kl800.com省心范文网

电力系统自动控制2-1_图文

第二章 同步发电机励磁 自动控制系统--

发电机原理

2

发电机组的控制调节系统
自动转速调节系统 ?P

??
进 气 (水 )

?Q

自动励磁调节系统

5 6
Pm

2 3

?U

1
U

U0

?

Uf

原动机

发电机

P+jQ

??

?
4
图附1

?0

1—-电 压 检 测 装 置 ; 2—调 节 励 磁 装 置 ; 3- 可 调 励 磁 电 源 ; 4- 转 速 检 测 装 置 ; 5- 调 节 转 速 装 置 ; 6- 调 节 汽 门 (导 向 叶 片 );
3

4

本章内容
第一节 概述
励磁自动调节的作用和基本要求

第二节 同步发电机励磁系统 第三节 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁
励磁系统的分类
转子磁场的控制

第四节 励磁调节器原理
第五节 励磁系统稳定器

励磁调节器控制功能的实现 *

第六节 电力系统稳定器*
补充内容
复式励磁

5

第一节 概述
?本节是本章的基础,包括励磁系统的概念和构成,励磁调

节对同步发电机运行的影响,同步发电机励磁自动调节的作 用、基本要求和基本框图。

?

本节学习路线:在理解励磁系统的概念和构成的基础上, 通过对正常运行时,励磁调节对同步发电机运行影响的分 析,加深理解同步发电机励磁自动调节的作用、基本要求 和基本框图。

6

1、自动励磁调节系统的概念和构成
励磁系统:与同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必 要时使其电压消失的有关设备和电路。励磁系统一般由励 磁功率单元和励磁调节器两个部分组成


励磁功 率单元

G
发电机

力 系 统

励磁调节器
输入信息

图2-1 励磁控制系统结构框图

7

2、励磁自动控制系统的意义
发电机空载电势决定于励磁电流,改变励磁电流就可影 响同步发电机在电力系统中的运行特性。 电力系统在正常运行时,可以通过控制励磁电流来控制 电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。 在某些故障情况下,发电机端电压降低将导致电力系统 稳定性水平下降。当系统发生故障时,迅速增大励磁电流, 可以改善电网的电压水平及稳定性。 可见,同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量,无 功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着 十分重要的作用。

8

3、励磁系统的发展历史
励磁系统的发展历史,是从简单到复杂、从单一功能到 多种功能的发展历史。 具体情况在励磁方式中介绍。

9

4、励磁控制系统的作用
同步发电机两种不同的运行方式: 单机运行方式:
G

U ? IG
P+jQ

特点:机端电压随发电机电流的变化而变化。
与无穷大系统并联方式;
U=常 数 G

? IG

特点:机端电压不随发电机电流的变化而变化。
10

(一) 电压控制

电力系统在正常运行时,负荷总是经常波动的,同步发电 ? 机的功率也就相应的变化。随着负荷的波动,需要对励磁电 IG x GEW ? 流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。 UG ? 励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务。 IG · I· ? ? G EF U EF U
d

Eq

G

(a)运行原理

(b)等值电路

空载电势和机端电压的关系:
U G ? j I G X d ? Eq
? ? ?

(2-1)

式中, X d —— 发电机直轴电抗。
11

?

Eq

?

·xd ? · j IG j I p xd
G

?
?

· Ip
?

?

UG
(c) 矢量图

·xd j IQ

IQ

IG
图2-2 同步发电机感应电动势和励磁电流关系

? ? 发电机感应电动势 Eq与端电压 U G的幅值关系为
E q cos? G ? U G ? I Q X d

? ? 式中 ? G — Eq 与 U G 间的相角,即发电机的功率角;
IQ —发电机的无功电流。 12

一般 ? G 很小,可近似认为 cos? G ? 1 ,可得简化的运算式为
Eq ? U G ? I Q X d

(2-2)

(2-2)式说明,负荷的无功电流是造成 E q 和 U G 幅值 差的主要原因,发电机的无功电流越大,两者之间的差值也 越大。 由(2-2)式可以看出,同步发电机的外特性必然是下降 的。当励磁电流一定时,发电机端电压随无功负荷增大而下 降。

13

U

G

I
U
U
Ge

EF 2

G2

I

EF1

o

I

Q1

I

I
Q2

Q

图2-3 同步发电机的外特性

发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电 流来维持机端电压为给定水平的。 14

(二) 控制无功功率的分配 1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题 为了分析简便,设同步发电机与无穷大母线并联运行,即 发电机的端电压不随负荷大小而变化,是一个恒定的值。
U=常 数 G

? IG

如果发电机的有功功率恒定,即

PG ? U G I G cos ? ? C
当励磁电流改变时,

(2-3)

I G cos ? ? k1
15

不考虑定子电阻和凸极效应,发电机功率还可表示为

PG ?

