電力系統(tǒng)自動化第3講-勵磁系統(tǒng)1課件

1、第三講 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)（1）肖仕武Office:J5B309Tel:80794899第1頁，共43頁。North China Electric Power University2/432022/8/5主要內(nèi)容1、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務(wù) （1）電壓控制 （2）控制無功功率 （3）提高同步發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性 （4）改善電力系統(tǒng)的運行條件 （5）水輪發(fā)電機強行減磁2、對勵磁系統(tǒng)的基本要求3、同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)的各種類型及其 結(jié)構(gòu)和特點第2頁，共43頁。North China Electric Power University3/432022/8/5第一節(jié) 概述第3頁，共43頁

2、。North China Electric Power University4/432022/8/5第一節(jié) 概述 同步發(fā)電機的運行特性與它的空載電動勢Eq值的大小有關(guān)，而Eq值是發(fā)電機勵磁電流的函數(shù)。改變勵磁電流就可以影響同步發(fā)電機在電力系統(tǒng)中的運行特性。在某些故障情況下，發(fā)電機端電壓降低將導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降，為此，當(dāng)電力系統(tǒng)故障時，要求發(fā)電機迅速增大勵磁電流，以維持電網(wǎng)的電壓水平及穩(wěn)定性。 電力系統(tǒng)在正常運行時，發(fā)電機勵磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運行機組間無功功率分配。 同步發(fā)電機勵磁的自動控制在保證電能質(zhì)量、無功功率的合理分配、提高電力系統(tǒng)運行的可靠性方面均起到十分重要

3、的作用。第4頁，共43頁。North China Electric Power University5/432022/8/5勵磁自動控制系統(tǒng)由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機構(gòu)成了反饋控制系統(tǒng)。向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電流 根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出第5頁，共43頁。North China Electric Power University6/432022/8/5一 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務(wù)1、電壓控制(調(diào)壓精度0.5%)2、控制無功功率分配3、提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性4、改善電力系統(tǒng)的運行條件 改善異步電動機的自啟動條件 為發(fā)電機異步運行創(chuàng)造條件 提高繼電保

4、護裝置工作的正確性5、水輪發(fā)電機組要求實行強行減磁第6頁，共43頁。North China Electric Power University7/432022/8/5 負(fù)荷的無功電流是造成Eq,UG 之間幅值差的主要原因1 電壓控制勵磁自動控制系統(tǒng)擔(dān)負(fù)了維持電壓水平的任務(wù)等值第7頁，共43頁。North China Electric Power University8/432022/8/51 電壓控制機端電壓勵磁電流負(fù)荷無功電流 勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷的調(diào)節(jié)勵磁電流來維持發(fā)電機端電壓為設(shè)定值的 注：改變發(fā)電機的勵磁電流一般都不直接在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路中進行，而是改變勵磁機的勵磁電流的方法來

5、達(dá)到調(diào)節(jié)目的。原因是轉(zhuǎn)子回路的電流很大，不易直接調(diào)整。同步電機外特性第8頁，共43頁。North China Electric Power University9/432022/8/52 控制無功功率分配與無窮大母線并聯(lián)運行單機無窮大系統(tǒng)發(fā)電機發(fā)出的有功功率只受調(diào)速器控制第9頁，共43頁。North China Electric Power University10/432022/8/52 控制無功功率分配與無窮大母線并聯(lián)運行發(fā)電機勵磁電流變化只是改變了機組的無功功率Q和功率角值的大小。與無窮大母線并聯(lián)運行的機組，調(diào)節(jié)勵磁電流就可以改變發(fā)電機的無功功率。第10頁，共43頁。North Chin

6、a Electric Power University11/432022/8/52 控制無功功率分配多臺發(fā)電機并聯(lián)運行并聯(lián)發(fā)電機組無功功率分配取決于各發(fā)電機的外特性，曲線越平坦的機組其無功電流的增量越大通常希望發(fā)電機組間的無功功率分配按照機組容量大小比例分配單純把并聯(lián)所有機組的外特性做成相同是不可能的調(diào)節(jié)勵磁可以任意改變外特性曲線的斜率以達(dá)到合理分配無功的目的。GU1MU2MUQI1QI2QI1QI2QI1G2G2QID1QID第11頁，共43頁。North China Electric Power University12/432022/8/52 控制無功功率分配名稱說明我國在1953年以前

