電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置 第3章 同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

第3章

同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置內(nèi)容概述概述勵(lì)磁系統(tǒng)的換流電路自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置分類及原理概述半導(dǎo)體自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置工作原理勵(lì)磁調(diào)節(jié)器靜特性調(diào)整數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置原理并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功功率的分配勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性概述自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響同步發(fā)電機(jī)的滅磁3.1概述同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)就是指為發(fā)電機(jī)提供可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流裝置的全部組合。其中包括產(chǎn)生可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的勵(lì)磁功率單元(如勵(lì)磁機(jī),以下或稱功率單元)與控制勵(lì)磁功率單元的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)主要組成部分圖3.1

勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖3.1.1電力系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù)圖3.2同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理示意圖（１）系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下維持發(fā)電機(jī)端或系統(tǒng)某點(diǎn)電壓在給定水平

圖3.2(c)給出對(duì)應(yīng)的相量圖。由圖可得

(2)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率的合理分配圖3.3

同步發(fā)電機(jī)接于無(wú)限大母線時(shí)向量圖(3)提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性圖3.4

單機(jī)與系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)對(duì)提高靜態(tài)穩(wěn)定能力的作用

圖3.5自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置改善發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定說(shuō)明圖勵(lì)磁對(duì)提高暫態(tài)穩(wěn)定的作用圖3.6發(fā)電機(jī)的面積定則（４）勵(lì)磁系統(tǒng)能改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件提高繼電保護(hù)動(dòng)作的靈敏度改善電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)條件允許發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行（５）對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)要求能強(qiáng)行減磁由于水輪發(fā)電機(jī)的調(diào)速裝置慣性大，所以，當(dāng)發(fā)電機(jī)因故甩負(fù)荷時(shí)將超速，而超速則可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓，勵(lì)磁裝置此時(shí)應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)行減磁，以免產(chǎn)生危險(xiǎn)過(guò)電壓。汽輪發(fā)電機(jī)的調(diào)速器均較靈敏，故汽輪發(fā)電機(jī)不易超速，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)可不作此要求。以上諸作用表明，同步發(fā)電機(jī)均應(yīng)裝設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置。3.1.2對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求1.勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能保證發(fā)電機(jī)在各種運(yùn)行工況下要求的勵(lì)磁容量，并適當(dāng)留有裕度2.應(yīng)有高的強(qiáng)勵(lì)頂值電壓與勵(lì)磁電壓上升速度圖3.7

勵(lì)磁電壓上升速度的定義示意圖3)應(yīng)有足夠的強(qiáng)勵(lì)持續(xù)時(shí)間4)應(yīng)有足夠的電壓調(diào)節(jié)精度與電壓調(diào)節(jié)范圍5)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)在工作范圍內(nèi)無(wú)失靈區(qū)6)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)有快速滅磁性能7)勵(lì)磁系統(tǒng)本身應(yīng)簡(jiǎn)單可靠,調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定

3.1.3勵(lì)磁系統(tǒng)的類型（１）直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)

圖3.8

自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理圖

圖3.9

他勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理圖(2)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)

圖3.10交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理圖帶靜止整流器的勵(lì)磁系統(tǒng)圖3.11

無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖帶旋轉(zhuǎn)整流器的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)(3)自勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)

圖3.12

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

①交流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵(lì)方式圖3.13交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)式系統(tǒng)

②直流側(cè)并聯(lián)型自復(fù)勵(lì)方式③直流側(cè)串聯(lián)型自復(fù)勵(lì)方式3.2勵(lì)磁系統(tǒng)的換流電路3.2.1三相半控橋式整流電路圖3.15三相半控橋式整流電路及波形(1)基本假設(shè)①交流電壓是三相對(duì)稱的正弦波電壓,且整流變壓器容量足夠大,即不受直流側(cè)工作的影響②整流變壓器的漏抗為零,因此,整流橋的換相過(guò)程被認(rèn)為是瞬間完成,即重疊角為零③直流回路負(fù)載是轉(zhuǎn)子繞組,故電感足夠大,因而認(rèn)為整流電流Id完全平滑。在控制角α不改變,負(fù)載R不變時(shí),電流Id恒定不變④各相控制角α一致,即對(duì)應(yīng)A,B,C三相,觸發(fā)電路控制脈沖的相角依次為α,α-120°,α-240°(2)α=0時(shí)的整流過(guò)程

(3)α>0時(shí)的整流過(guò)程

3.2.2三相全控橋式整流電路（１）整流工作過(guò)程圖3.16三相全控橋式整流電路及波形圖（２）逆變過(guò)程分析1)理想逆變過(guò)程Uβ=-1.35Ulcosα=1.35Ulcosβ(3.13)2)逆變工作分析3.3自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置分類及原理概述3.3.1自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置分類(1)按物理結(jié)構(gòu)分類(2)按調(diào)節(jié)原理分類3.3.2自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作概述（１）復(fù)式勵(lì)磁裝置（２）基于閉環(huán)反饋的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器3.3.2自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作概述(1)復(fù)式勵(lì)磁裝置圖3.18

