第四章-電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制

1、1 勵磁勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器勵磁功勵磁功率單元率單元發(fā)電機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)手動手動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)給定電壓給定電壓輔助控制信號輔助控制信號PTCTULILUGIG同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖4.5 比例式勵磁自動控制的基本原理比例式勵磁自動控制的基本原理2344.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理基本結(jié)構(gòu)與工作原理4.5.1.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 調(diào)差單元調(diào)差單元 測量比較單元測量比較單元 綜合放大單元綜合放大單元 移相觸發(fā)單元移相觸發(fā)單元 可控硅整流單元可控硅整流單元 勵磁功率單元勵磁功率單元 發(fā)電機發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器勵磁調(diào)節(jié)器54.5

2、 比例式勵磁自動控制的基本原理64.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.1.2 工作原理工作原理 正常狀態(tài)下系統(tǒng)工作在某個正常狀態(tài)下系統(tǒng)工作在某個穩(wěn)定的工作點。穩(wěn)定的工作點。當當UG升高時，經(jīng)過調(diào)差、測升高時，經(jīng)過調(diào)差、測量環(huán)節(jié)的輸出量環(huán)節(jié)的輸出UC升高，測量升高，測量比較單元輸出一個負的偏差比較單元輸出一個負的偏差電壓，將使電壓，將使ILL變小從而使變小從而使IL變小，這樣可以降低變小，這樣可以降低UG；當當UG降低時，經(jīng)過調(diào)差、測降低時，經(jīng)過調(diào)差、測量環(huán)節(jié)的輸出量環(huán)節(jié)的輸出UC降低，測量降低，測量比較單元輸出一個正的偏差比較單元輸出一個正的偏差電壓，將使電壓，將使ILL變大從而使變大從

3、而使IL變大，這樣可以升高變大，這樣可以升高UG；達；達到維持機端電壓基本不變的到維持機端電壓基本不變的目的。目的。ILL（ IL）UG勵磁調(diào)節(jié)器的工作特性勵磁調(diào)節(jié)器的工作特性74.5 比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理勵磁功勵磁功率單元率單元移相移相觸發(fā)觸發(fā)同步同步信號信號手動手動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)給定給定電壓電壓輔助控輔助控制信號制信號PTCTULILUGIGUG測量測量比較比較調(diào)差調(diào)差綜合綜合放大放大可控可控整流整流UbU k比例式可控硅勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖比例式可控硅勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖894.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2 比例式可控硅勵磁調(diào)節(jié)器的工作

4、原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-作用及要求l電壓測量比較單元的基本作用是把發(fā)電機電壓變換為與電壓測量比較單元的基本作用是把發(fā)電機電壓變換為與其成正比的直流電壓，與給定電壓進行比較，得到兩者其成正比的直流電壓，與給定電壓進行比較，得到兩者的偏差。的偏差。n測量電路應(yīng)有足夠高的靈敏度，給定電壓應(yīng)穩(wěn)定，保證測量電路應(yīng)有足夠高的靈敏度，給定電壓應(yīng)穩(wěn)定，保證足夠的調(diào)節(jié)范圍。足夠的調(diào)節(jié)范圍。n電路的時間常數(shù)要小。電路的時間常數(shù)要小。n測量電路的輸出電壓應(yīng)平穩(wěn)，紋波要小測量電路的輸出電壓應(yīng)平穩(wěn)，紋波要小104.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-結(jié)構(gòu)測量比較單元結(jié)構(gòu)框圖測

5、量比較單元結(jié)構(gòu)框圖114.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-正序電壓濾過器Ra2 : Rb1 : Xc = 2:1:sqrt(3)12正序濾過器ABCBCARa2 : Rb1 : Xc = 2:1:sqrt(3)ACB134.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-測量變壓器將從電壓互感器二次側(cè)來的電壓降為適用于整流電路所將從電壓互感器二次側(cè)來的電壓降為適用于整流電路所需要的值。需要的值。測量變壓器副邊一般為三相。測量變壓器副邊一般為三相。有的勵磁調(diào)節(jié)器為了減小整流后的交流分量，進而減小有的勵磁調(diào)節(jié)器為了減小整流后的交流分量，進而減小濾

6、波電路的電容量，達到減小測量單元時間常數(shù)的目的，濾波電路的電容量，達到減小測量單元時間常數(shù)的目的，將測量變壓器副邊做成將測量變壓器副邊做成6相，甚至相，甚至12相。相。144.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-整流濾波將測量變壓器副邊輸出的三相電壓整流得到一個反映三將測量變壓器副邊輸出的三相電壓整流得到一個反映三相交流電壓大小的直流電壓。相交流電壓大小的直流電壓。對應(yīng)測量變壓器副邊，整流電路有對應(yīng)測量變壓器副邊，整流電路有3相，相，6相，甚至相，甚至12相相整流。整流。154.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-比較整定電路穩(wěn)壓管穩(wěn)