7、把調(diào)整同步發(fā)電機勵磁電流的自動裝置成為“自動調(diào)壓器”，1953年后又改稱為“自動勵磁調(diào)節(jié)器”，現(xiàn)在又有重稱為自動調(diào)壓器的趨勢。第12頁，共43頁。North China Electric Power University13/432022/8/53 提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類在20世紀(jì)60年代及以前1 靜態(tài)穩(wěn)定性2 動態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)受到小擾動后保持所有運行參數(shù)接近正常值的能力系統(tǒng)受到大擾動后，系統(tǒng)參數(shù)恢復(fù)到正常值的能力出現(xiàn)了自動再同期現(xiàn)象發(fā)電機在失去同步后經(jīng)過較短時間的異步運行又自動牽入同步，主系統(tǒng)仍然能夠保持同步1 靜態(tài)穩(wěn)定性2 動態(tài)穩(wěn)定性3 綜合穩(wěn)定性小擾動小變

8、速運行狀態(tài)大擾動小變速運行狀態(tài)大擾動大變速運行狀態(tài)1954年蘇聯(lián)學(xué)者維.柯.維尼柯夫電力系統(tǒng)機電過渡過程第13頁，共43頁。North China Electric Power University14/432022/8/5電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類1 靜態(tài)不穩(wěn)定性1974年美國學(xué)者拜金利及金巴克主編論文集大規(guī)模電力系統(tǒng)穩(wěn)定性2 動態(tài)不穩(wěn)定性3 暫態(tài)不穩(wěn)定性功角過大而失步（滑行失步）大小擾動引起的振蕩失步大擾動后發(fā)電機在第一搖擺失步靜態(tài)/動態(tài)穩(wěn)定性定義及理解出現(xiàn)了混亂1981年在IEEE PES Winter Meeting重新對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行定義1 靜態(tài)穩(wěn)定性/小擾動穩(wěn)定性2 暫態(tài)穩(wěn)定性

9、/大擾動穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)受到小的干擾后，系統(tǒng)會達(dá)到與受干擾前相同或接近的運行狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)遭受到干擾后，系統(tǒng)可以達(dá)到一個可以接受的穩(wěn)定運行狀態(tài)所加干擾足夠小，可以用系統(tǒng)的線性化方程來描述系統(tǒng)過渡過程所加的干擾使得不能用系統(tǒng)的線性化方程來描述系統(tǒng)過渡過程第14頁，共43頁。North China Electric Power University15/432022/8/5電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類2004年8月，IEEE發(fā)表了CIGRE第38委員會與IEEE系統(tǒng)動態(tài)行為委員會聯(lián)合小組制定的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類及定義電力系統(tǒng)穩(wěn)定性功角穩(wěn)定性頻率穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性小干擾功角穩(wěn)定性大干擾功角穩(wěn)定性小干擾電壓穩(wěn)定性

10、大干擾電壓穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性第15頁，共43頁。North China Electric Power University16/432022/8/5電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類功角穩(wěn)定性注：把原來的靜態(tài)穩(wěn)定（小擾動穩(wěn)定性）和暫態(tài)穩(wěn)定性（大干擾穩(wěn)定性）合起來統(tǒng)稱為功角穩(wěn)定性表征著系統(tǒng)維持同步的能力，主要原因是發(fā)電機輸入、輸出轉(zhuǎn)矩平衡受到破壞，失步的形式可能是功角單調(diào)增長，也可能是增幅振蕩。分析時間為1020s靜態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)在小干擾下維持同步的能力滑行失步型振蕩失步型暫態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)在大干擾下維持同步的能力功角非周期增長而失步增幅的低頻振蕩而失步第16頁，共43頁

11、。North China Electric Power University17/432022/8/5電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類電壓穩(wěn)定性表征著系統(tǒng)在給定的初始條件下，受到擾動后維持所有母線的電壓的能力。主要原因是負(fù)荷需求與系統(tǒng)可能提供的總量出現(xiàn)了不平衡。表現(xiàn)在電壓持續(xù)下降（或上升），又稱“電壓崩潰”。發(fā)電機的勵磁控制產(chǎn)生重要的影響：在過渡過程中，當(dāng)勵磁電流的增長達(dá)到設(shè)定的限幅值（相當(dāng)于勵磁控制退出），常常是出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的直接原因。大干擾電壓穩(wěn)定性小干擾電壓穩(wěn)定性短期電壓穩(wěn)定性長期電壓穩(wěn)定性系統(tǒng)在大干擾后維持可接受穩(wěn)態(tài)電壓的能力系統(tǒng)在小干擾后維持可接受穩(wěn)態(tài)電壓的能力包含快速響應(yīng)負(fù)荷和勵磁控制