E qU G sin ? ? C Xd

(2-4)

当励磁电流改变时

E q sin ? ? K 2

16

EG cos? ? K12 I q sin ? ? k
? ? ?

A

Eq 2

Eq

E q1

A

'

? ? ? K ? ? ? ?
2

?

?

I Q2

B

I G2

?

j I G1 xd

?

?

?
?

?

'

?

?

jI G 2 xd
? ? U G ?U U UG ?

j I G xd

?

IP
IG

?

IQ
?

I Q1

I        ????? ? ?
G1

?

B

'

(b) 相量图

K

1

图2-4 同步发电机与无限大母线并联运行
17

由此可见,与无限大母线并联运行的机组,调节它的 励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。 在实际运行中,与发电机并联运行的母线并不是无限大 母线,母线的电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电 流与它的母线电压水平有关,改变其中一台发电机的励磁电 流不但影响发电机电压和无功功率,而且也将影响与之并联 运行机组的无功功率,其影响程度与系统情况有关。因此, 同步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无 功功率合理分配的任务。

18

2、并联运行各发电机间无功功率的分配
UG

UM
U M1

I
G

Q1

I
G
(a )

Q2

I
负荷

Q

U M2

?I Q2 ? I Q1

G1 G2
'

o

I Q1 I Q 2

' I Q 2 I Q1

I

Q

图2-5 并联运行发电机间无功负荷的分配

I Q ? I Q1 ? I Q 2

并联各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性, 而上倾的和多于一条水平的外特性都不能起到稳定分配无功电 流的作用。
19

UG U M1 U M2

?I Q2 ? I Q1

G1 G2
' '

o

I Q1 I Q 2

I Q 2 I Q1

I

Q

图2-5 并联运行发电机间无功负荷的分配

由图可知,在电网负荷的这一变动下,发电机G1的无功电 假定母线电压由UM1降到UM2 ,电网无功功率的发送与消 可见并联运行的发电机间无功负荷分配取决于机组的外特 假定电网需要的无功负荷增加了,则要求发电机送出的 图2-5(b)中画出了发电机G1 和G2 不同的外特性曲线, ' ? I Q1,而发电机G2无功电流的变化为1? I Q2 ,显然 流的变化为 耗重新得到了平衡,此时,G1的无功电流增至 I Q发出的无功电 无功电流也相应的增加;由于G1和G2都有下降的外特性,所 它们都是稍有下倾的。当母线电压为UM1时,G1 ,G2的无功 性曲线。曲线越平坦的机组,无功电流的增量就越大,在图2' ' ' 电流增至2I,改变了负荷增加前两机组无功电流分配的比例。 以母线电压必须相应的降低。 Q2,并有 Q1<I Q2 。 流为IQ1Q外特性较G2外特性平坦,故 ? I Q1 I? ? IQ2。 5中,G,G2发出的无功电流为I I Q1 ? I 1 Q 2 。
20

了解发电机间无功负荷分配的规律,目的是运用这种规 律来控制并联运行的发电机间无功负荷的分配。
通常我们希望发电机间无功电流应按机组容量的大小进 行比例分配,大容量的机组担负的无功增量应相应地大,小 容量的机组增量应该相应地小。 只要并联机组的“UG — IQ*” 特性完全一致(IQ*为机组无 功电流与其无功电流额定值的比值),就能使得无功负荷在 并联机组间进行均匀的分配。

要作到这一点,单纯地想把参加并联运行的大小发电机组 都做成相同的“UG — IQ*” 特性是很难实现的,甚至是不可能的, 但是自动调压器却可以相当容易地作到这一点。 所以自动调压器不但能维持各发电机组地端电压基本不变, 而且能对其“UG — IQ*”外特性曲线的斜度任意进行调整,以达 到机组间无功负荷合理分配的目的。
21

(三)提高同步发电机并联运行的稳定性
电力系统可靠运行的基本要求是并入系统的所有发电机 要保持同步运行。系统运行中,随时会受到各种扰动;在扰 动后,系统能够恢复到原来的运行状态或者过渡到另一个新 的运行状态,则称系统是稳定的。

通常将电力系统的稳定性问题分为三类:静态稳定( Steady State Stability)、和暂态稳定(Transient Stability)和 动态稳定(Dynamic Stability)。
静态稳定:是指电力系统在正常运行状态下,经受微小扰 动后恢复到原来运行状态的能力。 暂态稳定:是指电力系统在某一正常运行方式下遭受大扰 动(如短路、断线、发电机失磁等)后,能否恢复到原来运 行状态、或者过渡到一个新的稳定运行状态的能力。
22

动态稳定:电力系统受到小的或大的干扰后,计及自动调 节和控制装置作用的长过程的稳定问题。

励磁电流直接影响的是 E q 。励磁自动控制系统是通过改 变励磁电流从而改变 E q 值来改善系统稳定性的。

23

1、励磁对静态稳定的影响
?