7、壓管WY1、WY2與與R1、R2組成比較電路組成比較電路電位器電位器W用于整定發(fā)電機用于整定發(fā)電機端電壓端電壓設(shè)設(shè)R1=R2， 且且UWY1=UWY2=Uw164.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-比較整定電路當當UabUw時，時，WY1、WY2導(dǎo)通，兩端電壓為導(dǎo)通，兩端電壓為Uw，則有，則有U1=Uab-UwU2=UwUb=U1-U2=Uab-2Uw174.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-比較整定電路當當UabUw時，時，WY1、WY2導(dǎo)通，兩端電壓為導(dǎo)通，兩端電壓為Uw，則有，則有U1=Uab-UwU2=UwUb=U1-U2

8、=Uab-2Uw184.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元-比較整定電路19204.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.1 電壓測量比較單元電壓測量比較單元-發(fā)電機端電壓發(fā)電機端電壓整定過程整定過程l發(fā)電機端電壓整定發(fā)電機端電壓整定Ugd是指確定發(fā)電機端電是指確定發(fā)電機端電壓穩(wěn)定工作電壓。它是通過調(diào)整電位器壓穩(wěn)定工作電壓。它是通過調(diào)整電位器W的的阻值阻值RW來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。l設(shè)發(fā)電機運行在電壓設(shè)發(fā)電機運行在電壓UG，與之對應(yīng)，比較電，與之對應(yīng)，比較電路的輸出電壓路的輸出電壓Ub=0。若調(diào)整。若調(diào)整W，使阻值，使阻值RW增加，其上電壓降隨之增加。因系統(tǒng)延

9、遲，增加，其上電壓降隨之增加。因系統(tǒng)延遲，發(fā)電機端電壓不會立即下降，即發(fā)電機端電壓不會立即下降，即Uc不變。這不變。這樣，樣，RW增加的結(jié)果會使增加的結(jié)果會使Uab Ub，從而導(dǎo)，從而導(dǎo)致發(fā)電機的勵磁電流致發(fā)電機的勵磁電流ILLUG UC Uab Ub。當上升到。當上升到Ub0 時，調(diào)節(jié)過程時，調(diào)節(jié)過程結(jié)束，發(fā)電機進入新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。結(jié)束，發(fā)電機進入新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。l可見，可見，Rw增大，發(fā)電機電壓升高，反之亦然。增大，發(fā)電機電壓升高，反之亦然。214.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.2 綜合放大單元綜合放大單元-作用及要求作用及要求l作用作用u 綜合放大各種勵磁控制信號。綜合

10、放大各種勵磁控制信號。u 改善勵磁自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標。改善勵磁自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標。u 輸出移相單元所需的輸入電壓。輸出移相單元所需的輸入電壓。l要求要求u 能線性無關(guān)地綜合、放大各輸入信號。能線性無關(guān)地綜合、放大各輸入信號。u 要有足夠的運算精度和放大系數(shù)，且放大系數(shù)可調(diào)。要有足夠的運算精度和放大系數(shù)，且放大系數(shù)可調(diào)。u 要有足夠的響應(yīng)速度，即時間常數(shù)要小。要有足夠的響應(yīng)速度，即時間常數(shù)要小。u 工作穩(wěn)定可靠，輸出阻抗低。工作穩(wěn)定可靠，輸出阻抗低。u 輸出電壓范圍應(yīng)滿足移相觸發(fā)單元的要求。輸出電壓范圍應(yīng)滿足移相觸發(fā)單元的要求。224.5 比例式勵磁自動控制的基本原理

11、4.5.2.2 綜合放大單元-結(jié)構(gòu)及工作原理234.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.3 可控硅整流電路可控硅整流電路-作用作用l 可控硅可控硅 (晶閘管晶閘管)整流電路的作用是將交流整流電路的作用是將交流電壓整流成直流電壓向發(fā)電機勵磁繞組或電壓整流成直流電壓向發(fā)電機勵磁繞組或勵磁機勵磁繞組供給可控制的勵磁電流。勵磁機勵磁繞組供給可控制的勵磁電流。244.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.3 可控硅整流電路-電路結(jié)構(gòu)254.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.3 可控硅整流電路-工作原理l可控硅的通斷：可控硅的通斷：導(dǎo)通：元件兩端加正向電壓，向控制極加正向觸發(fā)信導(dǎo)通

12、：元件兩端加正向電壓，向控制極加正向觸發(fā)信號號截止：加反向電壓，正向電流小于維持電流截止：加反向電壓，正向電流小于維持電流l整流元件的導(dǎo)通次序整流元件的導(dǎo)通次序依次兩兩導(dǎo)通：依次兩兩導(dǎo)通：1, 22,3 3,4 4,5 5,6 6,1 1,2l可控硅的控制角可控硅的控制角三相半控橋整流電路控制角零點為可控硅陽極電壓的三相半控橋整流電路控制角零點為可控硅陽極電壓的自然換相點，下圖中的自然換相點，下圖中的1,3,5點點264.5 比例式勵磁自動控制的基本原理三相半控橋式整流電路的電壓波形圖三相半控橋式整流電路的電壓波形圖274.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.3 可控硅整流電路-工作原

