第六講 同步發(fā)電機

第六講同步發(fā)電機第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電自動控制無功/電壓有功/頻率第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五第六講同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五總述勵磁系統(tǒng)的任務(wù)勵磁系統(tǒng)的類型勵磁系統(tǒng)的整流電路并聯(lián)機組間無功分配勵磁裝置的原理第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五同步發(fā)電機自動勵磁控制系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)一、電力系統(tǒng)無功功率控制的必要性1.維持系統(tǒng)電壓正常水平電力系統(tǒng)電壓水平主要是由電力系統(tǒng)中無功功率平衡來維持的。整個電力系統(tǒng)無功功率平衡關(guān)系可由下式表示：——無功電源i向系統(tǒng)供給的無功功率；

——負荷j所消耗的無功功率；——電力系統(tǒng)中變壓器、線路中所損耗的無功功率；第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五在任意時刻，系統(tǒng)所產(chǎn)生的無功功率與系統(tǒng)中所消耗的無功功率總是平衡的。問題是在多高的電壓下達到平衡的?

系統(tǒng)無功負荷(包括無功損耗)靜態(tài)電壓特性如圖5.1所示。系統(tǒng)無功電源所發(fā)出的無功功率偏離系統(tǒng)在額定電壓下的無功需求越大，系統(tǒng)實際運行電壓就偏離額定電壓越大，電網(wǎng)電能質(zhì)量越差，有可能使電網(wǎng)電壓超出其允許范圍。

控制無功電源所發(fā)出的無功功率就可以維持系統(tǒng)電壓運行在其允許變化范圍之內(nèi)，保證電網(wǎng)電壓正常運行水平。第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五2.提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性

（1）系統(tǒng)的無功電源：主要:同步發(fā)電機,另外:并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、同步電動機、靜止補償器等。。（2）選用哪種無功電源，將它們配置在何處．如何控制系統(tǒng)中無功電源的出力，是很重要的。這些工作做得好．不僅可以提高電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，而且還會減少無功功率傳輸過程中造成的無功和有功功率損耗，因而可以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。例如:對于還離負荷中心的電廠，就不要它發(fā)過多的無功功率送往負荷,這是因為遠距離地從電源經(jīng)過變壓器和輸電線路內(nèi)負荷輸送無功功率，會產(chǎn)生電壓損耗(高壓線路和變壓器上的電壓損失主要是出無功功率造成的)和有功功率損托，而且輸送距離越遠，經(jīng)過的環(huán)節(jié)越多，電壓損耗和有功功率損耗也就越大。因此，無功功率一般都盡可能地就地、就近平衡。第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五3.維持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性發(fā)電機是電力系統(tǒng)中主要的無功電源，發(fā)電機的端口電壓是由其勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動控制的。合理的選用自動勵磁調(diào)節(jié)器，就可以保證發(fā)電機的端口電壓維持不變，從而提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。另外，現(xiàn)代發(fā)電機都裝有快速響應(yīng)的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以保證當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而使發(fā)電機端電壓低于(85%~90%)時，能快速而大幅度地增大勵磁電流，以迅速提高發(fā)電機的端電壓，從而有效地改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)電壓控制無功分配提高穩(wěn)定強行勵磁強行減磁第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)電壓控制

等值電路相量圖GGEWUEF.IEF.UGIG..xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.φjIGxd.Eq.δGφjIQxd.第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五二、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)同步發(fā)電機是系統(tǒng)重要的無功電源，其無功功率的輸出是由它的勵磁系統(tǒng)來控制的同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)主要有以下幾個方面。1.控制發(fā)電機端電壓

通過勵磁系統(tǒng)來控制調(diào)節(jié)控制同步發(fā)電機的端電壓是一種不需耗費投資而且最直接的調(diào)壓手段。在發(fā)電機不經(jīng)升壓直接向用戶供電的簡單系統(tǒng)中，若供電線路不長，線路上電壓損耗不大，單靠調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁來控制發(fā)電機的端電壓就能滿足負荷對電壓質(zhì)量的要求。第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五（1）單機運行時：在正常運行時，勵磁電流IEF在發(fā)電機勵磁線圈FLQ中建立磁場，使定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢Eq，在不考慮鐵心飽和程度影響時，感應(yīng)電勢的大小與勵磁電流的大小成正比，因此通過調(diào)整IEF的大小就可使Eq發(fā)生相應(yīng)的變化.第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)就是通過不斷地調(diào)節(jié)勵磁電流來維持機端電壓為給定水平的。第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五因發(fā)電機的直軸電抗Xd為常數(shù)，發(fā)電機的端電壓UG的大小是由其感應(yīng)電勢Eq及負荷電流無功分量Iq的大小決定的。Eq和發(fā)電機勵磁電流IEF成正比,上式說明，當(dāng)IEF

