同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)

TIME\@"h:mm:ssam/pm"11:03:52AMTIME\@"h:mm:ssam/pm"11:03:52AM洛陽理工學院PAGEPAGE152013.11.192013/11/1同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)9班級：B130432姓名：汪鵬飛學號：B13043221完成日期：2013.11.11《電力系統(tǒng)自動裝置》課程論文評分表序號評分項分數(shù)1論文的結構與格式15分2語言組織10分3切題（符合課程）25分4內(nèi)容合理能用20論文總成績摘要近年來，隨著發(fā)電機容量的不斷增大，遠方水電廠到負荷中心的長距離輸電線路的出現(xiàn)，這時，發(fā)電機間的聯(lián)系變得比較松散，就出現(xiàn)了輸送功率的極限問題。特別是在發(fā)生故障的情況下，有可能使發(fā)電機失去同步。另一方面，隨著大規(guī)模聯(lián)合電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)的結構和運行方式越來越復雜多變，這就增加了發(fā)生系統(tǒng)性事故和導致大面積停電的幾率。電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故是電力系統(tǒng)各種事故中涉及面最廣、后果最嚴重的事故之一。因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題歷來為世界各國所普遍關注。在當前，為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性而采取的措施中，勵磁控制有明顯的作用。在諸多改善發(fā)電機穩(wěn)定性的措施中，提高勵磁系統(tǒng)的控制性能，被公認為是最有效和最經(jīng)濟的措施之一。目前傳統(tǒng)的試驗測試裝置已很難對勵磁系統(tǒng)的特性進行全面的測試，難于適應現(xiàn)代技術發(fā)展的需要。因此研制功能齊全，具有等效控制對象模型、操作方便的新型勵磁測試系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)測試勢在必行。關鍵詞發(fā)電機勵磁系統(tǒng)勵磁控制第一章、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的一個重要組成部分，它一般由兩部分組成：一部分用于向發(fā)電機的磁場繞組提供直流電流，以建立直流磁場，通常稱為勵磁功率輸出部分（或稱為功率單元）。另一部分用于在正常運行或發(fā)生事故時調(diào)節(jié)勵磁電流，以滿足運行的需要。這一部分包括勵磁調(diào)節(jié)器、強行勵磁、強行減磁和自動滅磁等，一般稱為勵磁控制部分（或稱為控制單元）。不論在系統(tǒng)正常還是在故障情況下，同步發(fā)電機的直流勵磁電流都需要控制，因此勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分。勵磁系統(tǒng)不但與發(fā)電機及其相聯(lián)的電力系統(tǒng)的運行經(jīng)濟指標密切相關，而且與發(fā)電機及其電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性能密切相關。1.1控制發(fā)電機的端電壓維持發(fā)電機的端電壓等于給定值是電力系統(tǒng)調(diào)壓的主要手段之一，在負荷變化的情況下，要保證發(fā)電機的端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵磁。由發(fā)電機的簡化相量圖（圖1-1）可得：(1-1)式中：Eq——發(fā)電機的空載電勢；UG——發(fā)電機的端電壓；IG——發(fā)電機的負荷電流。圖1-1同步發(fā)電機簡化向量圖式（1-1）說明，在發(fā)電機空載電勢Eq恒定的情況下，發(fā)電機端電壓UG會隨負荷電流IG的加大而降低，為保證發(fā)電機端電壓UG恒定，必須隨發(fā)電機負荷電流IG的增加（或減?。桨l(fā)電機的勵磁系統(tǒng)增加（或減?。