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电力系统自动化 Automation of Power System 杭州电子科技大学 自动化学院 第一节 概述 ========基本知识点======== 一、同步发电机励磁自动控制系统的组成 二、励磁控制系统的基本任务 三、励磁系统的任务与要求 一、同步发电机励磁自动控制系统组成 同步发电机 励磁调节器 励磁系统励磁功率单元 一、同步发电机励磁自动控制系统组成 励磁功率单元 励磁调节器 同步发电机 系统 二、励磁控制系统的基本任务 电压调节 无功分配 提高发电机运行稳定性 提高电力系统运行性能 1电压调节 （1）基本关系 E q U G jIG X d Xd Eq IG UG E q IP IQ G U G jIG xd jIQ xd jIP xd （2）外特性 ①表达式： Eq cos U G I G X d sin 严格：Eq cos U G I Q X d 近似：Eq U G I Q X d ②曲线 A：Eq=1.05，xd=0.1，δ=0； B：Eq=1.05，xd=0.1，δ=20； C：Eq=1.05，xd=0.1，δ=[0,2]； UG B A C IQ （3）励磁电流对电压的控制 IEF→Eq→UG：励磁电流可以改变机端电压，通过调节 励磁电流维持机端电压恒定 UG UG1 IEF2 UG2 IEF1 IQ1 IQ2 IQ 2无功功率的分配 （1）发电机与无穷大系统母线并联 ①向量图 ②解析式 A ～ B 系统 PG UG I G cos UG I P I G cos C1 PG EqUG Xd sin Eq sin C2 ③ IEF对无功功率的控制 I G变，变 I G sin 变； QG UG I G sin 变； I EF 变 I G cos不变； PG UG I G sin 不变； Eq cos U G 变； Eq变，变 Eq cos变； QG U G Xd I EF 变 UG Eq sin 不变； PG sin 不变； Xd （2）并联运行的发电机间的无功功率分配 ①无励磁调节 UG I Q I Q1 I Q 2 I 'Q I 'Q1 I 'Q 2 I Q1 IQ 2 I 'Q1 I 'Q 2 SN1 1 SN 2 I Q1 I Q 2 I 'Q1 I 'Q 2 G2 Um1 Um2 G1 SN 1 1 SN 2 IQ1 IQ2 I’Q2 I’Q1 IG （2）并联运行的发电机间的无功功率分配 ②有励磁调节 UG SN 1 I Q1 I 'Q1 I Q 2 S N 2 I 'Q1 S N 1 I Q 2 I 'Q 2 I 'Q 2 S N 2 I Q1 G2 Um1 Um2 G1 IQ1 IQ2 I’Q1 I’Q2 IG 3提高同步发电机并联运行稳定性 （1）稳定性的概念 静态稳定：小干扰后恢复到原状态； （如：负荷波动） 暂态稳定：大干扰后恢复到原状态或新状态； （如：系统故障） （2）励磁提高静态稳定性 恒定的UG：If变→Eq变→UG不变 4改善电力系统运行条件 （1）异步电动机——自启动 （2）同步发电机——异步运行 （3）继电保护装置——动作 （4）水轮发电机组——强行励磁 三、励磁系统的任务与要求 1励磁调节器 任务 要求 迅速响应输入信息变化 时间常数小 准确调节发电机电压 自然调差系数精确 合理分配无功功率 电压调差系数范围大 人工稳定区域运行 无失灵区 迅速反映系统故障 励磁控制功能 2励磁功率单元 任务 要求 调节系统电压和本身无功 可靠性、调节容量 较强励磁能力 頂值电压 快速响应能力 电压上升速度 例2-1 某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行， 一号机的额定功率为25MW，二号机的额定功率 为50MW。两台机组的额定功率因数都是0.85， 调差系数为0.05。如果系统无功负荷使电厂无功 功率的增量为它们总无功容量的20%，问各机组 承担的无功负荷增量是多少？母线上的电压波动 是多少？ 例2-1解： 一号机额定无功功率为 QG1=PG1tgφ1=25tg(arccos0.85)=15.49(Mvar) 二号机额定无功功率为 QG2=PG2tgφ2=50tg(arccos0.85)=30.99(Mvar) 因为两台机的调差系数均为0.05，所以公共母线上等值机 的调差系数Kadj也为0.05。 