1、電力系統(tǒng)自動化內(nèi)容,電力系統(tǒng) 調(diào)度自動化,發(fā)電廠自動化,變電站自動化,發(fā)電自動控制,無功/電壓,有功/頻率,第5章 同步發(fā)電機自動勵磁控制系統(tǒng),5.1 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；,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

2、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。,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)

3、濟性。 例如:對于遠離負荷中心的電廠，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。,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

4、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，提高了發(fā)電機電動勢，增加了發(fā)電機輸出的電磁功率，減小了轉(zhuǎn)子的不平衡功率，從而減小加速面積，有效地改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務(wù),同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng) = 勵磁功率單元+勵磁調(diào)節(jié)器,同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)示意圖,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

5、，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。,（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 .,其電勢平衡方程為,發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的向量圖如圖5.3(c)所示，由向量關(guān)系可得, 發(fā)電機功角，即Eq與UG的相位差； Iq發(fā)電機定子電流無功分量； 發(fā)電機功率因數(shù)(亦是負荷功率因數(shù))。 一般值很小，可近似認為cos =1，由式(5-2)可得,IG發(fā)電機定子電流

6、(亦是負荷電流) Xd發(fā)電機直軸電抗,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。,（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

7、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：,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,

8、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。,由以上分析可知： 結(jié)論: 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)控制作用是與接入系統(tǒng)容量的大小有關(guān)， 其接入系統(tǒng)容量越大，對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)控制作用就越??； 其接入系統(tǒng)容量越小，對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)控制作用就越大， 通常在由一臺發(fā)電機供電的小系統(tǒng)中，僅靠發(fā)電機的勵磁控

9、制系統(tǒng)對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)作用，就能滿足系統(tǒng)對電壓質(zhì)量的要求。,注意：真正無窮大系統(tǒng)是不存在的，只是發(fā)電機端電壓受勵磁電流的影響較小罷了。,由以上分析可知： 結(jié)論: 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)控制作用是與接入系統(tǒng)容量的大小有關(guān)， 其接入系統(tǒng)容量越大，對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)控制作用就越?。?其接入系統(tǒng)容量越小，對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)控制作用就越大， 通常在由一臺發(fā)電機供電的小系統(tǒng)中，僅靠發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)對發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)作用，就能滿足系統(tǒng)對電壓質(zhì)量的要求。,注意：真正無窮大系統(tǒng)是不存在的，只是發(fā)電機端電壓受勵磁電流的影響較小罷了。,2. 合理分配并聯(lián)運行發(fā)電機間的無功功率,現(xiàn)代

10、電力系統(tǒng)是由許多發(fā)電廠、變電所及線路組成的龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，無功功率電源除發(fā)電機外，還有電容器、調(diào)相機及靜止補償器等。 由于發(fā)電機是系統(tǒng)中主要的無功電源。為了保證系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和無功潮流合理分布,要求合理控制電力系統(tǒng)中并聯(lián)運行發(fā)電機輸出的無功勸率。 所謂“合理控制”包含兩層意思； (1)每臺發(fā)電機發(fā)出的無功功率數(shù)量要合理； (2)當(dāng)系統(tǒng)電壓變化時每臺發(fā)電機輸出的無功功率要隨之自動調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)量要合理。,(1) 發(fā)電機無功功率的控制原理,設(shè)單機無窮大系統(tǒng) 其接線圖如圖所示：,UG = 常數(shù),.,以同步發(fā)電機接于無窮大電力系統(tǒng)為例說明發(fā)電機無功功率的控制原理。,因系統(tǒng)為無窮大，系統(tǒng)電壓UX恒定不