┌l(fā)電機的空載電勢Eq，而Eq是發(fā)電機勵磁電流IF的函數(shù)（若不考慮飽和，Eq和IF成正比），故在發(fā)電機運行中，隨著發(fā)電機負荷電流的變化，必須調(diào)節(jié)勵磁電流來使發(fā)電機端電壓恒定。為了表示勵磁系統(tǒng)維持發(fā)電機端電壓恒定的能力，采用了調(diào)壓精度的概念。所謂調(diào)壓精度是指在自動勵磁調(diào)節(jié)器投入運行，調(diào)差單元退出，電壓給定值不進行人工調(diào)整的情況下，發(fā)電機負載從零變化到視在功率額定值以及環(huán)境溫度、頻率、電源電壓波動等在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，所引起的發(fā)電機端電壓的最大變化，常用發(fā)電機額定電壓的百分數(shù)表示。一般來說，發(fā)電機在運行中引起端電壓變化的主要因素是負荷電流的變化，通常用發(fā)電機調(diào)壓靜差率δJ來表示這種變化。調(diào)壓靜差率是指自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元退出，電壓給定值不變，負載從額定視在功率減小到零時發(fā)電機端電壓的變化率，它可由下式計算：(1-2)式中：UG0——發(fā)電機空載電壓；UG——發(fā)電機額定負荷時的電壓；UGN——發(fā)電機的額定電壓通過發(fā)電機甩負荷試驗可測量發(fā)電機的調(diào)壓靜差率，它主要取決于勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)開環(huán)放大系數(shù)K0，K0越大，δJ便越小。以上分析的是穩(wěn)態(tài)過程。在電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程中，維持發(fā)電機端電壓恒定有利于維持電力系統(tǒng)的電壓水平，從而使電力系統(tǒng)的運行特性得到改善。如自動勵磁調(diào)節(jié)能使短路切除后，電力系統(tǒng)的電壓恢復加快，從而使系統(tǒng)中的異步電動機自啟動加速，當電力系統(tǒng)中有大型電動機啟動、同步發(fā)電機自同期并列、同步電機因失磁而轉入異步運行或重負荷線路合閘（或重合閘）時，電力系統(tǒng)都可能造成大量無功缺額，系統(tǒng)電壓水平將下降，自動勵磁調(diào)節(jié)能減小這種下降，使電力系統(tǒng)的運行特性得到改善。另一方面，當系統(tǒng)中有重負荷線路跳閘或發(fā)電機發(fā)生甩負荷時，自動勵磁調(diào)節(jié)有助于降低此時可能產(chǎn)生的系統(tǒng)及發(fā)電機電壓過分升高，這一點對水輪發(fā)電機特別重要，當水輪發(fā)電機發(fā)生甩負荷時，其調(diào)速器慣性時間常數(shù)較大，發(fā)電機會產(chǎn)生較嚴重的過速，對采用同軸勵磁機的發(fā)電機來說，它的端電壓正比于轉速的三次方甚至四次方。因此，甩負荷可能造成發(fā)電機嚴重過壓。為防止這種過電壓的發(fā)生，要求勵磁系統(tǒng)在這種情況下能強行減磁（簡稱強減）。1.3控制無功功率的分配當發(fā)電機并聯(lián)于電力系統(tǒng)運行時，它輸出的有功決定于從原動機輸入的功率，而發(fā)電機輸出的無功則和勵磁電流有關。為分析方便，假定發(fā)電機并聯(lián)在無窮大母線運行，即其機端電壓UG恒定。設發(fā)電機從原動機輸入的機械功率不變，即發(fā)電機輸出的有功功率Pf恒定，則有：(1-3)式中：δ——發(fā)電機的功率角；C——常數(shù)。UG恒定、P恒定即意味著IGcos和Eqsinδ均為常數(shù)，在發(fā)電機相量圖（圖1-2）上，這表示發(fā)電機電流IG的矢端軌跡為虛線BB’，空載電勢Eq的矢端軌跡為虛線AA’。當改變發(fā)電機的勵磁使發(fā)電機空載電勢Eq變化（如Eq由Eq1變?yōu)镋q2）時，發(fā)電機的負載電流IG跟著變化（由IG1變?yōu)镮G2），但其有功分量IGa=IGcos恒定，故變化的只是無功電流IGR。圖1-2同步發(fā)電機與無窮大母線并聯(lián)運行向量圖實際運行中，發(fā)電機并聯(lián)運行的母線不會是無窮大母線，這時改變勵磁將會使發(fā)電機的端電壓和輸出無功都發(fā)生變化，但一般說來，發(fā)電機的端電壓變化較小，而輸出無功卻會有較大的變化。所以說，保證并聯(lián)運行發(fā)電機組間合理的無功分配，是勵磁系統(tǒng)的重要功能。