第四章 同步发电机的自动励磁调节装置.ppt
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1、第四章同步发电机的自动励磁调节装置 教学目的:教学目的:熟悉同步发电机励磁控制系统的熟悉同步发电机励磁控制系统的任任务务、理解对励磁系统的基本要求,熟悉同步发、理解对励磁系统的基本要求,熟悉同步发电机的电机的励磁方式及其特点励磁方式及其特点,掌握半导体励磁调,掌握半导体励磁调节器的构成、工作原理,掌握节器的构成、工作原理,掌握并联运行机组间并联运行机组间无功功率的分配无功功率的分配,熟悉,熟悉强励强励及灭磁的概念、灭及灭磁的概念、灭磁的方法,理解励磁调节器静态特性调整的目磁的方法,理解励磁调节器静态特性调整的目的,了解微机励磁调节器的构成原理。的,了解微机励磁调节器的构成原理。重点:重点:励磁
2、控制系统的任务、基本要求,并联励磁控制系统的任务、基本要求,并联运行机组间无功功率的分配。运行机组间无功功率的分配。(一一)电压控制电压控制:维持发电机端或指定控制点的电压维持发电机端或指定控制点的电压 在给定水平上在给定水平上 发电机发电机单机带负荷单机带负荷运行时运行时,励磁控制系统的励磁控制系统的电压调节作电压调节作用用可用右图说明。可用右图说明。GEWGEW是发电机的是发电机的励磁线圈励磁线圈,G G和和İG G分别为发电机分别为发电机定子电定子电压和电流。压和电流。G负负荷荷GEW IEF UEF G+-发电机稳定运行图发电机稳定运行图(a)原理图原理图İG正常时正常时,流经流经GE
3、WGEW的励磁电流的励磁电流 I IEF EF 在同步在同步发电机内建立磁场发电机内建立磁场,使使定子绕阻产生空载感应电动定子绕阻产生空载感应电动势势 q q;改变励磁电流改变励磁电流I IEF EF 大小大小,可使可使 q q相应变化相应变化;图图(b)(b)是发电机稳态运行的等是发电机稳态运行的等值电路图,其间关系用数学式值电路图,其间关系用数学式表达为表达为X Xd d发电机的直轴电抗。发电机的直轴电抗。UGEq.(b)等值电路图等值电路图İG 发电机稳定运行图发电机稳定运行图G负负荷荷GEW IEF UEF G+-发电机稳定运行图发电机稳定运行图(a)原理图原理图İG一般一般很小很小,
4、可近似认为可近似认为coscos1,1,于是上式简化为于是上式简化为(C)发电机的向量图发电机的向量图.是是E Eq q和和U UG G之间的夹角之间的夹角,即发电机的即发电机的功率角功率角;İq q和和İp p为发电机电流的无功和有功分量为发电机电流的无功和有功分量;发电机的发电机的功率因数角功率因数角。根据向量关系。根据向量关系,得出得出İPİQİGU UG G=f f(I IQ Q)称为称为发电发电机的外特性机的外特性E Eq q和和I IEFEF成正比。成正比。当当I IEFEF不变不变时时,I IQ Q变化将引起变化将引起U UG G的的变化变化,即发电机即发电机单机带负荷单机带负荷
5、运行运行时时,电压变化主要是由定子电流电压变化主要是由定子电流的无功分量的无功分量I IQ Q变化引起的。变化引起的。若发电机的无功电流若发电机的无功电流I IQ Q不变,改变不变,改变I IEFEF可以改变可以改变E Eq q,进而可以改变进而可以改变U UG G,即,即发电机单机运行时,调节励磁发电机单机运行时,调节励磁电流可以改变发电机电压。电流可以改变发电机电压。IQUGEq10IQ1UGe发电机的外特性发电机的外特性(IEF不变时不变时)Eq2IEF1IEF2IQ2UG返回调节发电机发电机并网并网运行时,系统的运行时,系统的电压水平电压水平由系统中由系统中无功无功电源发出电源发出的的