11、變，發(fā)電機端電壓UG亦恒定不變，另外在調(diào)整發(fā)電機無功功率時不會引起發(fā)電機有功功率的改變，即發(fā)電機輸出的有功功率PG為一常數(shù)。 在忽略發(fā)電機定子損耗及凸極效應(yīng)時，發(fā)電機輸出的有功功率為,得出：,發(fā)電機輸出電流IG在橫軸上的分量是不變的，IG的端點在相量圖中只能沿虛線BB移動.發(fā)電機端電壓不變 當(dāng)勵磁電流由IEF1增加IEF2時，發(fā)電機的各運行參數(shù)將由下角標(biāo)為“1”的量變?yōu)橄陆菢?biāo)為“2”的量，從相量圖中可以看出，當(dāng)勵磁電流增加時，發(fā)電機輸出電流IG的無功分量IGsin是增加的，故發(fā)電機發(fā)出的無功功率 亦是增加的. 同理，當(dāng)發(fā)電機的勵磁電流IG減小時，發(fā)電機發(fā)出的無功功率就減少。 以上分析說明：當(dāng)發(fā)

12、電機接于無窮大系統(tǒng)時，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小就可以控制發(fā)電機輸出的無功功率的大小，這就是發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)控制原理。,由上可知：當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流時，發(fā)電機感應(yīng)電勢Eq在縱軸上的分量是不變的，Eq的端點在相量圖中只能沿虛線AA移動；,在實際運行中，與發(fā)電機并聯(lián)的電力系統(tǒng)并不是真正意義上的無窮大系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓UG將隨系統(tǒng)負荷的變化而變化。 發(fā)電機輸出的無功功率不僅與發(fā)電機的勵磁電流IEF有關(guān)，還與發(fā)電機的端電壓UG(即系統(tǒng)電壓UX)有關(guān)，并且也影響與之并聯(lián)運行機組輸出的無功功率。 同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)還承擔(dān)著并聯(lián)運行機組間無功功率合理分配的任務(wù)。,(2) 合理分配并聯(lián)運行發(fā)電機

13、間的無功功率。,當(dāng)多臺同步發(fā)電機接于同一母線并聯(lián)運行時，系統(tǒng)所取用的無功功率由這多臺發(fā)電機共同承擔(dān)。根據(jù)負荷變化的需要，當(dāng)系統(tǒng)所取用的無功功率發(fā)生變化時，并聯(lián)運行的各發(fā)電機輸出的無功功率是如何分配的呢？ 下面以兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行為例，分析無功功率的分配情況。,如圖5.6(a)所示，UM為母線電壓，Iq1、Iq2分別為發(fā)電機G1、G2輸出的無功電流，Iq為系統(tǒng)所取用的無功電流，二者之間的關(guān)系如下：,并聯(lián)運行的各發(fā)電機間無功電流的分配取決于各發(fā)電機的外特性，如圖5.6(b)所示。 當(dāng)母線電壓為UM1時，發(fā)電機G1所發(fā)出的無功電流為Iq1，G2所發(fā)出的無功電流為Iq2，并有Iq1Iq2。 當(dāng)電網(wǎng)的無

14、功負荷增加時，即系統(tǒng)取用的無功電流增加，則要求發(fā)電機輸出的無功電流也要相應(yīng)地增加。由于發(fā)電機G1、G2都有下傾的外特性，所以母線電壓必然相應(yīng)地下降。假設(shè)母線電壓由UM1下降到UM2，發(fā)電機G1的無功電流將增至Iq1，G2的無功電流將增至Iq2。 從圖中可看出：由于兩臺發(fā)電機的外特性不同，造成它們無功電流的變化亦不相同，即 ，改變了負荷增加前兩臺發(fā)電機無功電流分配的比例。外特性斜率相差越大，其改變程度也越大。,在實際運行中，為了合理利用發(fā)電機組的容量，希望各臺發(fā)電機應(yīng)按照其額定容量的大小成比例的分配其輸出的無功電流。 從以上分析可以看出，只要并聯(lián)發(fā)電機的 特性完全一致時（ 為發(fā)電機無功電流與其無