不變時,Iq變化將引起UG變化，即發(fā)電機單機帶負荷運行時，電壓變化主要是由定子電流的無功分量Iq的變化引起的。上式還說明，如果發(fā)電機無功電流Iq不變，改變IEF可以改變Eq，進而可以改變UG或使UG保持恒定.即發(fā)電機單機運行時，調(diào)節(jié)勵磁電流可以改變發(fā)電機電壓。第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五（2）當(dāng)發(fā)電機并入電力系統(tǒng)運行時發(fā)電機并入電力系統(tǒng)運行時，電力系統(tǒng)的電壓水平由系統(tǒng)中無功電源發(fā)出的無功功率總和與系統(tǒng)中負荷所消耗的無功功率總和之間的平衡關(guān)系決定。由于單機容量相對電力系統(tǒng)中發(fā)電機總?cè)萘縼碚f是有限的，因此改變一臺發(fā)電機的勵磁電流對電力系統(tǒng)電壓水平的影響就不象單機帶負荷運行時對發(fā)電機電壓的影響那么大。而且電力系統(tǒng)的容量越大，這種特征越明顯。當(dāng)電力系統(tǒng)容量無窮大時，系統(tǒng)電壓為恒定值。改變一臺發(fā)電機的勵磁電流對系統(tǒng)的電壓水平就一點影響也沒有了。但是，由于電力系統(tǒng)中各節(jié)點電壓是不相同的，因此，對并入電力系統(tǒng)的發(fā)電機電壓隨勵磁電流變化的情況要做具體分折。下面是發(fā)電機經(jīng)變壓器和輸電線路并入電力系統(tǒng)的情況：第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五——變壓器漏抗和輸電線路電抗歸算值(歸算到發(fā)電機電壓等級下)；—電力系統(tǒng)電壓和變壓器高壓側(cè)電壓的歸算值。而所以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流來改變發(fā)電機感應(yīng)電勢Eq,可以改變發(fā)電機輸出的無功電流Iq，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓Ux和變壓器高壓側(cè)電壓UB，或維持它們在給定的范圍內(nèi).如發(fā)電機直接接入無窮大電力系統(tǒng)，即XB=0，XL=0，則發(fā)電機端電壓等于系統(tǒng)電壓，并隨系統(tǒng)電壓的變化而變化，此時發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)不再有調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓的作用。第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)控制無功功率的分配

設(shè)單機無窮大系統(tǒng)：GIG.UG=常數(shù).第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)控制無功功率的分配由于發(fā)電機發(fā)出的有功功率只受調(diào)速器控制，與勵磁電流的大小無關(guān)。第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響發(fā)電機的輸出功率為第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性abc同步發(fā)電機的功角特性最大可能傳輸?shù)墓β蕵O限為