復(fù)式勵(lì)磁裝置原理性接線示意圖(2)基于閉環(huán)反饋的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器圖3.19

自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)框圖３.４半導(dǎo)體自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置工作原理3.4.1半導(dǎo)體自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的基本結(jié)構(gòu)圖3.21半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.4.2各環(huán)節(jié)工作原理（１）測(cè)量比較環(huán)節(jié)

a.作用及對(duì)環(huán)節(jié)的要求

b.環(huán)節(jié)的組成①正序電壓濾過(guò)器②多相整流③濾波電路④檢測(cè)電路圖3.22

測(cè)量比較環(huán)節(jié)框圖圖3.23正序電壓濾過(guò)器原理接線圖圖3.24正序電壓濾過(guò)器相量關(guān)系圖3.25

六相橋式整流電路圖3.26

濾波電路圖3.27檢測(cè)電路接線及特性（２）綜合放大環(huán)節(jié)1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求2)工作原理圖3.28

運(yùn)算放大器原理接線圖圖3.29綜合放大電路

圖3.30綜合放大電路工作特性

圖3.30示出了Ｕｋ與主信號(hào)ΔＵ的關(guān)系特性（此時(shí)設(shè)其他信號(hào)均為零）。改變Ｒｆ與Ｒ１的比值，可以改變特性斜率；當(dāng)ΔＵ大于一定值后，輸出不再變，呈飽和狀態(tài)，這是根據(jù)移相電路的要求而設(shè)定的。（３）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)圖3.31三相移相觸發(fā)電路工作示意圖圖3.32移相觸發(fā)電路原理圖移相觸發(fā)電路工作原理①同步信號(hào)環(huán)節(jié)②移相觸發(fā)電路③脈沖輸出電路圖3.33

移相觸發(fā)電路原理圖圖3.34控制信號(hào)移相原理說(shuō)明移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的移相特性圖3.35

移相特性3.4.3自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置工作特性

圖3.36

ZTL簡(jiǎn)化框圖(1)ZTL系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性

圖3.37測(cè)量與放大環(huán)節(jié)合成工作特性圖3.38勵(lì)磁調(diào)節(jié)器靜態(tài)工作特性ΔIf=K4Δα(D)ΔIf=K1K2K3K4ΔUG=KΔUG(3.18)

ΔUk=K2ΔU(B)ΔU=K1(UG-Us)=K1ΔUG(A)Δα=K3ΔUk(C)（２）具有ＺＴＬ裝置的發(fā)電機(jī)外特性:對(duì)于勵(lì)磁調(diào)節(jié)而言，發(fā)電機(jī)的外特性在此是指發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流Ｉｒ與端電壓ＵＧ的關(guān)系：ＵＧ＝ｆ（Ｉｒ），這也常稱為電壓調(diào)差特性。該關(guān)系不僅與ＺＴＬ的特性有關(guān)，且與勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)的工作特性有關(guān)。這即是本節(jié)圖3.38所示的勵(lì)磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性。圖3.39

發(fā)電機(jī)外特性的形圖3.40

調(diào)差系數(shù)定義說(shuō)明3.4.4勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的輔助控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要由測(cè)量比較、綜合放大、移相觸發(fā)３個(gè)基本單元組成。此外，還有若干重要輔助電路組成的輔助控制單元。這些輔助控制單元的輸出均以綜合放大單元輸入回路方式加入相應(yīng)輔助控制信號(hào)。它們的作用均體現(xiàn)在改變綜合放大輸出Ｕｋ的大小上，以達(dá)到最后改變移相觸發(fā)輸出Ｕα

的相位，從而達(dá)到應(yīng)有的改變勵(lì)磁的目的。3.5勵(lì)磁調(diào)節(jié)器靜特性調(diào)整3.5.1調(diào)差系數(shù)的調(diào)整（１）調(diào)差特性圖３.４１發(fā)電機(jī)不同的調(diào)差特性圖3.42

正調(diào)差系數(shù)的形成(2)調(diào)差環(huán)節(jié)工作原理調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出電壓為U'G=UG+Rir(3.21)ΔU=K1(U'G-Us)=K1(UG+RIr-Us)調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí),有ΔU=0UG+RIr-Us=0即UG=Us-Rir(3.22)圖3.43

調(diào)差環(huán)節(jié)原理接線圖圖3.44

調(diào)差環(huán)節(jié)矢量圖圖3.45

接入正調(diào)差環(huán)節(jié)前圖3.46外特性平移調(diào)整無(wú)功電流

3.5.2調(diào)差特性的平移圖3.47

ZTL特性與調(diào)節(jié)特性平移的關(guān)系

3.6數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置原理3.6.1數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的硬件構(gòu)成（１）工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)（２）測(cè)量單元（３）同步和數(shù)字觸發(fā)（移相觸發(fā)）單元圖3.50同步電壓波形（ａ）交流電源相電壓（ｂ）晶閘管電路的線電壓（ｃ）整形后方波電壓（ｄ）經(jīng)非門后的方波電壓（ｅ）Ｇａｔｅ輸出脈沖3.6.2軟件組成及其應(yīng)用程序原理（１）電壓調(diào)節(jié)量計(jì)算（調(diào)節(jié)與控制的算法）調(diào)差計(jì)算ＰＩＤ控制算法（２）輔助控制功能瞬時(shí)電流限制最大勵(lì)磁（強(qiáng)勵(lì)）限制最小勵(lì)磁（欠勵(lì)磁）限制電壓／頻率（Ｕ／ｆ）限制發(fā)電機(jī)失磁監(jiān)控（３）主程序流程初始化開(kāi)機(jī)條件判別及空載設(shè)置