母线电压波动为 ΔU*=-Kadj∑ΔQ ∑*=-0.05×0.2= -0.01 例2-1解（续）： 各机组无功负荷波动量: ΔQ1*= -ΔU* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.02 ΔQ1=ΔQ1*QG1=0.02×15.49=3.10(Mvar) ΔQ2*= -ΔU* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.02 ΔQ2= ΔQ2*QG2=0.02×30.99=6.20(Mvar) 一号机组无功负荷增加3.10M var, 二号机组的无功负 增加6.20M var。因为调差系数相等，无功负荷的波动量与 它们的容量成正比。 例2-2 在例2-1中，若一号机的调差系数0.04，二号机调差 系数仍为0.05。当系统无功负荷波动时仍使电厂总无功 增加20%，问各机组的无功负荷增量是多少？母线上的 电压波动是多少？ 例2-2 解 Q Q1QG1 Q2QG 2 Q Q U ( G1 G 2 ) /(QG1 QG 2 ) QG1 QG 2 Kadj1 Kadj 2 U / K adj Q1 Q2 U / Kadj QG1 Q G2 Kadj1 Kadj 2 Q1 Q2 15.49 30.99 0.046 Q Q 15.49 30.99 ( G1 G 2 ) K adj1 K adj 2 0.04 0.05 例2-2 解（续） 母线电压波动为 U K adj Q 0.046 0.2 0.0092 各机组的无功增量 Q1 U / K adj1 0.0092/ 0.04 0.23 Q1 Q1QG1 0.2315.49 3.56 (Mvar) Q2 U / K adj 2 0.0092/ 0.05 0.185 Q2 Q2QG 2 0.185 30.99 5.73 (Mvar) 一号机组的无功负荷增加3.56M var， 二号机组的无功负荷增加5.73M var。 调差系数小的机承担的无功负荷增量较大。 第二节 同步发电机励磁系统 ========基本知识点======== 直流励磁机励磁系统（旋转励磁） 交流励磁机励磁系统（旋转励磁） 发电机自并励系统（静止励磁系统） 一、直流励磁机励磁系统 1 原理 REE IEE 自励： IEF G UEF REE → IEE → UEF 励磁机→发电机 IEF IEE E G 他励： UEF REE → IEE → UEF 副励→主励→发电机 2特点 优点：控制方便 缺点：有滑环、电刷 易产生火花，可靠性不高 结构复杂，不易维护 3应用 中小容量机组（≤100MW） 旧型机组 二、交流励磁机励磁系统 1 他励交流励磁机励磁系统 副励 （1）原理 交流发电机 主励 ~ ~ ~ 起励电源 自励恒压 调节器 500Hz副励磁机 励磁调节器 100Hz主励磁机 50Hz发电机 （2）特点 优点：响应速度快（相对DC）； 容量较大（相对DC） 缺点：有滑环、电刷 易产生火花，可靠性不高 结构复杂，不易维护 （3）应用 中等容量机组（ 100MW ~300MW ） 我国旧型机组 2 无刷励磁系统 副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转 主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止 发电机： 电枢静止，磁极（励磁）旋转 （1）原理 副励 ~ 交流发电机 主励 ~ ~ 励磁调节器 （2）特点 优点：维护工作量少； 可靠性高 无接触磨损，电机绝缘寿命长因为没有滑 缺点：响应速度慢 不能直接灭磁 对机械性能要求高 （3）应用 大容量机组（ 600MW ） 动器件 三、静止励磁系统 1 原理 交流发电机 ~ 起励电源 励磁调节器 2 特点 优点：维护工作量少； 可靠性高 主轴长度短，基建投资少 电压响应速度快 过电压低 缺点：发电机近端端路时，缺乏足够的强励能力 继电保护的动作会受一定影响 3 应用 因为没有转 动励磁 大容量机组（ 600MW ） 水轮机组 第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁 ========基本知识点======== 强励、灭磁的定义及作用； 强励接线及工作原理； 灭磁的方法 一、磁场建立 1励磁系统的强励要求 转子励磁电压的最大值 顶值电压：UEF,max 强励倍数：UEF,max/ UEF,N≈1.6-2.0 转子磁场的建立速度 励磁机的响应速度 转子的响应速度 2励磁机的时间常数 （1）他励 回路方程： 回路电流： 时间常数： dI EE LEE REE I EE E dt R t LEE (t ) E (1 e L ) LEE Tt REE （2）自励 回路方程： 磁化曲线： 回路电流： 时间常数： dI EE LEE REE I EE U EF dt dI EE I EE REE I EE E0 kI EE dt R k t L LEE (t ) E0 (1 e ) LEE TC REE k 3转子磁场的建立时间 （1）响应时间 U EFN t0 95%(U EFM U EFN ) U EFN t1 t t1 t0 U EF 无需额外计算，已经含在t中 U EF 可求 t （2）电压响应比 U EF U d U a 无法准确计算 t t 0 0 k1 U EF1 dt与k2 U EF 2 dt，k的实质为磁通变化量 通常取t 0.5s U EF 可求 t 二、同步发电机灭磁 1概念：将励磁绕组的磁场尽快减小到最小程度 2要求： 1）灭磁时间要短 2）励磁绕组的电压不应超过允许值。 