1、第三章 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng),總 述,第一節(jié) 概述,勵磁自動控制系統(tǒng)構成,控制同步發(fā)電機的勵磁,一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務,一 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,（一）電壓控制,等值電路,相量圖,GEW,xd,G,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,電壓控制,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。,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,（二）控制無功功率的分配 設單機無窮大系統(tǒng)：,UG = 常數(shù),.,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,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。,電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，經(jīng)受微小擾動后恢復到原來運

2、行狀態(tài)的能力。,電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某一正常運行方式下突然遭受大擾動后，能否過渡 到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)、或者恢復到原來運行狀態(tài)的能力。,電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，計及自動調(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。,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性,1 勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響,發(fā)電機的輸出功率為,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性,a,b,c,同步發(fā)電機的功角特性,最大可能傳輸?shù)墓β蕵O限為,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,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。,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務

3、,提高并聯(lián)運行的穩(wěn)定性,2 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,要使勵磁系統(tǒng)在短暫過程中完成符合要求的控制必須要求勵磁系統(tǒng)具備快速響應的條件。為此，一方面縮小勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)，另一方面盡可能提高強行勵磁的倍數(shù)。,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,（四）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起動條件 2為發(fā)電機異步運行創(chuàng)造條件 3提高繼電保護裝置工作的正確性,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務,二、對勵磁系統(tǒng)的基本要求,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,快速反應能力,高度的可靠性 快速性,結構簡單，易于維護,足夠的阻尼能力,三 對勵磁系統(tǒng)的基本要求,勵磁調(diào)節(jié)器: 檢測和綜合系

4、統(tǒng)運行狀態(tài)的信息, 以產(chǎn)生相應的控制信號, 經(jīng)放大后控制勵磁功率單元以得到所要求的發(fā)電機勵磁電流。 其基本要求 勵磁功率單元: 受勵磁調(diào)節(jié)器控制，并向同步發(fā)電機轉子提供勵磁電流。 其基本要求,系統(tǒng)正常運行時,勵磁調(diào)節(jié)器應能反映發(fā)電機電壓高低以維持發(fā)電機電壓在給定水平；靜差率 勵磁調(diào)節(jié)器應能合理分配機組的無功功率； 對遠距離輸電的發(fā)電機組，為了能在人工穩(wěn)定區(qū)域運行，要求勵磁調(diào)節(jié)器沒有失靈區(qū)； 勵磁調(diào)節(jié)器應能迅速反應系統(tǒng)故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運行條件； 具有較小的時間常數(shù)，能迅速響應輸入信息的變化。,1 對勵磁調(diào)節(jié)器的要求,2 對勵磁功率單元的要求,要求勵磁功率單元有

5、足夠的可靠性并具有一定的調(diào)節(jié)容量。在電力系統(tǒng)運行中，發(fā)電機依靠勵磁電流的變化進行系統(tǒng)電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁功率單元應具備足夠的調(diào)節(jié)容量以適應電力系統(tǒng)中各種運行工況的要求。 具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。從改善電力系統(tǒng)運行 條件和提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性來說，希望勵磁功率單元具有較大的強勵能力和快速的響應能力。因此，在勵磁系統(tǒng)中勵磁頂值電壓和電壓上升速度是兩項重要的技術指標。,第二節(jié) 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)類型,勵 磁 系 統(tǒng),第二節(jié) 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng),勵磁系統(tǒng)的歷史,幾種常用的勵磁系統(tǒng)簡要介紹（重點分析勵磁功率單元）,一 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)（100MW以下）,按勵磁機的勵磁繞

6、組供電方式的不同,自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng) 他勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng),1 自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng),DE,R,2 他勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng),PE,DE,二、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)（100MW以上）,交流勵磁機勵磁系統(tǒng)根據(jù)勵磁機電源整流方式及整流器狀態(tài)的不同可分為以下幾種。,他勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng) 自勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng),他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng) 他勵交流勵磁機旋轉整流器勵磁系統(tǒng)(無刷勵磁),自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統(tǒng) 自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng),1 他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng),起勵電源,VSR,2 他勵交流勵磁機旋轉整流器勵磁系統(tǒng)(無刷勵磁),1 自勵交流勵磁機靜止可控整流器

7、勵磁系統(tǒng),2 自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng),三 靜止勵磁系統(tǒng) (發(fā)電機自并勵系統(tǒng)),勵磁調(diào)節(jié)器,滑環(huán),電壓起勵元件,VS,起勵電源,勵磁系統(tǒng)的整流電路,整 流 電 路,第三節(jié) 勵磁系統(tǒng)中的整流電路,三相橋式不可控整流電路 三相橋式半控整流電路 三相橋式全控整流電路,一 三個基本整流電路,二 整流電路的換流壓降及外特性 三 最小逆變角,三相橋式不可控整流電路,1 工作原理,共陰極連接的二極管，在t=30-150之間是V1 導通，V3、V5 承受反壓而關斷；在t=150-270之間是V3導通；在t=270-390 之間是V5 導通。 共陽極連接的二極管，在t=90-210之間是V2 導通，V4