6、无功功率无功功率总和总和与系统中与系统中负荷所负荷所消耗消耗的的无功功率无功功率总和总和之间的之间的平衡关系决定平衡关系决定。并网并网运行时的运行时的单机容量单机容量相对有限相对有限,改变一台发改变一台发电机的励磁电流电机的励磁电流对系统电压水平的影响对系统电压水平的影响不像不像单单机带负荷运行时机带负荷运行时的影响那么大,而且电力的影响那么大,而且电力系统系统的容量越大,这种特征越明显。的容量越大,这种特征越明显。n当系统容量当系统容量无穷大时无穷大时,系统电压为恒定值,系统电压为恒定值,改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水平平没有影响没有影响。n但是
7、,系统中但是,系统中各节点电压是不相同各节点电压是不相同的,的,n因此,对因此,对并网并网运行运行发电机发电机的的U UG G随随I IEFEF变化的情变化的情况要做具体分析况要做具体分析。n发电机经发电机经变压器变压器和和输电线路输电线路并入电力系统的并入电力系统的情况如下图所示。情况如下图所示。UGUX+IQ(XB+XL)UBUX+IQXL IQ=(Eq-UX)/(Xd+XB+XL)XB、XL变压器变压器漏抗漏抗和输电线和输电线路路电抗电抗;UX、UB电力电力系统电压系统电压和和变压器高压侧电压变压器高压侧电压。G GUGUBXBUXXL变压器变压器线路线路(a)电路图电路图XBXLXdİ
8、GUX.Eq.(b)等值电路图等值电路图发电机并入电力系统发电机并入电力系统的电路图的电路图UGUB 以上三个表达式以上三个表达式说明:说明:通过通过调节调节发电机励磁电流发电机励磁电流IEF来来调节调节发电机电势发电机电势Eq可以可以改变改变发电机无功电流发电机无功电流IQ,从而从而调节调节发电机电压发电机电压UG和和变压器变压器高压侧电压高压侧电压UB,维持维持发电机机端电压发电机机端电压UG或或系统内某一点电压系统内某一点电压(如变压器如变压器高压母线电压高压母线电压UB)在给定水平在给定水平;UGUX+IQ(XB+XL)UBUX+IQXL IQ=(Eq-UX)/(Xd+XB+XL)调节
9、发电机励磁电流不再会引起发电机电压的变调节发电机励磁电流不再会引起发电机电压的变化,即化,即发电机励磁调节系统不再有调节发电机电发电机励磁调节系统不再有调节发电机电压的作用压的作用。实际上实际上,无穷大电力系统是不存在的无穷大电力系统是不存在的,即系统等值阻即系统等值阻抗并不等于零抗并不等于零,发电机电压发电机电压UG将随着无功负荷的变将随着无功负荷的变化而变化化而变化。若若发电机接入发电机接入无穷大无穷大系统系统,即即XB=0、XL=0,则则发电机电压等发电机电压等于系统电压于系统电压,UG=UX,随系统电随系统电压的变化而变化压的变化而变化,UGUX+IQ(XB+XL)UBUX+IQXL
10、IQ=(Eq-UX)/(Xd+XB+XL)以上即以上即电压调节的原理电压调节的原理.(二二)合理分配并联运行发电机间的无功功率合理分配并联运行发电机间的无功功率电力系统中是多台发电机并联运行的。电力系统中是多台发电机并联运行的。为保证系统的为保证系统的电压质量电压质量和和无功潮流合理分布无功潮流合理分布,要求要求合理控制合理控制系统中并联运行发电机输出的系统中并联运行发电机输出的无功功率无功功率。所谓所谓“合理控制合理控制”包含两层意思:包含两层意思:每台发电机每台发电机发出的无功功率数量发出的无功功率数量要合理要合理;当系统当系统电压变化时电压变化时,每台发电机输出的无功功率,每台发电机输出