第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性它使發(fā)電機能在大于90度范圍的人工穩(wěn)定區(qū)運行，即可提高發(fā)電機輸送功率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備。第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定等面積法則第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)強行勵磁以改善電力系統(tǒng)運行條件1改善異步電動機的自啟動2為異步發(fā)電機運行創(chuàng)造條件3提高繼電保護工作的準(zhǔn)確性第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù)水輪發(fā)電機強行減磁當(dāng)水輪發(fā)電機組發(fā)生故障突然跳閘時，由于它的調(diào)速系統(tǒng)具有較大的慣性，不能迅速關(guān)閉導(dǎo)水葉，因而會使轉(zhuǎn)速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發(fā)電機的勵磁電流，，則發(fā)電機電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以，在這種情況下，要求勵磁自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)強行減磁。第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五對勵磁系統(tǒng)的要求維持電壓水平和無功的合理分配控制能力和調(diào)節(jié)范圍快速反應(yīng)能力高度的可靠性快速性結(jié)構(gòu)簡單，易于維護足夠的阻尼能力第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)類型勵磁系統(tǒng)直流勵磁機交流勵磁機靜止勵磁第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁系統(tǒng)的整流電路整流電路三相橋式不可控三相橋式半控三相橋式全控第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性和并聯(lián)機組間無功分配勵磁控制系統(tǒng)框圖同步發(fā)電機勵磁功率單元勵磁調(diào)節(jié)器手動自動勵磁調(diào)節(jié)器檢測發(fā)電機的電壓、電流或其它狀態(tài)量，然后按指定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則對勵磁功率單元發(fā)出控制信號，實現(xiàn)控制功能。勵磁系統(tǒng)其他信號第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖比例式勵磁調(diào)節(jié)器勵磁調(diào)節(jié)器最基本的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓。常用的勵磁調(diào)節(jié)器是比例式調(diào)節(jié)器，它的主要輸入量是發(fā)電機端電壓，其輸出用來控制勵磁功率單元。電壓升高時輸出減小，電壓降低時輸出增大。第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖勵磁調(diào)節(jié)器基本框圖第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五測量K1綜合放大K2移相觸發(fā)K3可控整流K4UGUREFUdeUSMIEE勵磁調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作特性勵磁調(diào)節(jié)器的簡化框圖調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K與組成調(diào)節(jié)器的各單元增益的關(guān)系為勵磁調(diào)節(jié)器總的放大倍數(shù)等于各組成單元放大倍數(shù)的乘積K——調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性發(fā)電機調(diào)節(jié)特性第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性無功調(diào)節(jié)特性在公共母線上并聯(lián)運行的發(fā)電機組間無功功率的分配，主要取決于各臺發(fā)電機的無功調(diào)節(jié)特性。而無功調(diào)節(jié)特性是用調(diào)差系數(shù)來表征的:調(diào)差系數(shù)越小說明IQ對UG影響越小UGUG1UG20IQIQNΔUG第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性調(diào)差系數(shù)存在的意義:①能平穩(wěn)地改變無功負荷，不致發(fā)生無功功率的沖擊；②保證并聯(lián)運行的發(fā)電機組間無功功率的合理分配。UGIQδ=0δ<0δ>0UG0第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性發(fā)電機無功電流的轉(zhuǎn)移3-2-1IQ投入運行到合適點,無沖擊1-2-3退出運行,IQ減小到零,無沖擊UGIQUM123IQ2IQ1第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五并聯(lián)運行機組間的無功功率分配無差調(diào)節(jié)特性

1無差+有差有困難無法穩(wěn)定不能并聯(lián)運行

2無差+無差

UGIQⅠ

δ=0Ⅱ’δ<0Ⅱ

δ>0UⅠUⅡUⅡ’IQ2UGIQⅠⅡUⅠUⅡ第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五并聯(lián)運行機組間的無功功率分配有差調(diào)節(jié)特性UGUGⅠUGⅡ0IQI’QⅠⅠⅡUG0UGNIQⅠIQⅡI’QⅡIQN第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五我國勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展及分類機械式機電型磁放大器電磁型電子模擬放大器電子型CPU存儲邏輯數(shù)字型20世紀(jì)初1950s’1960s’1980s’第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的優(yōu)點

方便地實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略便于修改，靈活性強可以實現(xiàn)更加完備的限制和保護功能操作簡單、維護方便以及便于試驗和調(diào)試勵磁調(diào)節(jié)裝置原理第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)裝置原理圖為600MW發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)裝置原理圖為300MW三機勵磁系統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)器第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五人—機接口調(diào)節(jié)控制輸出勵磁調(diào)節(jié)裝置原理基本控制電壓調(diào)節(jié)無功分配輔助控制瞬時電流限制最大勵磁電流限制最小勵磁電流限制電壓頻率保護失磁監(jiān)控勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS等等數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器硬件+軟件信息采集單元主控制單元第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)裝置原理數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器原理框圖第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期五勵磁調(diào)節(jié)裝置原理控制的數(shù)學(xué)模型

PID模型:離散化為