13、理l可控硅的導(dǎo)通角可控硅的導(dǎo)通角電阻負荷：電阻負荷： 60， = 120 60， 60，可能小于可能小于 120 60， = 120l整流電路的輸入電壓整流電路的輸入電壓交流勵磁機，或歷次變壓器副邊交流勵磁機，或歷次變壓器副邊既可是相電壓，也可是線電壓既可是相電壓，也可是線電壓284.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.3 可控硅整流電路-工作原理l整流電路的輸出電壓整流電路的輸出電壓三相半控橋三相半控橋l續(xù)流管的作用續(xù)流管的作用為電能釋放提供通路為電能釋放提供通路2cos134. 22cos135. 1相線UUUL29觸發(fā)角為觸發(fā)角為0度時的波形度時的波形30觸發(fā)角為觸發(fā)角為30度時

14、的波形度時的波形31觸發(fā)角為觸發(fā)角為60度時的波形度時的波形32觸發(fā)角為觸發(fā)角為90度時的波形度時的波形33觸發(fā)角為觸發(fā)角為120度時的波形度時的波形34觸發(fā)角為觸發(fā)角為150度時的波形度時的波形35觸發(fā)角為觸發(fā)角為180度時的波形度時的波形364.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.4 同步及移相觸發(fā)單元-要求l晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)與晶閘管陽極電壓同步保證觸發(fā)脈沖與交流側(cè)主電源同步l觸發(fā)脈沖的移相范圍要符合相應(yīng)可控整流電路的要求三相半控橋、三相全控橋理論移相范圍為0-180為保證可靠工作，實際使用時半控橋移相范圍限制為10-170，全控橋移相范圍限制為20-160l觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功

15、率保證晶閘硅可靠地導(dǎo)通l觸發(fā)脈沖上升沿要陡保證同一橋臂上所有元件同時導(dǎo)通在10us左右374.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.4 同步及移相觸發(fā)單元-要求l 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度 脈沖寬度不小于100us 實驗電路采用雙脈沖l 保證各相晶閘管的控制角 一致 不一致輸出電壓諧波將增大 角偏差不大于5 l 觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路相互隔離 保證觸發(fā)電路不受主電路高電壓的影響384.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.2.4 同步及移相觸發(fā)單元-結(jié)構(gòu)及工作原理394041424.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.3 比例式半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作特性)(1gdGbUUKU電壓測量

16、比較單元：bkUKU2綜合放大單元：kUK3移相觸發(fā)單元：4UKL可控硅整流單元：43444.5 比例式勵磁自動控制的基本原理4.5.3 比例式半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作特性)(1GbUKU電壓測量比較單元：bkUKU2綜合放大單元：kUK 3移相觸發(fā)單元：4UKL可控硅整流單元：GGLUKUKKKK4321U勵磁調(diào)節(jié)器：454.6 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性發(fā)電機調(diào)壓精度：當自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運行、調(diào)差單元退出、電壓給定值不變時，發(fā)電機負載從零到額定值變化時引起的發(fā)電機機端電壓的變化。一般要求不大于0.51%。%100(%)21GeGGJUUU464.6 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特

17、性同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性是指在沒有人工參與調(diào)節(jié)的情況下，發(fā)電機端電壓與發(fā)電機電流的無功分量之間的靜態(tài)特性。此特性通常稱為發(fā)電機外特性或電壓調(diào)節(jié)特性，也稱為電壓調(diào)差特性。474.6 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性一般用發(fā)電機端電壓調(diào)差率或者調(diào)差系數(shù)T來表征電壓調(diào)差特性。%100(%)21GeGGTUUU484.6 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性acccbbcaaaIRUUUUIRUU494.6 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性acccbbcaaaIRUUUUIRUU當負荷電流為無功性質(zhì)時，經(jīng)調(diào)差單元后線電壓明顯增大；當負荷電流為有功性當負荷電流為無功性質(zhì)時，經(jīng)調(diào)差單元后線電壓明顯增

18、大；當負荷電流為有功性質(zhì)時，經(jīng)調(diào)差單元后線電壓經(jīng)過一個旋轉(zhuǎn)，幅值變化不大；可見調(diào)差單元主要反質(zhì)時，經(jīng)調(diào)差單元后線電壓經(jīng)過一個旋轉(zhuǎn)，幅值變化不大；可見調(diào)差單元主要反映了無功負荷電流的變化，滿足調(diào)差單元的基本要求。映了無功負荷電流的變化，滿足調(diào)差單元的基本要求。假設(shè)發(fā)電機機端電壓穩(wěn)定在某一值，而負荷電流增加，則經(jīng)過調(diào)差單元后輸入到假設(shè)發(fā)電機機端電壓穩(wěn)定在某一值，而負荷電流增加，則經(jīng)過調(diào)差單元后輸入到測量比較單元的電壓升高，經(jīng)過勵磁調(diào)節(jié)單元后會降低勵磁電流，使機端電壓降測量比較單元的電壓升高，經(jīng)過勵磁調(diào)節(jié)單元后會降低勵磁電流，使機端電壓降低，形成正調(diào)差。低，形成正調(diào)差。無功負荷電流時無功負荷電流時有功負荷電流時有功負荷電流時50abc