11、的无功功率要要随之自动调节随之自动调节,而且,而且调节量要合理调节量要合理。1.发电机无功功率控制的原理发电机无功功率控制的原理条件条件:设同步发电机设同步发电机与与无穷大无穷大电力系统并联运行电力系统并联运行,即即发电发电机机端电压端电压不随负荷的变化而变化不随负荷的变化而变化,是一个是一个恒定值恒定值。同时假定发电机同时假定发电机定子电阻为零定子电阻为零,并并忽略忽略凸极效应凸极效应。而发电机发出的而发电机发出的有功功率只受调速器控制有功功率只受调速器控制,与励,与励磁电流的大小无关。磁电流的大小无关。因此机组发出的有功功率因此机组发出的有功功率PG为常数。为常数。可以写出下列表达式可以写
12、出下列表达式PG=UGIGcos=常数常数PG=(EqUG/Xd)sin=常数常数功率因数角;功率因数角;发电机的功率角。发电机的功率角。由上两式得由上两式得(a)图图4-4同步发电机与无限大同步发电机与无限大母线并联运行母线并联运行(4-3)(4-4)PG常数常数=K2Eqsin=XdUGPGIGcos=UG常数常数=K1由图由图IEF2IEF1时,时,IQ2 IQ1由于由于UG=定值定值,所以当励磁电流所以当励磁电流IEF增加增加时时,发电机发出的无功发电机发出的无功功率功率(QG=UGIQ)就增加就增加了了.同样同样,当当IEF减少时减少时,QG就会减少就会减少。因为发因为发UG 为定值
13、,发电机励为定值,发电机励磁电流的变化只改变了机组的磁电流的变化只改变了机组的无功功率和功率角无功功率和功率角的大小。的大小。此即此即无功功率调节的原理无功功率调节的原理.2.2.合理分配并联运行发电机间的无功功率合理分配并联运行发电机间的无功功率l以两台发电机在同一条母线上并以两台发电机在同一条母线上并联运行的情况说明。联运行的情况说明。l图图(a)中中UM为母线电压,为母线电压,IQ1和和IQ2分分别为发电机别为发电机G1和和G2发出的无功电发出的无功电流,流,IQ是电厂送给电力系统的无是电厂送给电力系统的无功电流。功电流。G1G2IQIQ1IQ2电力系统电力系统(a)UM曲线曲线F1和和
14、F2分别为分别为发电机发电机G1和和G2的外特性的外特性,表征发电机电压表征发电机电压UG*和和无功电流无功电流IQ*的的关系关系。外特性外特性是由发电机是由发电机励磁励磁系统系统形成的一种发电机形成的一种发电机静态特性静态特性。F10UG*F F2 2AIQ2IQ1IQ*UM1(b)(b)并联运行的发电机并联运行的发电机F F1 1和和F F2 2斜率斜率相等时的无功分配的关系相等时的无功分配的关系外特性1 1=2 2设发电机母线电压设发电机母线电压UM=UG*=UM1,则则UM1交曲线交曲线Fl于于A点点,G1发出的无功电流为发出的无功电流为IQ1如果将曲线如果将曲线F1移到移到F1,则则
15、G1的工作点将由的工作点将由A移移动到动到B,G1发出无功电流发出无功电流IQ1。F10UG*F1F2ABIQ2IQ1IQ1IQ*UM1图图(b)并联运行的发电机并联运行的发电机F1和和F2斜斜率相等时的无功分配的关系率相等时的无功分配的关系1 1=2 2设发电机母线电压由设发电机母线电压由UM1下降到下降到UM2运行运行,G1和和G2发出的无功电发出的无功电流分别增加到流分别增加到IQ1和和IQ2IQ1=IQ1-IQ1,IQ2=IQ2-IQ2。F F1 10 IQ2F F1 1F F2 2 IQ1ABIQ2IQ1IQ1IQ2IQ1 IQ*UM2UM1(b)(b)并联运行的发电机并联运行的发电