12、等動態(tài)特性及相互作用包含慢速響應(yīng)負(fù)荷和勵磁限幅器等動態(tài)特性及相互作用第17頁，共43頁。North China Electric Power University18/432022/8/5電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類頻率穩(wěn)定性1 表征著系統(tǒng)遭受到嚴(yán)重的故障造成出力與負(fù)荷出現(xiàn)較大的不平衡時維持頻率在可接受的范圍的能力。取決于系統(tǒng)在切除最大可能切除的負(fù)荷后是否能夠恢復(fù)出力與負(fù)荷之間的平衡。2 頻率發(fā)生不穩(wěn)定時，潮流、電壓及其他變量會出現(xiàn)大的波動，并引起系統(tǒng)中控制和保護的動作，造成更多機組或負(fù)荷的切除。這種情況出現(xiàn)在大系統(tǒng)因失步而解列為數(shù)個孤立系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，發(fā)電機之間的穩(wěn)定不是問題，主要是出力和

13、負(fù)荷是否會保持平衡。頻率過渡過程時間秒級（幾秒）低壓及低頻減載、發(fā)電機控制器起主要作用分級（幾分）鍋爐、機組保護和負(fù)荷調(diào)壓系統(tǒng)起主要作用第18頁，共43頁。North China Electric Power University19/432022/8/5電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類 我國在2001年制定的DL755-2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則中將穩(wěn)定性分為： 靜態(tài)穩(wěn)定性小擾動穩(wěn)定性 暫態(tài)穩(wěn)定性大擾動穩(wěn)定性 動態(tài)穩(wěn)定性動態(tài)穩(wěn)定性 電力系統(tǒng)受到小擾動時，考慮調(diào)節(jié)器及元件動態(tài)，并分析它在暫態(tài)過程后能否趨于或者接近原來穩(wěn)定工況的能力。第19頁，共43頁。North China Electric Po

14、wer University20/432022/8/5評價為什么要分類？交流，技術(shù)發(fā)展定義針對現(xiàn)象，不嚴(yán)格。小擾動， 多小的擾動算小擾動?大擾動， 多大的擾動算大擾動?線性化數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：Hartman線性化定理 即:如果方陣A的特征根實部異于零,f(x)有界且有小Lipschitz常數(shù),則存在Rn的同胚將非線性系x=Ax+f(x)的解映為線性系x=Ax的解大擾動： 解析：Lyapunov法處理(電力系統(tǒng)能量函數(shù))，時域仿真法第20頁，共43頁。North China Electric Power University21/432022/8/5勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響 Eq不變，有功增加 Eq不變，

15、有功增加，UG下降第21頁，共43頁。North China Electric Power University22/432022/8/5勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)使得 為常數(shù) 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限第22頁，共43頁。North China Electric Power University23/432022/8/5勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響 勵磁系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在使得發(fā)電機內(nèi)電勢上升而增加電功率輸出，提高了功率極限，從而減小加速面積，增加了減速面積，提高了暫態(tài)穩(wěn)定性實現(xiàn)手段：1、縮小勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)2、盡可能提高強行勵磁倍數(shù)Pd故障前故障后（未調(diào)勵磁）故障時（未調(diào)勵磁

16、）故障后（調(diào)勵磁）故障時（調(diào)勵磁）第23頁，共43頁。North China Electric Power University24/432022/8/54 改善電力系統(tǒng)運行條件1、改善異步電動機的自啟動條件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短路切除后的電壓恢復(fù)曲線無勵磁控制有勵磁控制 可以調(diào)節(jié)勵磁(其他機組)為失磁異步運行的同步發(fā)電機提供大量的無功功率，以維持其運行調(diào)節(jié)勵磁電流來增大短路電流以保證繼電保護正確工作低負(fù)荷，小短路電流繼電保護拒動第24頁，共43頁。North China Electric Power University25/432022/8/55 水

17、輪發(fā)電機實行強行減磁水輪發(fā)電機組因故障而跳閘調(diào)速系統(tǒng)具有較大的慣性導(dǎo)水葉不能迅速關(guān)閉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速急劇上升勵磁電流不調(diào)整發(fā)電機端電壓上升而危及定子絕緣勵磁電流迅速調(diào)整機組安全第25頁，共43頁。North China Electric Power University26/432022/8/5實測勵磁響應(yīng)曲線(1)(機端電壓0.995-0.98)自并勵，175MW水輪機第26頁，共43頁。North China Electric Power University27/432022/8/5實測勵磁響應(yīng)曲線(2)安徽銅陵4發(fā)電機(300MW,20kV),機端勵磁第27頁，共43頁。North China

