chap2-1同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)-概述

1、第二章第二章 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)本章主要內容：本章主要內容：同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)構成、基本任務和要求同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)構成、基本任務和要求直流、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，靜止勵磁系統(tǒng)直流、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，靜止勵磁系統(tǒng)磁場的建立過程、滅磁原理、理想的滅磁過程磁場的建立過程、滅磁原理、理想的滅磁過程勵磁調節(jié)器工作原理、工作特性勵磁調節(jié)器工作原理、工作特性靜態(tài)特性定義、調差系數(shù)和調差單元靜態(tài)特性定義、調差系數(shù)和調差單元勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)和穩(wěn)定性分析勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)和穩(wěn)定性分析勵磁調節(jié)器國內外發(fā)展現(xiàn)狀，微機勵磁勵磁調節(jié)器國內外發(fā)展現(xiàn)狀，微機勵磁系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件框圖通過本章學習，

2、要求：通過本章學習，要求：掌握掌握 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的基本構成、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的基本構成、主要任務主要任務;了解了解勵磁系統(tǒng)的基本要求勵磁系統(tǒng)的基本要求;熟悉熟悉同步發(fā)電機的各種勵磁方式；同步發(fā)電機的各種勵磁方式； 掌握掌握比例式勵磁調節(jié)器的工作原理比例式勵磁調節(jié)器的工作原理;掌握掌握同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性；同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性；了解了解同步發(fā)電機微機勵磁系統(tǒng)的工作原理和同步發(fā)電機微機勵磁系統(tǒng)的工作原理和工作特性，同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)工作特性，同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。特性。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述同步發(fā)電機是將旋轉形式的機械功率同步發(fā)電機是

3、將旋轉形式的機械功率轉換成三相交流電功率特定的機械設轉換成三相交流電功率特定的機械設備。為了完成這一轉換，它本身需要備。為了完成這一轉換，它本身需要一個一個直流磁場直流磁場，產生這個磁場的直流，產生這個磁場的直流電流稱為同步發(fā)電機的電流稱為同步發(fā)電機的勵磁電流勵磁電流，又，又稱轉子電流，與勵磁電流有關的元件稱轉子電流，與勵磁電流有關的元件和設備統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。和設備統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)構成圖同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)構成圖圖圖2-1 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)構成示意圖同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)構成示意圖一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務（一）、控制電壓（針對單機帶

4、負荷）（一）、控制電壓（針對單機帶負荷） 電力系統(tǒng)在正常運行時，隨著負荷的波動，電力系統(tǒng)在正常運行時，隨著負荷的波動，電壓就會發(fā)生變化，為了維持電壓在某一允電壓就會發(fā)生變化，為了維持電壓在某一允許值范圍，需要對發(fā)電機的勵磁電流進行自許值范圍，需要對發(fā)電機的勵磁電流進行自動調節(jié)，以維持發(fā)電機的端電壓為給定值。動調節(jié)，以維持發(fā)電機的端電壓為給定值。下面用圖下面用圖2-2來說明勵磁控制系統(tǒng)的電壓來說明勵磁控制系統(tǒng)的電壓調節(jié)作用。調節(jié)作用。 圖圖2-2 同步發(fā)電機感應電動勢和勵磁電流關系同步發(fā)電機感應電動勢和勵磁電流關系（a）同步發(fā)電機運行原理圖；）同步發(fā)電機運行原理圖； （b）等值電路圖；（）等值電

5、路圖；（c）相量圖）相量圖在正常情況下，流經在正常情況下，流經GEW的的IEF在同步在同步發(fā)電機內建立磁場，使定子繞組產生發(fā)電機內建立磁場，使定子繞組產生相應的空載感應電勢相應的空載感應電勢Eq，改變，改變IEF的大的大小，就可使小，就可使Eq發(fā)生相應的變化。即發(fā)生相應的變化。即勵磁電流勵磁電流 I EF 空載電動勢空載電動勢 E q 由等值電路圖（由等值電路圖（b），得），得圖圖c為向量圖為向量圖G發(fā)電機的功率角發(fā)電機的功率角發(fā)電機的功率因素角發(fā)電機的功率因素角IQ和和IP發(fā)電機的無功和有功電流分量發(fā)電機的無功和有功電流分量根據(jù)向量圖，可得根據(jù)向量圖，可得EqIEF IEF不變不變Eq不變，