16、机F F1 1和和F F2 2斜率斜率相等时的无功分配的关系相等时的无功分配的关系UG*1 1=2 2如果两台机组的外特如果两台机组的外特性曲线性曲线斜率相等斜率相等,则则无功电流增量相等无功电流增量相等,即有即有IQ1=IQ2;F10 IQ2F1F2 IQ1ABIQ2IQ1IQ1IQ2IQ1IQ*UM2UM1UG*1=2如果两台机组的外特性曲如果两台机组的外特性曲线斜率不相等线斜率不相等,则无功电流则无功电流增量不相等。增量不相等。(c)所示所示IQ1IQ2。IQ1和和IQ2的大小取决于的大小取决于发电机的外特性曲线发电机的外特性曲线F1和和F2的斜率:的斜率:F10 IQ1 IQ2 IQ2
17、IQ1IQ*UG*UM1UM2IQ2F2IQ1(c)(c)F F1 1和和F F2 2斜率斜率不相等时的无功分配的关系不相等时的无功分配的关系12看出,外特性看出,外特性曲线的位置曲线的位置和和母线电压的大小母线电压的大小决决定发电机发出的无功电流的大小定发电机发出的无功电流的大小,从而决定发从而决定发电机电机发出的无功功率的大小发出的无功功率的大小。这就是说,这就是说,要控制发电机发出的无功功率大小要控制发电机发出的无功功率大小就要控制发电机外特性曲线的位置就要控制发电机外特性曲线的位置。结论结论:当发电机母线电压变化时当发电机母线电压变化时,发电机外特性发电机外特性曲曲线的斜率大小线的斜率
18、大小,决定决定发电机发出的发电机发出的无功功率无功功率变化的大小变化的大小。成反比?成反比?发电机励磁调节器中有一个形成发电机外发电机励磁调节器中有一个形成发电机外特性的环节特性的环节调差环节调差环节。可。可改变斜率改变斜率的的大小和正负大小和正负.(三三)提高电力系统的稳定性提高电力系统的稳定性保证同步发电机稳定运行保证同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供是保证电力系统可靠供电的首要条件。电的首要条件。稳定:稳定:电力系统在运行中随时都可能遭受各种干电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰,在各种扰动后,发电机组能恢复到原来的运扰,在各种扰动后,发电机组能恢复到原来的运行状态或过渡到另一种新
19、的运行状态。其主要标行状态或过渡到另一种新的运行状态。其主要标志是在暂态过程结束后,同步发电机能维持或恢志是在暂态过程结束后,同步发电机能维持或恢复同步运行。复同步运行。电力系统稳定分为:电力系统稳定分为:电力系统静态稳定电力系统静态稳定和和电力系电力系统暂态稳定统暂态稳定。电力系统静态稳定电力系统静态稳定:是指在电力系统正常:是指在电力系统正常运行状态下,经受运行状态下,经受微小扰动微小扰动后恢复到原来后恢复到原来运行状态的能力。运行状态的能力。电力系统暂态稳定电力系统暂态稳定:是指电力系统在某一:是指电力系统在某一正常运行状态下正常运行状态下突然遭受到大扰动突然遭受到大扰动后能否后能否过渡
20、到一个新的稳定运行状态、或恢复到过渡到一个新的稳定运行状态、或恢复到原来的运行状态。这里大扰动是指电力系原来的运行状态。这里大扰动是指电力系统发生某种事故。统发生某种事故。(1)(1)对提高静态稳定对提高静态稳定的作用的作用接线图接线图(b)等值网络等值网络图图4-5单机与系统联接网络单机与系统联接网络自动励磁调节装置改善自动励磁调节装置改善发电机静态稳定说明图发电机静态稳定说明图曲线曲线称称发电机的功角发电机的功角特性特性。90时时,P有最大值有最大值称为称为功率极限功率极限,90则称为则称为静态稳静态稳定极限点定极限点(a)功角特性)功角特性返回曲线曲线1的功角极限等于的功角极限等于90称