18、 Electric Power University28/432022/8/5實測勵磁響應(yīng)曲線(3)(300MW)三機無刷勵磁，ABB-UNITROL F第28頁，共43頁。North China Electric Power University29/432022/8/5二 對勵磁系統(tǒng)的基本要求向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電流 根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出第29頁，共43頁。North China Electric Power University30/432022/8/51 對勵磁調(diào)節(jié)器的要求1、具有較小的時間常數(shù)，能夠迅速響應(yīng)輸入信息的變化2、系統(tǒng)正常運行時，勵磁調(diào)節(jié)器

19、能反映發(fā)電機電壓的高低來維持發(fā)電機電壓在給定的水平3、勵磁調(diào)節(jié)器能夠合理分配機組的無功功率4、對遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機組，要求沒有失靈區(qū)，以使其在穩(wěn)定區(qū)運行5、勵磁調(diào)節(jié)器迅速反映系統(tǒng)故障，具備強行勵磁的功能，提高暫態(tài)穩(wěn)定性和改善系統(tǒng)的運行條件6、勵磁調(diào)節(jié)器能夠長期可靠工作，具有高可靠性工作可靠，功能齊全，各種工況下性能優(yōu)越。第30頁，共43頁。North China Electric Power University31/432022/8/52 對勵磁功率單元的要求1、要求勵磁功率單元有足夠的可靠性，具有一定的調(diào)節(jié)容量。2、具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。就改善電力系統(tǒng)運行條件和提高電力系統(tǒng)

20、暫態(tài)穩(wěn)定性而言，勵磁功率單元應(yīng)該具有較大的強勵能力和快速響應(yīng)能力。注：1、勵磁頂值電壓是勵磁功率單元在強行勵磁時可能提供的最高輸出電壓值。2、勵磁頂值電壓與額定勵磁電壓之比為強勵倍數(shù)，一般為1.62第31頁，共43頁。North China Electric Power University32/432022/8/5結(jié)后語勵磁機容量僅僅占發(fā)電機的0.250.5%但作用巨大電壓控制控制無功功率分配提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性改善電力系統(tǒng)的運行條件改善異步電動機的自啟動條件為發(fā)電機異步運行創(chuàng)造條件提高繼電保護裝置工作的正確性水輪發(fā)電機組要求實行強行減磁第32頁，共43頁。North China

21、Electric Power University33/432022/8/5第二節(jié) 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)交流勵磁機勵磁系統(tǒng)靜止勵磁系統(tǒng)(自并/復(fù)勵)在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，機組容量小機組容量增大，機械整流困難，大功率半導(dǎo)體技術(shù)成熟與發(fā)電機同軸旋轉(zhuǎn)1050MW100125MW勉強三機勵磁無刷勵磁第33頁，共43頁。North China Electric Power University34/432022/8/5同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)系統(tǒng)分類同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)勵磁功率單元自動勵磁調(diào)節(jié)器交流電源勵磁直流電源勵磁機電式勵磁調(diào)節(jié)器半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器計算機勵磁調(diào)節(jié)器交流電

22、源整流電路它勵自勵靜止旋轉(zhuǎn)靜止勵磁第34頁，共43頁。North China Electric Power University35/432022/8/51 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)自勵型共同擔(dān)負(fù)勵磁機的勵磁繞組EEW的調(diào)節(jié)功率直流勵磁機勵磁機的勵磁繞組100MW機組第35頁，共43頁。North China Electric Power University36/432022/8/51 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)他勵型與自勵型相比，多了一臺副勵磁機，時間常數(shù)小，提高了勵磁系統(tǒng)的電壓增長速率。副勵磁機有電刷，整流器件等旋轉(zhuǎn)部件，維護復(fù)雜可靠性低。100MW機組第36頁，共43頁。North China El

23、ectric Power University37/432022/8/52 交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)他勵型1、交流勵磁機、副勵磁機和發(fā)電機同軸，獨立電源，可靠性高2、交流勵磁機時間常數(shù)大,100/150Hz疊片使時間常數(shù)減一半3、采用永磁發(fā)電機作為副勵磁機可以簡化設(shè)備，提高可靠性100MW機組三機勵磁IEF8kA第37頁，共43頁。North China Electric Power University38/432022/8/5勵磁+發(fā)電機第38頁，共43頁。North China Electric Power University39/432022/8/52 交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)他勵型1、無碳刷和滑環(huán) (60年代西屋公司研發(fā))2、運行維護不便，轉(zhuǎn)子回路電流電壓不能用常規(guī)儀表測量，不能實現(xiàn)電壓反饋，不利于穩(wěn)定運行的措施3、已經(jīng)被國外大公司采用，將來發(fā)展如何有待于現(xiàn)場運行經(jīng)驗的積累(目前西屋公司500多臺，英國/蘇聯(lián).國內(nèi)80s引進,大亞灣)無刷勵磁第39頁，共43頁。North China El