在研究并聯(lián)運行發(fā)電機組間的無功分配問題時所涉及的主要概念之一是發(fā)電機機端電壓調(diào)差率。所謂發(fā)電機機端電壓調(diào)差率是指在自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元投入，電壓給定值固定，發(fā)電機功率因數(shù)為零的情況下，發(fā)電機無功負載從零變化到額定值時，用發(fā)電機額定電壓百分數(shù)表示的發(fā)電機機端電壓變化率δT，通常由下式計算：(1-4)式中：UG0——發(fā)電機空載電壓；UGR——發(fā)電機額定無功負載時的電壓；UGN——發(fā)電機的額定電壓。發(fā)電機的端電壓調(diào)差率，反映了在自動勵磁調(diào)節(jié)器的作用下發(fā)電機端電壓UG隨著發(fā)電機輸出無功的變化。自動勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)差單元的有正負兩種不同作用。一是使發(fā)電機端電壓UG隨輸出無功電流IGR的加大而降低，即UG<UG0，稱為正的電壓調(diào)差；也可使發(fā)電機端電壓UG隨輸出無功電流IR的加大而升高，即UG>UG0，則稱為負的電壓調(diào)差；若發(fā)電機端電壓UG不隨輸出無功電流IR的變化而改變，即UG=UG0，則稱發(fā)電機沒有電壓調(diào)差，即零調(diào)差。圖1-3表示了發(fā)電機的三種調(diào)差特性。當多臺發(fā)電機機端直接并聯(lián)在一起工作時，為了使并聯(lián)機組間能有穩(wěn)定的無功分配，這些發(fā)電機都必須有正的電壓調(diào)差，且要求調(diào)差率δT=3%～5%。若發(fā)電機是單元接線，即它們是通過升壓變壓器在高壓母線上并聯(lián)，則要求發(fā)電機有負的調(diào)差，以部分補償無功電流在升壓變壓器上形成的壓降（國外常把調(diào)差單元稱為負荷補償器），從而使電廠高壓母線電壓更加穩(wěn)定。有些電廠為了減小系統(tǒng)電壓波動所引起的發(fā)電機無功的波動，常常不投入調(diào)差單元，這對電力系統(tǒng)的調(diào)壓，即保持系統(tǒng)的電壓水平是不利的。提高同步發(fā)電機并聯(lián)的穩(wěn)定性通常把電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題分為三類，即靜態(tài)穩(wěn)定（Steadystatestability）、暫態(tài)穩(wěn)定（Transientstability）及動態(tài)穩(wěn)定（Dynamicstability）問題。所謂靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在受到小干擾作用時的穩(wěn)定性，即受到小干擾作用后恢復原平衡狀態(tài)的能力；暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在受到大干擾（主要是短路）作用時的穩(wěn)定性，即在大干擾作用后系統(tǒng)能否在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定工作；而動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受干擾后（包括小干擾和大干擾），在考慮了各種自動控制裝置作用的情況下，長過程的穩(wěn)定性問題。勵磁控制對電力系統(tǒng)的三類穩(wěn)定的改善都有顯著的作用，下面討論勵磁控制對各類穩(wěn)定問題的影響。2.1勵磁控制對靜態(tài)穩(wěn)定的影響為簡化分析，設發(fā)電機工作于單機對無窮大母線系統(tǒng)中。發(fā)電機G經(jīng)升壓變壓器SB及同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)輸電線接到受端母線，由于受端母線為無窮大母線，它的電壓幅值UG和相位（設為零）都保持恒定。圖1-4表示了系統(tǒng)的接線圖及等值電路圖。GSB圖1-4若忽略發(fā)電機的凸極效應（即認Xd=Xq）及回路電阻，則發(fā)電機輸出的有功功率為：（1-5)式中：Eq——發(fā)電機空載電勢；UG——無窮大母線電壓；δ——Eq和UG之間的相角差，常稱功率角；Xd∑——系統(tǒng)總電抗，為發(fā)電機縱軸同步電抗Xd，變壓器電抗XT和線路電抗XT之和。