為機(jī)組無功電流標(biāo)幺值）自動(dòng)調(diào)壓器能任意調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓-無功外特性曲線斜率（調(diào)差率）2025/3/7131.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——3提高系統(tǒng)穩(wěn)定性2025/3/713通常將電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題分類：靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定：是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，經(jīng)受微小擾動(dòng)后恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)的能力。暫態(tài)穩(wěn)定：是指電力系統(tǒng)在某一正常運(yùn)行方式下遭受大擾動(dòng)（如短路、斷線、發(fā)電機(jī)失磁等）后，能否恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)、或者過渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，計(jì)及自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置作用的長過程的穩(wěn)定問題。

2025/3/7141.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——3提高系統(tǒng)穩(wěn)定性2025/3/714（1）靜態(tài)穩(wěn)定提升：發(fā)電機(jī)的輸出功率勵(lì)磁系統(tǒng)可以近似保持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)定，將發(fā)電機(jī)的內(nèi)功角特性改變?yōu)闉橥夤翘匦?，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行于功角大于90°的人工穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)而提升靜態(tài)穩(wěn)定極限或穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)2025/3/715,即（a點(diǎn)），系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定,即（b點(diǎn)），系統(tǒng)靜態(tài)不穩(wěn)定,即（中點(diǎn)），系統(tǒng)臨界穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定極限（最大傳輸功率）：1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——3提高系統(tǒng)穩(wěn)定性2025/3/716調(diào)節(jié)勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)外特性相當(dāng)于在多條內(nèi)特性曲線上移動(dòng)綜合而來提高了極限功率，極限穩(wěn)定功角也超過了90°，故提高了靜態(tài)穩(wěn)定性

1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——3提高系統(tǒng)穩(wěn)定性2025/3/7171.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——3提高系統(tǒng)穩(wěn)定性（2）暫態(tài)穩(wěn)定提升：故障期間和故障切除后，勵(lì)磁系統(tǒng)通過強(qiáng)勵(lì)提升發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢而增加電功率輸出，減小加速面積而同時(shí)增加減速面積，進(jìn)而減小不平衡功率而提高暫態(tài)穩(wěn)定性圖2-12短路切除后電壓的恢復(fù)1-無勵(lì)磁自動(dòng)控制；2-有勵(lì)磁自動(dòng)控制2025/3/718電網(wǎng)故障時(shí)，電網(wǎng)電壓降低，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)故障切除后，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，吸收大量無功功率，延緩電網(wǎng)電壓恢復(fù)發(fā)電機(jī)強(qiáng)行勵(lì)磁可輸出更多無功功率，加速電網(wǎng)電壓的恢復(fù)1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——4改善系統(tǒng)運(yùn)行條件（1）改善異步電機(jī)自啟動(dòng)條件2025/3/719同步發(fā)電機(jī)失磁時(shí)，從系統(tǒng)中吸收大量無功功率，造成系統(tǒng)電壓大幅度下降，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行如果系統(tǒng)中其它發(fā)電機(jī)組能提供足夠的無功功率維持系統(tǒng)電壓水平，則失磁的發(fā)電機(jī)還可以在一定時(shí)間內(nèi)以異步運(yùn)行方式維持運(yùn)行可以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行而且有利于機(jī)組熱力設(shè)備的運(yùn)行1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——4改善系統(tǒng)運(yùn)行條件（2）為同步發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行創(chuàng)造條件條件2025/3/720當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不大，若系統(tǒng)此時(shí)發(fā)生短路故障，其短路電流較小，且隨時(shí)間衰減帶時(shí)限的繼電保護(hù)不能正確工作勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)就可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以增大（維持）短路電流，使繼電保護(hù)正確工作1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——4改善系統(tǒng)運(yùn)行條件（3）提高繼電保護(hù)裝置工作的正確性2025/3/721水輪發(fā)電機(jī)組突然跳閘（故障或機(jī)組連切）時(shí)，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(huì)使轉(zhuǎn)速急劇上升如果不采取措施迅速降低發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，則發(fā)電機(jī)電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度在這種情況下，要求勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁1.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)任務(wù)——5強(qiáng)行減磁2025/3/7221.3勵(lì)磁系統(tǒng)——組成勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分組成勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)提供直流電流，除自并勵(lì)勵(lì)磁方式外，一般是由勵(lì)磁機(jī)擔(dān)當(dāng)?shù)?。?lì)磁功率單元受勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制，是一次、主回路（功率回路）部分勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是檢測和綜合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)放大后控制勵(lì)磁功率單元以得到所要求的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。是二次、控制部分2025/3/7231.3勵(lì)磁系統(tǒng)——要求勵(lì)磁功率單元要求：可調(diào)容量、強(qiáng)勵(lì)能力和快速性具有足夠的調(diào)節(jié)容量，適應(yīng)電力系統(tǒng)各種運(yùn)行工況要求足夠的勵(lì)磁頂值電壓和電壓上升速度頂值電壓（UEFq）：勵(lì)磁功率單元能夠輸出的最高輸出電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)：頂值電壓和額定勵(lì)磁電壓之比，通常1.6～2。2025/3/7241.3勵(lì)磁系統(tǒng)——要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器要求：快速響應(yīng)，自然硬特性，特性可調(diào)，無失靈區(qū)，有強(qiáng)勵(lì)等特殊支撐功能時(shí)間常數(shù)小，能迅速響應(yīng)輸入信息（機(jī)端電壓）的變化；系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能維持發(fā)電機(jī)電壓在給定的水平。勵(lì)磁控制系統(tǒng)的自然調(diào)差率一般在1％以內(nèi)；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機(jī)組的無功功率；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率可以在土10％以內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；對(duì)遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機(jī)組，為了能在人工穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器沒有失靈區(qū)；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行勵(lì)磁等控制功能，以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。2025/3/7252勵(lì)磁系統(tǒng)分類勵(lì)磁系統(tǒng)本質(zhì)是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制一個(gè)可控直流源給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電，根據(jù)需要調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。根據(jù)勵(lì)磁功率單元的能量來源（勵(lì)磁電源）的差異，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行分類.發(fā)展歷程：直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)直流勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)靜止勵(lì)磁他勵(lì)自勵(lì)自勵(lì)他勵(lì)自并勵(lì)自復(fù)勵(lì)2025/3/7262.1勵(lì)磁系統(tǒng)分類①直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電源為為與發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)早期常用的一種勵(lì)磁方式按勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組供電方式的不同，又分為自勵(lì)式和他勵(lì)式啟勵(lì)方式：靠剩磁建立電壓缺點(diǎn)：靠機(jī)械整流子（換向器）換向整流，大容量下?lián)Q向困難有電刷、整流子等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸部件，運(yùn)行維護(hù)繁雜，可靠性低，是勵(lì)磁系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)只用在10萬kW（100MW）以下中小容量機(jī)組2025/3/7272.1勵(lì)磁系統(tǒng)分類①直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)FLQIRCLLQILQIZTLRcYHG