Eq
输电线
降压变压器
?
?

G
升压变压器

系统

j IG

x

d

(a )
?
?

U

d
?

?
?

?

?
G

UG j I G xT
?

?

Eq

X

?
d

U

U

q

UG

X

T

(b)

(c)

?

IG

图2-6 单机向无穷大母线送电 (a) 接线图;(b) 等值网络;(c) 相量图

24

发电机的输出功率按(2-4)式可以写成
U P ? Eq sin ? G X?

(2-5)

式中 X ?— 系统总电抗,为发电机,变压器,输电线电抗之和; ? ? ? — 发电机空载电动势 E q和受端电压 U 间的相角。 当发电机励磁电动势Eq恒定时,输出功率PG是功率角的正 弦函数,如图2-7所示,发电机输出有功功率和功率角的关系称 为同步发电机的功率特性(或称功角特性)。

25

P

Pm

P0

a

b

Pm

o

?0

90

?

180

?

?

图2-7 同步发电机的功率特性

众所周知,当 dP / d? ? 0时,即 ? ? (如图中a点所示), 90? ? ? 系统是静态稳定的。当 dP / d? ? 0 时90 ? ? ? 180 ,即 (如b点所示),则是不稳定的。 ? 90?为稳定的极限情况, ? 最大可能传输的功率极限为 EqU Pmax ? Xd?
26

实际运行时,为了可靠起见留有一定裕度,运行点总是低 于对应功率极限值。

设P0为实际输出的功率,则把比值

Pmax ? P0 Kp ? ?100% P0

(2-6)

在正常运行方式下,按功角判据计算的静态稳定储备系数应为15%~ 20%;在事故后运行方式和特殊运行方式下,不得低于10%。《电力系统 安全稳定导则(2001版)》

27

自动励磁控制提高静态稳定性的原理

P

P

90?
c
d

Pd Pc Pb P0

Pm

P0

a
b

b

Pm

o

?0

a ? 90

??

180

?

?

图2-7 同步发电机的功率特性

o

?0 ?b

?c ?d

?

图2-8 发电机的几条代表性功率特性

28

自动励磁调节器按电压偏差调节的放大倍数愈大,发电机 维持机端电压的能力愈强,Eq增加愈大,功率特性曲线幅值 愈高,发电机稳定极限功率就愈大。 有了自动调节励磁后,如果仍按功率P0运行,则提高了静 稳定储备;如果按规定的静稳定储备系数运行,则可增大发 电机传输的功率。 由此可见,性能优良的励磁系统,改善了实际的运行功率 特性,提高了稳定极限,而且可以扩大稳定区,使同步发电 机能在 ? ? 90? 的区段运行。

29

2、励磁对暂态稳定的影响 摆次暂态稳定的基本属性: 在遭受扰动后,如果系统在到达不稳定平衡点之前动能 减小到零,则该摆次是暂态稳定的。

G

X

U
T

h
(a )

图2-9 发电机暂态功角特性曲线

要求励磁系统必须具有快速响应能力,以及足够高的强励倍数。
30

励磁顶值电压 U EFq 是励磁功率单元在强行励磁时,可能提供 的最高输出电压值,该值与额定工况下励磁电压 U EFN 之比称为 强励倍数。其值的大小,涉及制造和成本等因素,一般取1.6-2。 提高励磁系统的强励能力,即提高电压强励倍数和电压上 升速度,被认为是提供电力系统暂态稳定性最经济、最有效 的手段之一。随着继电保护和断路器动作速度的提高,强励 对暂态稳定的作用有所减小,因为强励作用的时间缩短了。 但强励对远距离输电的发电机仍是十分重要的。

31

励磁系统时间常数和强励倍数对暂态稳定的影响
PG max
0.75
K ?4

0.70

0.65

K ?2 K ?1

图2-10励磁系统时间常数Te 与暂态稳定极限功率的关系, 由图可见在0.3s以下时,提 高强励倍数K对提高暂态稳 定极限功率有显著效果。当 Te 较大时,效果就不明显。