6、不變，IQ變化變化UG變化變化即：發(fā)電機單機帶負荷運行時，即：發(fā)電機單機帶負荷運行時，電壓的變化主要是由定子電流的電壓的變化主要是由定子電流的無功分量無功分量IQ的變化引起的。勵磁的變化引起的。勵磁控制系統(tǒng)便依據(jù)控制系統(tǒng)便依據(jù)IQ的變化，相應的變化，相應地調節(jié)勵磁電流地調節(jié)勵磁電流IEFEq使使UG恒定恒定圖圖2-3 同步發(fā)電機的外特性同步發(fā)電機的外特性（二）（二） 控制無功功率的分配控制無功功率的分配圖圖2-4 同步發(fā)電機與無限大母線并聯(lián)運行同步發(fā)電機與無限大母線并聯(lián)運行發(fā)電機發(fā)出的發(fā)電機發(fā)出的有功功率有功功率受受調速器調速器控制，調控制，調速器是根據(jù)速器是根據(jù)頻率頻率的變化動作的，而調節(jié)的

7、變化動作的，而調節(jié)無功功率不會引起頻率變化，因此機組無功功率不會引起頻率變化，因此機組發(fā)出的無功功率變化時，發(fā)出的有功功發(fā)出的無功功率變化時，發(fā)出的有功功率率P PG G為常數(shù)。這樣根據(jù)電機學原理可以為常數(shù)。這樣根據(jù)電機學原理可以做出圖做出圖2-42-4，并寫出下列表達式：，并寫出下列表達式：圖2-5 并聯(lián)運行發(fā)電機間無功負荷的分配（a）原理圖； （b）G1和G2不同的外特性結論結論: 并聯(lián)運行的發(fā)電機間并聯(lián)運行的發(fā)電機間無功無功負荷分配負荷分配取決于機組的取決于機組的外特性外特性曲線。曲線越曲線。曲線越平坦平坦的機組，的機組，無功無功電流的增量就電流的增量就越越大大：即發(fā)電機外特性曲線斜率越

8、小，：即發(fā)電機外特性曲線斜率越小，IIQ Q越大。越大。自動調壓器（自動勵磁調節(jié)器）不但自動調壓器（自動勵磁調節(jié)器）不但能維持各發(fā)電機的端電壓基本不變，能維持各發(fā)電機的端電壓基本不變，而且能對其外特性曲線的斜率任意而且能對其外特性曲線的斜率任意進行調整，以達到機組間無功負荷進行調整，以達到機組間無功負荷的合理分配的目的。的合理分配的目的。例例2-1 某電廠有兩臺發(fā)電機在公共母線上并聯(lián)運行，某電廠有兩臺發(fā)電機在公共母線上并聯(lián)運行，一號機的額定功率為一號機的額定功率為25MW25MW，二號機的額定功率為，二號機的額定功率為50MW50MW。兩臺機組的額定功率因數(shù)都是。兩臺機組的額定功率因數(shù)都是0.

9、850.85，外特，外特性曲線斜率為性曲線斜率為0.050.05。如果系統(tǒng)無功負荷使電廠無。如果系統(tǒng)無功負荷使電廠無功功率的增量為它們總無功容量的功功率的增量為它們總無功容量的20%20%，問各機，問各機組承擔的無功負荷增量是多少？母線上的電壓波組承擔的無功負荷增量是多少？母線上的電壓波動是多少？動是多少？ 例例2-1解：解：一號機額定無功功率為一號機額定無功功率為QG1=PG1tg1=25tg(arccos0.85)=15.49(Mvar)二號機額定無功功率為二號機額定無功功率為QG2=PG2tg2=50tg(arccos0.85)=30.99(Mvar)因為兩臺機的外特性曲線斜率均為因為兩