開(kāi)中斷故障檢測(cè)及檢測(cè)設(shè)置終端顯示與人機(jī)接口命令

（４）調(diào)節(jié)限制程序

３.７并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功功率的分配圖3.56一臺(tái)無(wú)差與一臺(tái)有差特性機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行3.7.1一臺(tái)無(wú)差特性與一臺(tái)有差特性機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行3.7.2兩臺(tái)無(wú)差特性的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行圖3.57兩臺(tái)無(wú)差特性機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行這是一種不能并聯(lián)運(yùn)行的方式。兩臺(tái)機(jī)組均為無(wú)差特性時(shí)，可能有兩種情況：①兩條特性不重合，如圖3.57所示。兩臺(tái)機(jī)組各有其電壓整定值為Ｕ１和Ｕ２。因?yàn)椋眨薄伲眨玻瑑蓹C(jī)組不能并聯(lián)運(yùn)行②兩條特性重合，此時(shí)兩機(jī)組無(wú)明確交點(diǎn)，無(wú)功分配是任意的，不合理圖3.58兩臺(tái)正調(diào)差特性機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行3.7.3兩臺(tái)正調(diào)差特性的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行

3.7.4發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器并聯(lián)運(yùn)行圖3.59兩臺(tái)機(jī)組各自經(jīng)升壓變壓器后并聯(lián)運(yùn)行圖3.60

勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.8勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性概述3.8.1對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求

1)上升時(shí)間tr上升時(shí)間指響應(yīng)曲線自10%穩(wěn)定響應(yīng)值上升到90%響應(yīng)值時(shí)所需的時(shí)間。有時(shí)也取為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值從零上升到100%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間

3)調(diào)節(jié)時(shí)間ts從輸入階躍信號(hào)響應(yīng)值與穩(wěn)態(tài)值之差ε(見(jiàn)圖3.61)調(diào)節(jié)到不再超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的2%(有時(shí)給定為5%)所需的最小時(shí)間,稱為調(diào)節(jié)時(shí)間3.8.2勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(1)同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)

(2)勵(lì)磁功率單元的傳遞函數(shù)直流勵(lì)磁機(jī)圖3.62

他勵(lì)式勵(lì)磁機(jī)簡(jiǎn)化原理圖

式中

λE—?jiǎng)?lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路磁鏈;λE=NΦE;N—繞組匝數(shù);ΦE—與N交鏈的磁通;RE—?jiǎng)?lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路電阻;iE—UE作用下輸入回路的電流圖3.63

勵(lì)磁機(jī)的飽和特性曲線

計(jì)入飽和后,有iE=G(1+SE)uf(3.40)設(shè)氣隙中磁通為Φa,在恒定轉(zhuǎn)速下uf=kΦa(3.41)式中

k——常系數(shù)ΦE在穿過(guò)氣隙時(shí)有漏磁Φl,且漏磁通與Φa成正比ΦE=Φa+Φl=σΦa(3.42)

式中

σ——分散系數(shù),一般取σ=1.1~1.2利用以上各式,可以求出勵(lì)磁機(jī)傳遞函數(shù)。將式(3.40)、式(3.41)、式(3.42)代入式(3.37'),得

圖3.64

他勵(lì)式勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)框圖圖3.65

交流勵(lì)磁機(jī)等效電路原理圖圖3.66

交流勵(lì)磁機(jī)飽和特性曲線交流勵(lì)磁機(jī)本體傳遞函數(shù)為

圖3.67

交流勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)框圖可控整流器圖3.68

單相全波可控整流輸出與α角的關(guān)系

(3)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

圖3.69

綜合放大單元框圖(4)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

圖3.70

勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖

3.8.3勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（１）用勞斯判據(jù)討論穩(wěn)定性（２）用Ｂｏｄｅ圖討論穩(wěn)定性３．９自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

圖3.73

經(jīng)外阻抗接于無(wú)限大母線的同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)(3)同步發(fā)電機(jī)的固有特性

其特征方程式為(Tjs2+K1ω0)(1+K3T'd0s)-K2K3K4ω0=0

圖3.74

不計(jì)ZTL時(shí)同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)框圖3.9.3自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

(2)電力系統(tǒng)的低頻振蕩及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PowerSystemStabilizer,PSS)的概念

在遠(yuǎn)距離輸電線路重負(fù)荷時(shí),采用通常的按電壓偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)的ZTL,由于勵(lì)磁控制系統(tǒng)存在慣性,這種調(diào)節(jié)方式提供的勵(lì)磁電流具有時(shí)滯,其滯后相位使本應(yīng)衰減的振蕩角度反而加大,即出