0.50 0.35
0
0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

T e( s )

图2-10 时间常数与暂态 稳定极限功率的关系

32

P

G max

0.75

T e ? 0.1s

0.70

0.65

T e ? 0.8s

0.60

从图2-11的强励倍数与 暂态稳定极限功率之间的 关系中,可以说明当励磁 系统既有快速响应特性又 有高强励倍数时,才对改 善电力系统暂态稳定有明 显的作用。
K

0.55

0

1

2

3

4

图2-11 强励倍数与暂态 稳定极限功率的关系
33

(四)改善电力系统的运行条件 1、改善异步电动机的自起动条件 电网发生短路等故障时,电网电压降低,使大多数用户的电动机处于 制动状态;故障切除后,由于电动机自起动要吸收大量无功功率,以致延 缓了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢 复。有效地改善电动机的运行条件。图2-l2表示了有励磁自动控制和没有 励磁自动控制时短路切除恢复的不同情况 。
U (%)
120
2 1

100 80

40

0

10

20

30

t (s )

图2-12 短路切除后电压的恢复 1-无励磁自动控制;2-有励磁自动控制
34

2、为发电机异步运行创造条件 同步发电机失去励磁时,需要从系统中吸收大量无功功 率,造成系统电压大幅度下降,严重时危及系统的安全运行。 在此情况下,如果系统中其它发电机组能提供足够的无功功 率维持系统电压水平,则失磁的发电机还可以在一定时间内 以异步运行方式维持运行,这不但可以确保系统安全运行而 且有利于机组热力设备的运行。

35

3、提高继电保护装置工作的正确性 当系统处于低负荷运行状态时,发电机的励磁电流不大, 若系统此时发生短路故障,其短路电流较小,且随时间衰减, 以致带时限的继电保护不能正确工作。励磁自动控制系统就可 以通过调节发电机励磁以增大短路电流。使继电保护正确工作 。 由此可见,发电机励磁自动控制系统在改善电力系统运 行方面起了十分重要的作用 。

36

(五)必要时对水轮发电机组进行强行减磁 当水轮发电机组发生故障突然跳闸时,由于它的调速系统 具有较大的惯性,不能迅速关闭导水叶,因而会使转速急剧上 升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流,则发电机电 压有可能升高到危及定子绝缘的程度,所以,在这种情况下, 要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。

37

二、对励磁系统的基本要求 励磁系统是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成的, 为了充分发挥它们的作用,完成发电机励磁自动控制系统的各 项任务,对励磁功率单元和励磁调节器性能分别提出如下的要 求。 (一)对励磁调节器的要求

励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息, 以产生相应的控制信号,经放大后控制励磁功率单元以得到所 要求的发电机励磁电流。所以对它的要求如下: (1)具有较小的时间常数,能迅速相应输入信息的变化。

38

(2)系统正常运行时,励磁调节器应能维持发电机电压在 给定的水平。励磁控制系统的自然调差率一般在1%以内。 (3)励磁调节器应能合理分配机组的无功功率,为此,励 磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在土10%以内进 行调整。 (4)对远距离输电的发电机组,为了能在人工稳定区域运 行,要求励磁调节器没有失灵区。 (5)励磁调节器应能迅速反应系统故障,具备强行励磁 等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件 。

39

(二)对励磁功率单元的要求 发电机励磁功率单元向同步发电机提供直流电流,除自并 励励磁方式外,一般是由励磁机担当的。励磁功率单元受励 磁调节器控制,对它的要求如下: (1)具有足够的调节容量。

Ut Ue
a 2

?U
1

0

IWa
40

IWe

IW

图附1 无功功率的调节容量

Ut Ue
a 2

?U
1

0

IWa

IWe

IW

图附1 无功功率的调节容量

?UIWe —— 励磁系统调节容量的最低允许值。
励磁系统调节容量一般取最低允许值的1.8~2.0倍。励磁 系统的调整容量不仅决定了自动调压器的工作容量,而且也决 定了励磁机的调节容量,当励磁机的调节容量不足时,励磁系 统对无功功率的调整任务是不可能实现的。
41

(2)具有足够的响应速度和励磁顶值电压。

前面已经提到,从改善电力系统运行条件和提高电力系 统暂态稳定性来说,希望励磁功率单元具有较大的强励能力 和快速的响应能力。因此,在励磁系统中励磁顶值电压和电 压上升速度是两项重要的技术指标 。 励磁系统的响应速度由两部分决定:一是自动励磁调节器 的响应速度,这与调节器所采用的元件及电路有关。另一部 分是励磁功率单元的响应速度。(在后面详细介绍) 现代发展趋势是发电机组的容量越来越大,但其励磁系统 的时间常数却力求越来越小。

42

(3)具有足够高的运行可靠性

励磁系统本身的可靠性:决定于它的元件和电路。 励磁系统不受外部系统状况影响的可靠性:决定于它和 外部系统的关系。

43


电力系统自动控制2-1_图文.ppt

电力系统自动控制2-1 - 山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)... 电力系统自动控制2-1_研究生入学考试_高等教育_教育专区。山大电气考研复试电力系统自动...

