第3講 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)及特性分析(1)

第三講同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)及特性分析（1）主講人：李巖松華北電力大學電氣與電子工程學院liyansong811@126.com第三章同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)及特性分析本章講述電力系統(tǒng)的自動調(diào)壓問題，包含發(fā)電機的自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)，也包括和用戶的電壓穩(wěn)定問題。2023/12/182NorthChinaElectricPowerUniversity第一節(jié)概述2023/12/183NorthChinaElectricPowerUniversity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值的大小有關(guān)，而值是發(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致電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降，為此，當電力系統(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的作用。2023/12/184NorthChinaElectricPowerUniversity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)準則控制勵磁功率單元的輸出2023/12/185NorthChinaElectricPowerUniversity一同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的作用1、維持發(fā)電機機端電壓在給定水平2、使并列發(fā)電機組間無功功率合理分配3、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電線路有功傳輸能力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

提高繼電保護裝置工作的正確性5、發(fā)電機組突然解列實行強行減磁6、發(fā)電機內(nèi)部故障時快速滅磁7、采取適當輔助勵磁控制2023/12/186NorthChinaElectricPowerUniversity負荷的無功電流是造成之間幅值差的主要原因1維持發(fā)電機機端電壓在給定水平勵磁自動控制系統(tǒng)擔負了維持電壓水平的任務(wù)等值2023/12/187NorthChinaElectricPowerUniversity1維持發(fā)電機機端電壓在給定水平發(fā)電機端電壓勵磁電流負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達到調(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。2023/12/188NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列發(fā)電機組間無功功率合理分配單機無窮大系統(tǒng)發(fā)電機發(fā)出的有功功率只受調(diào)速器控制2023/12/189NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列發(fā)電機組間無功功率合理分配發(fā)電機勵磁電流變化只是改變了機組的無功功率和功率角值的大小。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2023/12/1810NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列發(fā)電機組間無功功率合理分配并聯(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到合理分配無功的目的。2023/12/1811NorthChinaElectricPowerUniversity2使并列發(fā)電機組間無功功率合理分配我國在1953年以前把調(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。2023/12/1812NorthChinaElectricPowerUniversity3提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電線路有功傳輸能力電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義與分類在20世紀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)學者維.柯.維尼柯夫《電力系統(tǒng)機電過渡過程》2023/12/1813NorthChinaElectricPowerUniversity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電力系統(tǒng)分會的冬季會議上重新對電力系統(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/大擾動穩(wěn)定性當系統(tǒng)受到小的干擾后，系統(tǒng)會達到與受干擾前相同或接近的運行狀態(tài)當系統(tǒng)遭受到干擾后，系統(tǒng)可以達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2023/12/1814NorthChinaElectricPowerUniversity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2023/12/1815NorthChinaElectricPowerUniversity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10~20s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2023/12/1816NorthChinaElectricPowerUniversity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，當勵磁電流的增長達到設(shè)定的限幅值（相當于勵磁控制退出），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)負荷和勵磁控制等動態(tài)特性及相互作用包含慢速響應(yīng)負荷和勵磁限幅器等動態(tài)特性及相互作用2023/12/1817NorthChinaElectricPowerUniversity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)遭受到嚴重的故障造成出力與負荷出現(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荷后是否能夠恢復(fù)出力與負荷之間的平衡。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，主要是出力和負荷是否會保持平衡。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、機組保護和負荷調(diào)壓系統(tǒng)起主要作用2023/12/1818NorthChinaElectricPowerUniversity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。2023/12/1819NorthChinaElectricPowerUniversity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2023/12/1820NorthChinaElectricPowerUniversity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)2023/12/1821NorthChinaElectricPowerUniversity4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2023/12/1822NorthChinaElectricPowerUniversity5發(fā)電機組突然解列實行強行減磁大型發(fā)電機組因故障而跳閘調(diào)速系統(tǒng)具有較大的慣性汽門/導水葉不能迅速關(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2023/12/1823NorthChinaElectricPowerUniversity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)準則控制勵磁功率單元的輸出2023/12/1824NorthChinaElectricPowerUniversity1對勵磁調(diào)節(jié)器的要求1、系統(tǒng)正常運行時，勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能對發(fā)電機電壓的變化做出反映以維持其在給定水平。2、勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機組的無功功率，保證同步發(fā)電機電壓調(diào)差率在合理范圍內(nèi)進行調(diào)整。3、為了使遠距離輸電的發(fā)電機組在人工穩(wěn)定區(qū)域運行，要求勵磁調(diào)節(jié)器沒有失靈區(qū)。4、勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)電力系統(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。5、具有較小的時間常數(shù)，能迅速響應(yīng)輸入信息的變化。6、勵磁調(diào)節(jié)器正常工作與否直接影響到發(fā)電機組的安全運行，要求能夠長期可靠工作。2023/12/1825NorthChinaElectricPowerUniversity2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)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1.6~22023/12/1826NorthChinaElectricPowerUniversity第二節(jié)同步發(fā)電機勵磁控制系統(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)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，大功率半導體技術(shù)成熟與發(fā)電機同軸旋轉(zhuǎn)2023/12/1827NorthChinaElectricPowerUniversity1直流勵磁機勵磁系統(tǒng)——自勵型共同擔負勵磁機的勵磁繞組EEW的調(diào)節(jié)功率2023/12/1828NorthChinaElectricPowerUniversity1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。自勵型2023/12/1829NorthChinaElectricPowerUniversity2交流勵磁機勵磁系統(tǒng)——他勵可控整流型

發(fā)電機勵磁電流的調(diào)節(jié)是由勵磁調(diào)節(jié)器AVR控制晶閘管VS導通角來實現(xiàn)的。

勵磁機與主發(fā)電機同軸，其電源不受發(fā)電機電壓的影響，可以說是保證和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的理想系統(tǒng)2023/12/1830NorthChinaElectricPowerUniversity2交流勵磁機勵磁系統(tǒng)——自勵型（二機系統(tǒng)）他勵可控整流型2023/12/1831No