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器=L2025/3/7282.1勵(lì)磁系統(tǒng)分類①直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)IZTLFLYHGLILQ==

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器IRC圖2—16他勵(lì)直流勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖2025/3/7292.2勵(lì)磁系統(tǒng)分類②交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電源為為與發(fā)電機(jī)同軸的交流發(fā)電機(jī)根據(jù)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式及整流調(diào)節(jié)方式差異又可以繼續(xù)細(xì)分他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、無刷勵(lì)磁系統(tǒng)啟勵(lì)方式：專門啟勵(lì)電源或采用永磁發(fā)電機(jī)（無刷）勵(lì)磁機(jī)的容量相對(duì)較小，為同步發(fā)電機(jī)容量的0.3％～0.5％用于300MW、600MW、1000MW及更大容量機(jī)組特點(diǎn)我國廣泛采用，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)最豐富的一種取消換向器，提高可靠性，減小維護(hù)工作量主勵(lì)磁機(jī)頻率通常在100Hz，副勵(lì)磁機(jī)一般為500Hz2025/3/7302.2勵(lì)磁系統(tǒng)分類②交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——（1）自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)靜止可控整流器勵(lì)磁系統(tǒng)自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)靜止可控整流器勵(lì)磁接線2025/3/7312.2勵(lì)磁系統(tǒng)分類②交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——（2）他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)（靜置整流器）勵(lì)磁系統(tǒng)2025/3/7322.2勵(lì)磁系統(tǒng)分類②交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——（3）永磁式副勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)永磁式副勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)圖2025/3/7332.2勵(lì)磁系統(tǒng)分類②交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——（4）無刷勵(lì)磁系統(tǒng)圖2-17無刷勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖2025/3/7342.2勵(lì)磁系統(tǒng)分類②交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)——無刷勵(lì)磁系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無炭刷和滑環(huán)，維護(hù)工作量可大為減少發(fā)電機(jī)勵(lì)磁由勵(lì)磁機(jī)獨(dú)立供電，且無滑環(huán)、電刷，勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性高無炭粉和銅末污染，電機(jī)絕緣壽命較長缺點(diǎn)：響應(yīng)速度較慢，需要采取特殊措施加快響應(yīng)：轉(zhuǎn)子采用疊片結(jié)構(gòu)、減小繞組電感取消極面阻尼繞組、增加勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組頂值電壓，引入轉(zhuǎn)子電壓深度負(fù)反饋；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及其勵(lì)磁電路都隨軸旋轉(zhuǎn)，需采取特殊方法實(shí)現(xiàn)檢測、滅磁旋轉(zhuǎn)整流器、快速熔斷器等要求高，要有良好的機(jī)械性能2025/3/7352.3勵(lì)磁系統(tǒng)分類③自并勵(lì)勵(lì)磁勵(lì)磁系統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁方式接線原理圖勵(lì)磁電源為為機(jī)端勵(lì)磁變壓器經(jīng)整流裝置供給啟勵(lì)方式：專門啟勵(lì)電源無轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故稱靜止勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電源由發(fā)電機(jī)提供，勵(lì)磁變并于機(jī)端，故稱發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)2025/3/7362.3勵(lì)磁系統(tǒng)分類③自并勵(lì)勵(lì)磁勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：發(fā)電機(jī)主軸長度縮短、造價(jià)降低、占地減少無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或接觸類元件，使用元件數(shù)目減少，可靠性增加勵(lì)磁電壓相應(yīng)速度快甩負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)過速導(dǎo)致的過電壓低缺點(diǎn)：強(qiáng)勵(lì)效果變差短路電流衰減、影響帶時(shí)限的繼電保護(hù)動(dòng)作正確性解決：轉(zhuǎn)子電流衰減慢采用封閉母線，機(jī)端故障可能性極小2025/3/7373勵(lì)磁系統(tǒng)指標(biāo)根據(jù)不同工作階段的要求，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)該按設(shè)計(jì)建立、調(diào)整、減弱，甚至熄滅發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場，完成起勵(lì)、強(qiáng)勵(lì)、滅磁等各階段功能事故情況下，電網(wǎng)電壓極度降低、無功缺額很大，要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場能夠迅速增加，以彌補(bǔ)系統(tǒng)無功功率缺額，該過程稱為強(qiáng)勵(lì)某些情況（如切機(jī)）下，為防止因過勵(lì)磁而產(chǎn)生過電壓，要求轉(zhuǎn)子磁場內(nèi)存儲(chǔ)的大量能量迅速消釋，稱