3灭磁方法 （1）直流励磁机——放电灭磁 在励磁绕组中接入一常数电阻Rm，将励磁绕 组所储存的能量转变为热能而消耗掉。 U E max I E 0 e t t 0 U R E0 m RL LL RL Rm （2）交流励磁机——逆变灭磁 控制角α在90°～150°范围内整流桥处于逆 变运行状态。转子储存的磁场能量就以续流形式 经全控桥的逆变状态反送到交流电源，使转子磁 场能量不断减少，这样就达到了灭磁 . 1）理想灭磁条件： 电流在相当大范围内变化 时，两端电压保持不变 . 2）快速灭磁开关 灭磁过程中，磁场电流就 以等速衰减，直到为零 复习与作业 1.何谓强励？说明比例型励磁调节器和补偿型励磁调 节器如何实现强励作用？各自的强励效果如何？ 2.强励的基本作用是什么？衡量强励性能的指标是什 么？ 3.继电强行励磁装置在实施接线时应注意哪些原则？ 4.何谓灭磁？常见的三种灭磁方法是什么，并加以比 较。 第四节 励磁调节器原理 ========基本知识点======== 励磁调节器基本功能 励磁调节器原理 励磁调节器静态工作特性 励磁调节器静态工作特性的调整 一、励磁调节器基本功能 保证发电机在投入和退出电网运行时能 平稳的转移 无功负荷，不引起对电网 的冲击； 保证并联运行的发电机组间无功功率的 合理分配。 二、励磁调节器原理 1测量比较单元 （1）电压测量： （2）比较整定： UG (交流) USE (直流) U SE U REF Ude 二、励磁调节器原理 2综合放大单元 （1）正竞比电路：励磁信号控制 （2）负竞比电路：电压/频率限制器信号 （3）信号综合放大电路：线性放大，双向限幅 （4）互补输出电路：提高与下一级负载阻抗匹 配能力 ： 二、励磁调节器原理 3移向触发单元 U SM （1）移向触发： arccos U SYM （2）整流输出 ：U 2.34U cos 2.34U U SM d 1 1 U SYM 三、励磁调节静态工作特性 1静态工作特性的合成 （1）平移发电机的外特性 改变RP值，即Uset整定。实现平稳的将发电 机投入和退出电网运行 （2）改变发电机的外特性的斜率 调整调差系数Kadj，保证并联运行的发电机 组间无功功率的合理分配。 2发电机励磁控制系统静态特性 （1）同步发电机励磁控制系统的静态工作特性 是指在没有人工参与调节的情况下，发电机机 端电压与发电机电流的无功分量之间的静态特 性。此特性通常称为发电机外特性或电压调节 特性，也称为电压调差特性。 b UG R P大 R P大 a R P小 R P小 IAER 0 UG= UG·N IG·Q IGQ （2）发电机机端电压调差率： 在自动励磁调节器的调差单元投入、电压给 定值固定、发电机功率因数为零的情况下，发电 机无功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定 电压的百分数表示的发电机机端电压变化率。 U G1 U G 2 T 100% U Ge 四、励磁调节器静态工作特性的调整 1定义： 在某一RP值下，无功负荷电流从零变至 额定值时，发电机电压的相对变化。 Kadj I GQ EG UG 2 EG U G 2 U G N EG U G 2 I GQN EG U GN I GQ U G K adj U G Q K adj 2调差系数的调整 （1）改变极性 正调差接线 负调差接线 U A' U A I C R U B' U B U C' U C I A R U P' P U PP RIGQ （2）改变大小：调整电阻R值。 3发电机外特性的平移 （1）发电机在退出系统运行时 IG.Q1减小到IG.Q2减小到0， 只要将发电机外特性由1下移动到3，这样机组就可平稳 退出运行，不会发生无功功率的突变，不会引起对电网 的冲击。 （2）发电机投入运行时，待机组并入系统后外特性3向 上移动，使无功电流逐渐增加到运行要求值。 UG Usys 0 1 2 3 IGQ2 IGQ1 IG·Q 复习与讨论 1.对励磁调节器静特性调整的基本要求是什么？ 2.何谓自然调差系数？ 3.在励磁调节器中为要设置调差单元？ 4.平移发电机的外特性有何作用？ 5.励磁调节器引入调差单元后，是不是其维持机 端电压水平的能力差了？为什么？