21、为称为自然稳定区自然稳定区。曲线曲线2的功角极限大于的功角极限大于90称为称为人工稳定区人工稳定区。调节励磁调节器调节励磁调节器,维持不同点维持不同点电压恒定电压恒定,可得到,可得到不同人工不同人工稳定区的稳定区的功角特性曲线功角特性曲线。由于采用了励磁调节器,由于采用了励磁调节器,可可使发电机运行于使发电机运行于大于大于90的的区域区域,也就是,也就是提高了电力系提高了电力系统静态稳定能力统静态稳定能力。2(2)对提高对提高暂态稳定暂态稳定的作用的作用等面积原则:等面积原则:发电机能否稳发电机能否稳定运行,取决于加速面积是定运行,取决于加速面积是否等于减速面积。否等于减速面积。a点为正常稳定
22、运行点点为正常稳定运行点大干扰后大干扰后,电磁功率突降电磁功率突降b点点,若励磁保持原态若励磁保持原态,因惯性输入因惯性输入仍为仍为P0,机械功率机械功率P0 电磁功率电磁功率Pb,转子加速转子加速,延延b向向G移动移动若在若在刚受干扰后刚受干扰后强励强励从从b点点转到转到上运行上运行减小了加速面积,减小了加速面积,增大了增大了减速面积。减速面积。Pb(四四)改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件当电力系统由于种种原因出现当电力系统由于种种原因出现短时低电压短时低电压时,发时,发电机励磁自动控制系统可发挥调节功能,电机励磁自动控制系统可发挥调节功能,大幅度大幅度地增加励磁电流以提高系统电
23、压地增加励磁电流以提高系统电压(强励功能)。(强励功能)。在在下列几种情况下可以改善系统的运行条件。下列几种情况下可以改善系统的运行条件。1 1改善改善异步电动机异步电动机的的自启动条件自启动条件电网发生电网发生短路等故障短路等故障时,时,电网电压降低电网电压降低,未切除的,未切除的大多数用户的电动机处于制动状态。大多数用户的电动机处于制动状态。故障切除后故障切除后,由于由于电动机自启动电动机自启动时需要时需要吸收大量无吸收大量无功功率功功率,以致以致延缓延缓了电网了电网电压的恢复电压的恢复过程。过程。发电机发电机强行励磁强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复的作用可以加速电网电压的恢复,有效地
24、有效地改善电动机自启动条件改善电动机自启动条件。图图4-9表示机组表示机组有励磁自动控制有励磁自动控制和和没有励磁自动控制没有励磁自动控制时短路切除后电压恢时短路切除后电压恢复的不同情况。复的不同情况。120 01010 20203030t(s)t(s)U U*1.21.21.01.00.80.80.40.4曲线曲线1 1无励磁自动控制时无励磁自动控制时曲线曲线2 2有励磁自动控制时有励磁自动控制时2 2为为同步发电机异步运行同步发电机异步运行创造条件创造条件同步同步发电机失去励磁发电机失去励磁时,需要从系统中吸收大量时,需要从系统中吸收大量无功功率,从而造成系统电压大幅度下降,严重无功功率,
25、从而造成系统电压大幅度下降,严重时甚至危及系统安全运行。时甚至危及系统安全运行。此时,如果系统中此时,如果系统中其它发电机组的励磁系统能及其它发电机组的励磁系统能及时增加励磁时增加励磁提供足够的无功功率,以维持电压水提供足够的无功功率,以维持电压水平,则平,则失磁的发电机失磁的发电机还可以在一定时间内还可以在一定时间内以异步以异步运行方式运行方式维持运行,这不但可以确保维持运行,这不但可以确保系统安全系统安全运运行而且有利于机组行而且有利于机组热力设备热力设备的运行。的运行。3 3提高继电保护装置动作的正确性提高继电保护装置动作的正确性当系统处于当系统处于低负荷低负荷运行状态时,发电机的运行状
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