电力系统控制技术chapter2-1概述_图文.ppt

电力系统控制技术chapter2-1概述 - 第一节 励磁电流 概 述 Eq 电力系统 ? I EF 空载电动势 励磁功 率单元 G 发电机 励磁调节器 输入信息 图 2-...

电力系统自动化 (2)_图文.ppt

电力系统自动化 (2) - 电力系统自动化 Automation of Powe

电力系统自动控制与装置(第二章)_图文.ppt

电力系统自动控制与装置(第二章) - 理工学部 电气工程教研室 厚德自强 电

2电力系统自动装置第二章_图文.ppt

2电力系统自动装置第二章 - 第二章 同步发电机的自动并列 主要内容 概述 1. 2. 准同期并列的基本原理 3. 自动并列装置的工作原理 4. 4. 频差与电压差调节...

1.2电力系统自动化基本内容-精选文档_图文.ppt

1.2电力系统自动化基本内容-精选文档 - 1.2 电力系统自动化基本内容 ?

电力系统自动化基本内容_图文.ppt

电力系统自动化基本内容 - 1.2 电力系统自动化基本内容 电力系统自动化是指应用各种具有自动检测、 决策和控制功能的装,通过信号系统和数据传 输系统对电力系统...

山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)2-4_图文.ppt

山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)2-4_研究生入学考试_高等教育_教育...15 ()发电机励磁控制系统静态特性 UG IQ U G1 U G 2 ? U Ge U G3...

电力系统自动装置课件PPT全_图文.ppt

电力系统自动装置课件PPT全 - 电力系统自动装置 一、绪论 1、现代电力系统综合自动控制 的总目标 ? 安全 ? 质量 ? 经济 一、绪论 2、现代电力系统综合自动控制...

2-1电力系统运行电压的有关问题_图文.ppt

2-1电力系统运行电压的有关问题 - 第二章 电力系统电压的自动调节 ===基本知识点=== ? 发电机端电压的自动调整 ? 同步发电机励磁系统 ? ...

山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)4-1资料_图文.ppt

山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)4-1资料 - 第四章 电力系统无功

第2章、电力系统的频率控制_图文.ppt

2章、电力系统的频率控制 - 第2章、电力系统频率控制 本章主要介绍电力系统频率特性,频率调整、频率异常 控制2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 概述 频率控制的...

电力系统控制_图文.ppt

电力系统控制 - 电力系统控制讲座 周念成 主要内容 ? 1电力系统控制概述 ? 2电力系统频率控制 ? 3、电力系统电压控制 ? 4、电力系统安全稳定控制 1、电力...

1电力系统自动化绪论_图文.ppt

1电力系统自动化绪论 - 路漫漫其修远兮 吾将上下而求索 屈原 电气与电子工

电力系统控制介绍_图文.ppt

电力系统控制介绍 - 电力系统控制讲座 周念成 主要内容 ? ? ? ? 1电力系统控制概述 2电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制 1、...

山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)2-3剖析_图文.ppt

山大电气考研复试电力系统自动控制(课件)2-3剖析 - 第章 第三节 转子

电力系统自动化基本内容页PPT文档_图文.ppt

电力系统自动化基本内容页PPT文档 - 1.2 电力系统自动化基本内容 电力系统自动化是指应用各种具有自动检测、 决策和控制功能的装置,通过信号系统和数据传 输系统对...

电力系统基础第1章(1、2节)_图文.ppt

电力系统基础第1章(12节) - 电力系统概论 课程介绍 ? ? 专业必修课、考试课 总学时:32 ? 考试成绩评定:考勤20%,作业20%, 期末成绩60% 2章 ? ...

电力系统自动装置(第一第二章)分解_图文.ppt

、自动装置的基本组成 1.硬件:电力系统自动装置的结构形式主要 有微型计算机系统、工业控制机系统、集 散控制系统(DCS)和现场总线系统 (FCS)三种。 各自的适用...

电力系统自动装置第二章_图文.ppt

电力系统自动装置第二章 - 第二章 同步发电机的自动并列 三峡大学 电气信息学院