15、功電流額定值的比值)，才能使無功電流在并聯(lián)機組間進行合理的分配。 將并聯(lián)運行且容量不同的發(fā)電機組直接做成相同的 特性是不可能的。 在發(fā)電機自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有一個形成發(fā)電機外特性的環(huán)節(jié)-調(diào)差環(huán)節(jié)，通過它可以改變發(fā)電機的外特性，很容易地做到使并聯(lián)運行發(fā)電機組的外特性都一致，從而達到并聯(lián)機組間無功負荷合理分配的目的。,保持同步發(fā)電機穩(wěn)定運行是保證電力系統(tǒng)可靠供電的首要條件。 當(dāng)系統(tǒng)受到各種干擾或發(fā)生各種故障時，系統(tǒng)穩(wěn)定運行的平衡條件就被打破，系統(tǒng)將從一種運行狀態(tài)過渡到另一種運行狀態(tài)。 電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性就是指從一種穩(wěn)定運行狀態(tài)能否過渡到另一種穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力，它分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定兩類。 現(xiàn)

16、在，又把電力系統(tǒng)受到干擾后，涉及自動調(diào)節(jié)和控制裝置作用的長過程的運行穩(wěn)定問題稱為動態(tài)穩(wěn)定。 下面主要分析發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)對靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的影響。,3. 提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性,(1) 對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響。仍以圖5.5為例，發(fā)電機直接并聯(lián)于無窮大系統(tǒng)。當(dāng)忽略發(fā)電機定子損耗及凸極效應(yīng)時，發(fā)電機的輸出功率為,上式說明，對應(yīng)于某一固定感應(yīng)電勢值時，發(fā)電機輸出功率是功角的正弦函數(shù)，如圖5.7所示，稱為同步發(fā)電機的功角特性。當(dāng)功角 時發(fā)電機輸出功率為最大值，該值稱為發(fā)電機的極限功率。其大小為,從理論上講，只要系統(tǒng)所取用的有功功率 ，發(fā)電機的功角 ， 其運行是靜態(tài)穩(wěn)定的。否則，發(fā)電機就不

17、能穩(wěn)定運行。從以上分析可知發(fā)電機運行的功角愈小，其抗干擾能力愈強，運行的靜態(tài)穩(wěn)定性愈好。另一方面，功角愈小發(fā)電機輸出功率亦越小，發(fā)電機的容量不能得到充分利用。在實際運行時，既要考慮充分發(fā)揮發(fā)電機效力，又要考慮因系統(tǒng)干擾造成發(fā)電機運行不穩(wěn)定，通常是讓發(fā)電機運行在功角 。,圖5.7 同步發(fā)電機的功角特性,從圖5.5(b)發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行相量圖中可看出， 當(dāng)發(fā)電機發(fā)出的有功功率PG不變時，通過增加發(fā)電機的勵磁電流IEF，即增大發(fā)電機的感應(yīng)電勢Eq，可使發(fā)電機的功角減小，從而提高發(fā)電機運行的穩(wěn)定性。 從發(fā)電機的功角特性曲線上分析可得到相同的結(jié)論，如當(dāng)系統(tǒng)電壓UG不變時，提高發(fā)電機的勵磁電流IEF ，即增

18、大發(fā)電機的感應(yīng)電勢Eq ，可使發(fā)電機的功角特性曲線上移，在相同的功角下，使發(fā)電機輸出的有功功率增大，從而可保證發(fā)電機運行的穩(wěn)定性。,(2) 對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。,當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，發(fā)電機工作在a點，發(fā)電機輸出的有功功率為PG=P1(P1為系統(tǒng)取用的有功功率)。 當(dāng)系統(tǒng)中某點發(fā)生故障時，阻斷了發(fā)電機與系統(tǒng)之間的部分聯(lián)系(影響程度與故障點至發(fā)電機的電氣距離有關(guān))，系統(tǒng)取用功率由P1急劇減小，從而使發(fā)電機的輸出功率PG急劇減小，其運行點突變到曲線2的b點，發(fā)電機的輸入功率由于慣性而不會突變減小，造成發(fā)電機的輸入功率大于輸出功率，其輸入轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，發(fā)電機的運行點由b點沿