若發(fā)電機空載電勢Eq恒定，則發(fā)電機的有功功率P將只隨功率角δ變化(見圖1-5)，P和δ之間的這種正弦關系稱為發(fā)電機的內(nèi)功角特性。當發(fā)電機的原動機輸入功率為P0時，發(fā)電機存在著兩個平衡的工作點a和b。在a點，若發(fā)電機因干擾而偏差平衡點，由于0>ΔδP，即角度的偏移Δδ所產(chǎn)生的功率偏移ΔP(和Δδ)同號，會使發(fā)電機回歸平衡點，故a點是穩(wěn)定的；在b點，若發(fā)電機因干擾而偏差平衡點，由于0<ΔδP，即角度的偏移Δδ所產(chǎn)生的功率偏移ΔP(和Δδ)不同號，會使發(fā)電機遠離平衡點，故b點是不穩(wěn)定的。通常將PΔδ當作電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)，當0>ΔδP時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，反之是不穩(wěn)定的。對無自動勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電機來說，在δ>90°時，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，即穩(wěn)定極限角度為90°。若發(fā)電機具有自動勵磁調(diào)節(jié)器，由于調(diào)節(jié)器能自動維持發(fā)電機端電壓的恒定，即能隨角度δ的加大而加大空載電勢，使發(fā)電機的實際運行曲線是一組內(nèi)功角特性曲線上的點組成（參見圖1-6），這時發(fā)電機可以運行于δ>90°的區(qū)段，通常把這一區(qū)段稱為人工穩(wěn)定區(qū)。即由于采用了自動勵磁調(diào)節(jié)器而將原來不穩(wěn)定的工作區(qū)域變?yōu)榉€(wěn)定區(qū)域，從物理概念上，可以這樣理解：在δ>90°的情況下，當干擾使發(fā)電機偏離了原工作點δ0，產(chǎn)生了角度偏移Δδ，一方面按正弦特性Δδ會產(chǎn)生一個負的有功增量ΔP1，另一方面，Δδ加大使機端電壓降低，自動勵磁調(diào)節(jié)器為使機端電壓恒定而加大發(fā)電機的勵磁電流，使空載電勢Eq產(chǎn)生一個增量ΔEq，ΔEq又使發(fā)電機產(chǎn)生一個正的有功增量ΔP2，顯然若2PΔ>Δ10，因角度偏移Δδ引起的總的功率增量12PPPΔ=Δ+>Δ，即dP0d>δ，系統(tǒng)變穩(wěn)定了。自動電壓調(diào)節(jié)器按電壓偏差調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)越大，發(fā)電機維持端電壓的能力越強，ΔEq越大，ΔP2也越大，發(fā)電機的穩(wěn)定極限也就加大。當然，對于那些離系統(tǒng)較近（指電氣距離）的發(fā)電機來說，在系統(tǒng)電壓突然升高時（如一條重負荷線路因事故跳閘），發(fā)電機電壓會隨之升高，發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器為維持機端電壓恒定，會將勵磁電流減得過低，造成發(fā)電機進相以致失去靜態(tài)穩(wěn)定。為防止這種情況發(fā)生，在發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器中，必須裝有低勵限制單元。當發(fā)電機的勵磁過分降低，以致危及同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)及它的靜態(tài)穩(wěn)定時，低勵限制動作，阻止發(fā)電機勵磁的進一步降低。2勵磁控制對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響如前所述，為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，希望自動勵磁調(diào)節(jié)器有較大的放大系數(shù)，而這卻會使系統(tǒng)的動態(tài)特性變壞，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的可能性增加。如何控制勵磁才能使系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性得到提高呢?