10、臺機的外特性曲線斜率均為0.05，所以公共，所以公共母線上等值機的外特性曲線斜率母線上等值機的外特性曲線斜率Kadj也為也為0.05。母線電壓波動為母線電壓波動為 U*=-KadjQ *=-0.050.2= -0.01例例2-1解（續(xù)）：解（續(xù)）：各機組無功負荷波動量各機組無功負荷波動量:Q1*= -U* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.2Q1=Q1*QG1=0.215.49=3.10(Mvar)Q2*= -U* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.2Q2= Q2*QG2=0.230.99=6.20(Mvar) 一號機組無功負荷增加一號機組無功負荷增加3.1

11、0M var, 二號機組的二號機組的無功負增加無功負增加6.20M var。因為外特性曲線斜率相等，。因為外特性曲線斜率相等，無功負荷的波動量與它們的容量成正比。無功負荷的波動量與它們的容量成正比。例例2-2 在例在例2-12-1中，若一號機的外特性曲線斜中，若一號機的外特性曲線斜率率0.040.04，二號機外特性曲線斜率仍為，二號機外特性曲線斜率仍為0.050.05。當系統(tǒng)無功負荷波動時仍使電廠總無功增當系統(tǒng)無功負荷波動時仍使電廠總無功增加加20%20%，問各機組的無功負荷增量是多少？，問各機組的無功負荷增量是多少？母線上的電壓波動是多少？母線上的電壓波動是多少？例例2-2 解解adjadj

12、GadjGGGadjGadjGGGGGKUKQKQQQUQQKQKQUQQQQQQQ/)/()(221121212211212211046. 005. 099.3004. 049.1599.3049.15)(221121adjGadjGadjKQKQQQK 母線電壓波動為母線電壓波動為 0092. 02 . 0046. 0QKUadj各機組的無功增量各機組的無功增量 23. 004. 0/0092. 0/11adjKUQ185. 005. 0/0092. 0/22adjKUQ56. 349.1523. 0111GQQQ(Mvar)73. 599.30185. 0222GQQQ(Mvar)一號機

13、組的無功負荷增加一號機組的無功負荷增加3.56M var，二號機組的無功負荷增加二號機組的無功負荷增加5.73M var。外特性曲線斜率小的機承擔的無功負荷增量較大。外特性曲線斜率小的機承擔的無功負荷增量較大。 例例2-2 解（續(xù)）解（續(xù)）(三三)提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性1、勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響、勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響（1）電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定）電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定:指電力系指電力系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，受微小擾統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，受微小擾動后恢復到原來運行狀態(tài)的能力動后恢復到原來運行狀態(tài)的能力。（2）同步發(fā)電機的功率特性或功）同步發(fā)電機的功率特性或功角特性角特性,簡單

14、電力系統(tǒng)的功率方程簡單電力系統(tǒng)的功率方程式為：式為：當當90。時，發(fā)電機不能穩(wěn)定運行；時，發(fā)電機不能穩(wěn)定運行；當當 =90。時，發(fā)電機為穩(wěn)定的極限情況時，發(fā)電機為穩(wěn)定的極限情況。圖圖2-6 發(fā)電機的幾條代表性功率特性發(fā)電機的幾條代表性功率特性無自動勵磁調節(jié)時，無自動勵磁調節(jié)時，Eq為常數(shù)，功率極限為常數(shù)，功率極限出現(xiàn)在出現(xiàn)在=90。時；若有靈敏和快速的勵時；若有靈敏和快速的勵磁調節(jié)器，則由一簇不同的磁調節(jié)器，則由一簇不同的Eq相應的功相應的功角特性求出的曲線，如圖曲線角特性求出的曲線，如圖曲線B，最大值，最大值出現(xiàn)在出現(xiàn)在90。時，對于按電壓偏差比例時，對于按電壓偏差比例調節(jié)的勵磁控制系統(tǒng)，功