19、曲線2向c點移動，其功角不斷增大。當(dāng)故障切除后，發(fā)電機運行到曲線3上的d點。如果在故障時快速提高勵磁電流，即增加發(fā)電機的感應(yīng)電勢，使發(fā)電機故障時的功角特性曲線2的幅值增加，從而使發(fā)電機在故障時的輸出功率相對較大，降低轉(zhuǎn)子加速程度，提高發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定性。 提高同步發(fā)電機的強勵能力，即提高勵磁頂值電壓和勵磁電壓的上升速度，是提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的最經(jīng)濟、最有效的手段之一。,同步發(fā)電機暫態(tài)功角特性曲線如圖5.8所示，曲線1對應(yīng)于正常運行時的狀態(tài)；曲線2對應(yīng)于故障時的運行狀態(tài)； 曲線3對應(yīng)于故障切除后的運行狀態(tài)。,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,4. 改善電力系統(tǒng)的運行條件,

20、4. 改善電力系統(tǒng)的運行條件,當(dāng)電力系統(tǒng)由于種種原因，出現(xiàn)短時低電壓時，發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)可發(fā)揮其調(diào)節(jié)功能，即大幅度地快速增加勵磁電流以提高系統(tǒng)電壓來改善系統(tǒng)運行條件。,(1) 改善異步電動機的自起動條件。 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，故障點附近系統(tǒng)電壓大幅下降，使大多數(shù)用戶的電動機處于回饋制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速下降。故障切除后，由于電動機自啟動時要吸收大量的無功功率，以致延緩了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)過程。發(fā)電機強行勵磁的作用可以加速系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，有效地改善電動機的自啟動條件。圖5.9表示了機組有勵磁自動控制和沒有勵磁自動控制時，短路切除后電壓恢復(fù)的不同情況。,(2) 為發(fā)電機異步運行創(chuàng)造條件。 當(dāng)發(fā)電機

21、的勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障時，有可能使同步發(fā)電機失去勵磁，這時發(fā)電機將從系統(tǒng)中吸收大量無功功率，造成系統(tǒng)電壓大幅下降，嚴重時會危及系統(tǒng)的安全運行。 此時，如果系統(tǒng)中其他發(fā)電機組能提供足夠的無功功率來維持系統(tǒng)電壓水平，則失磁的發(fā)電機還可以在一定時間內(nèi)以異步方式維持運行。這不但可以確保系統(tǒng)安全運行，而且有利于機組熱力設(shè)備的運行。 (3) 提高繼電保護裝置工作的正確性。 當(dāng)系統(tǒng)處于低負荷運行狀態(tài)時，系統(tǒng)中的某些發(fā)電機的勵磁電流不大，若系統(tǒng)此時發(fā)生短路故障，其短路電流較小，且隨時間衰減，有可能導(dǎo)致帶時限的繼電保護不動。勵磁自動控制系統(tǒng)就可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流以提高系統(tǒng)電壓，增大短路電流，使繼電保護裝置可靠動作。,5. 防止水輪發(fā)電機過電壓,水輪發(fā)電機在因系統(tǒng)故障被切除或突然甩負荷時，一方面由于水輪發(fā)電機組的機械轉(zhuǎn)動慣量很大，另一方面為了引水管道的安全，不能迅速關(guān)閉水輪機的導(dǎo)水葉，致使發(fā)電機的轉(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)電機感應(yīng)電勢有可能升高到危及定子繞組絕緣的程度。因此要求勵磁自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)強行減磁功能 .,三、對同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計的基本要求,1. 對勵磁調(diào)節(jié)