設發(fā)電機工作于單機對無窮大母線系統(tǒng)（見圖1-4），當發(fā)電機相對于系統(tǒng)發(fā)生幅值不大的振蕩時，有：(1-6)式中：Δδ——對平衡點的角度偏移；ΔδM——角度振蕩的偏值；γ——振蕩角頻率。發(fā)電機轉子運動方程為：式中：H——發(fā)電機的慣性常數(shù)；D——發(fā)電機的阻尼系數(shù)；ΔP0——由原動機輸入的功率偏移；ΔP——發(fā)電機輸出有功功率偏移。即K1在α>90°情況下為負，即若無附加項K2K3，系統(tǒng)穩(wěn)定的極限為90°。而由ΔEq變化(反映勵磁調(diào)節(jié)的作用)引起的附加項K2K3使發(fā)電機的極限穩(wěn)定角可能大于90°，這和前面的分析是一致的。ΔEq變化產(chǎn)生的另一個影響就是減小了系統(tǒng)的阻尼，將阻尼系數(shù)由D減小為（D-K2K4），這即是通常所說的勵磁調(diào)節(jié)的負阻尼作用，顯然它對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定是不利的。要在勵磁調(diào)節(jié)時增加系統(tǒng)的阻尼，必須使勵磁電流的變化（亦即ΔEq）領先角度變化（即Δδ）一個角度，即可看出，勵磁電流變化（即ΔEq）產(chǎn)生的附加項加大了系統(tǒng)的阻尼，從而提高了電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。如何能使勵磁電流的變化領先角度的變化呢？通常采用的辦法是用反映角度微分的量（角度的微分總是領先角度變化的），如發(fā)電機的輸出功率P（最好是剩余功率ΔP=P0-P），轉速ω，頻率f等信號來調(diào)節(jié)勵磁。采用這種方法調(diào)節(jié)勵磁的調(diào)節(jié)器在蘇聯(lián)及東歐稱為強力式勵磁調(diào)節(jié)器，而在西方則稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。2.3勵磁控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)提高勵磁系統(tǒng)的強勵能力（提高電壓強勵倍數(shù)及電壓上升速度）通常被認為是提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的最經(jīng)濟及最有效的手段之一。隨著繼電保護和開關動作速度的提高，強勵對暫態(tài)穩(wěn)定的影響雖有所減小（因為需要強勵作用的時間變短了），但強勵對具有遠距離輸電問題的水輪機來說仍然是十分重要的。反應勵磁系統(tǒng)強勵性能的主要指標有：1>勵磁頂值電壓倍數(shù)npu：常稱電壓強勵倍數(shù)，它指在強勵期間勵磁功率單元可能提供的最高輸出電壓值與發(fā)電機額定勵磁電壓之比。對于采用靜止勵磁的水輪發(fā)電機來說，勵磁功率單元在強勵期間所能提供的最高電壓和發(fā)電機的運行狀態(tài)有關（對自并激勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機端電壓有關；對自復激勵磁系統(tǒng)則和發(fā)電機端電壓及端電流有關）。所以國標或行標對強勵倍數(shù)作了相關規(guī)定：對于自并勵系統(tǒng)，當發(fā)電機機端正序電壓為額定值的80%時，勵磁頂值電壓倍數(shù)應予保證，對水輪發(fā)電機的電壓強勵倍數(shù)，一般要求不小于2，在特殊情況下可高于或低于2，但不宜低于1.8。2>勵磁系統(tǒng)電壓響應時間：它指從施加階躍信號起至勵磁電壓達到最大勵磁電壓與額定電壓之差的95%的時間（階躍施加前發(fā)電機勵磁電壓為額定勵磁電壓），參見圖1-7所示。圖1-7勵磁系統(tǒng)電壓響應時間定義勵磁系統(tǒng)電壓響應時間等于或小于0.1秒的勵磁系統(tǒng)稱為高起始響應的勵磁系統(tǒng)。水輪發(fā)電機的靜止勵磁系統(tǒng)即屬高起始響應的勵磁系統(tǒng)。3>勵磁電壓響應比：它指勵磁電壓在強勵作用后的最初0.5秒內(nèi)的平均上升速度（參見圖1-8）。對于非高起始響應的勵磁系統(tǒng)，勵磁電壓響應比是反映勵磁系統(tǒng)強勵性能的重要指標。圖1-8勵磁電壓響應比定義圖中三角形abc的面積等于曲線形abd的面積（即圖示紅色豎條和藍色橫條兩塊有陰影線的面積相等），設發(fā)電機的額定勵磁電壓為UFN，則電壓響應比的定