15、角特性曲線為調節(jié)的勵磁控制系統(tǒng)，功角特性曲線為C，最大值出現(xiàn)在最大值出現(xiàn)在90。時。時。因此，勵磁調節(jié)裝置可提高發(fā)電機輸送功因此，勵磁調節(jié)裝置可提高發(fā)電機輸送功率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備。率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備。2、勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響、勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響（1）電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定：）電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)在某一正常指電力系統(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)、或者恢復到原來運行狀個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)、或者恢復到原來運行狀態(tài)的能力。態(tài)的能力。圖圖2-7 發(fā)電機暫態(tài)功角特性曲線（發(fā)電機暫態(tài)功角特性曲線（a）接線圖；）

16、接線圖； （b） 功角特性功角特性k發(fā)生短路瞬間，功率特性立即下降為發(fā)生短路瞬間，功率特性立即下降為，但由，但由于轉子的慣性，其角度不會立即變化，與無于轉子的慣性，其角度不會立即變化，與無限大系統(tǒng)母線限大系統(tǒng)母線U的角度的角度0仍保持不變，發(fā)電仍保持不變，發(fā)電機的運行點由機的運行點由a點突變到點突變到b點（點（PbPT）,轉子減速，轉子減速，但仍大于但仍大于0，由于轉子慣性，由于轉子慣性， 增大，運行增大，運行點到點到達達g點，回到同步轉速，點，回到同步轉速， 達到最大值。達到最大值。（PgPT）轉子減速，）轉子減速， 減小，運行點由減小，運行點由g點向點向d，k點移動（點移動（k點為點為與虛

17、線左面與虛線左面的交點的交點），發(fā)電機在），發(fā)電機在k點附近振蕩，由于點附近振蕩，由于阻尼作用，最后穩(wěn)定在阻尼作用，最后穩(wěn)定在k點。點。當加速面積當加速面積abce=減速面積減速面積defg，達到暫，達到暫態(tài)穩(wěn)定極限；態(tài)穩(wěn)定極限；當加速面積當加速面積abcd減速面減速面積積defg，暫態(tài)穩(wěn)定，暫態(tài)穩(wěn)定.如圖如圖2-7中，當加速面積中，當加速面積abce能夠小于等于能夠小于等于減速面積減速面積defg，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的，否，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的，否則暫態(tài)不穩(wěn)定則暫態(tài)不穩(wěn)定。因此，故障期間和故障切除后，勵磁系統(tǒng)因此，故障期間和故障切除后，勵磁系統(tǒng)施加的作用是力圖促使發(fā)電機內電動勢施加的作用是力圖促使發(fā)

18、電機內電動勢Eq上升而使上升而使Pmax增加，這樣既減小了增加，這樣既減小了加速面積又同時增加了減速面積，有助加速面積又同時增加了減速面積，有助于暫態(tài)穩(wěn)定。于暫態(tài)穩(wěn)定。(四四)改善電力系統(tǒng)的運行條件改善電力系統(tǒng)的運行條件（五）水輪發(fā)電機組要求實現(xiàn)強行減磁，（五）水輪發(fā)電機組要求實現(xiàn)強行減磁，防止水輪發(fā)電機過電壓防止水輪發(fā)電機過電壓 二、對勵磁系統(tǒng)的基本要求二、對勵磁系統(tǒng)的基本要求（一）專業(yè)術語（一）專業(yè)術語1、 額定勵磁電流額定勵磁電流：指發(fā)電機運行在額定：指發(fā)電機運行在額定電壓、電流、功率因素與轉速下磁場電壓、電流、功率因素與轉速下磁場繞組中的直流電流。繞組中的直流電流。2、 額定勵磁電壓額定勵磁電壓：指在磁場繞組上產生：指在磁場繞組上產生額定勵磁電流所需要的發(fā)電機磁場繞額定勵磁電流所需要的