8、、V6 承受反壓而關斷；在t=210-330之間是V4 導通；在t=330-450 之間是V6 導通。,2 輸出電壓,三相橋式半控整流電路,1 工作原理,脈沖控制角=0,1,3,5,脈沖控制角=30,脈沖控制角=60,ug,uL,t,t,脈沖控制角=120,脈沖控制角=180,ug,uL,t,t,2 輸出電壓與控制角關系,3 失控現(xiàn)象和續(xù)流二極管的作用,t3 t4 t5,三相橋式全控整流電路,在晶閘管需導通的區(qū)域僅用初始的一個窄脈沖去觸發(fā)的方式稱“單窄脈沖觸發(fā)” 每個元件除了在各自的換流點處有一個脈沖之外，還在60度電角度之后的下一個導通元件的導通時刻補了一個脈沖。所補的脈沖在電流連續(xù)的穩(wěn)態(tài)工

9、作時并不起任何作用，但它卻是電路啟動及在電流斷續(xù)時使電路正常工作所不可缺少的，這種觸發(fā)方式稱之為“雙窄脈沖觸發(fā)”。 若把上面的雙窄脈沖連成一個寬脈沖，電路當然也可正常工作，這種觸發(fā)方式稱之為“寬脈沖觸發(fā)” ,三相橋式全控整流電路觸發(fā)脈沖的形式,脈沖控制角=0 ,工作原理,脈沖控制角=60 ,2,脈沖控制角=90 ,脈沖控制角=60 150 ,e,ug,t,t,t,ug,t,uL,t1 t2,VS6,VS1,VS3,VS2,VS4,3 輸出電壓與控制角關系,電感性負載,逆變角 =180 - ,在90時，輸出平均電壓Ud為負，三相全控橋工作在逆變狀態(tài)。,電阻性負載 電阻性負載,e,id,ug,t,

10、t,t,ug,t,t1,二 整流電路的換流壓降及外特性,換流角,以上討論中均假設換流角60，當交流回路中電抗較大，并且直流負載電流較大時， 換流角也會增大。當 60時，整流回路中換流過程將發(fā)生變化，此時不能用上式 來計算整流電路輸出的直流電壓。,ug,t,VS2,VS6,VS4,三 最小逆變角,晶閘管關斷角,第四節(jié) 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,一 勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖,比例式勵

11、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。,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,勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖,勵磁調(diào)節(jié)器的簡化框圖,勵磁調(diào)節(jié)器的特性曲線在工作區(qū)內(nèi)的陡度，是調(diào)節(jié)器性能的主要指標之一，即,測量K1,綜合放大K2,移相觸發(fā)K3,可控整流K4,UG,UREF,Ude,USM,UAVR,K調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù),勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性與框圖,勵磁調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作特性,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系為,勵磁調(diào)節(jié)器總的放大倍數(shù)等于

12、 各組成單元放大倍數(shù)的乘積,0,0,0,0,Ude,UAVR,UAVR,Ude,UG,UG,USM,USM,UREF,b,a,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,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,UG,UG1,UG2,0,IQ,IQN,UG,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: 能平穩(wěn)地改變無功負荷，不致發(fā)生無功功率的沖擊； 保證并聯(lián)運行的發(fā)電機組

13、間無功功率的合理分配。,UG,IQ,= 0, 0, 0,UG0,勵磁調(diào)節(jié)器的基本特性,發(fā)電機無功電流的轉移,3-2-1 IQ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,UG,IQ,UM,1,2,3,IQ2,IQ1,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,UG,IQ, = 0, 0, 0,U,U,U,IQ2,UG,IQ,U,U,并聯(lián)運行機組間的無功功率分配,有差調(diào)節(jié)特性,UG,UG,UG,0,IQ,IQ,UG0,UGN,IQ,IQ,IQ,IQN,移動發(fā)電機調(diào)節(jié)特性的操作是通過改變勵磁調(diào)節(jié)器的整定值來實

14、現(xiàn)的。,并聯(lián)運行機組間無功功率的分配,一 一臺無差調(diào)節(jié)特性的機組與正有差調(diào)節(jié)特性機組的并聯(lián)運行,一臺無差調(diào)節(jié)特性的發(fā)電機可以和多臺正調(diào)差特性的發(fā)電機組并聯(lián)運行。但在實際運行中，由于具有無差調(diào)節(jié)特性的發(fā)電機將承擔無功功率的全部增量，機組間無功功率的分配很不合理，這種運行方式很少采用。,不能穩(wěn)定運行,二 一臺無差調(diào)節(jié)特性的機組與負有差調(diào)節(jié)特性機組的并聯(lián)運行,具有負調(diào)差特性的發(fā)電機是不能在公共母線上并聯(lián)運行的,三 兩臺無差調(diào)節(jié)特性的機組并聯(lián)運行,不能并聯(lián)運行,四 正調(diào)差特性的發(fā)電機組的并列運行,一、勵磁調(diào)節(jié)器的原理及發(fā)展 （一）電壓調(diào)節(jié)的原理 按調(diào)節(jié)原理可分為反饋型和補償型。 用負載電流補償勵磁的方

15、法稱為復式勵磁。 發(fā)電機的電壓卻不僅與負載電流有關，而且還受負載功率因數(shù)的影響。因此，勵磁補償需同時計及負載電流和功率因數(shù)這兩個因素才為合理。這種既反映電流大小反映電流相位的復式勵磁為相位復式勵磁。,第五節(jié) 勵磁調(diào)節(jié)裝置原理,按定子電流補償復勵裝置原理,可控相位復勵裝置原理,可控相位復勵裝置原理,（二）勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展及分類,20世紀初,1950s,1960s,1980s,機電型電壓調(diào)節(jié)器,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),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,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,二、數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器原理,（一）數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器原理框圖,二、數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器原理,（二）控制的數(shù)學模型 1.PID模型:,離散化為,二、數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器原理,控制的數(shù)學模型 增量式PID調(diào)節(jié) 增量式PID調(diào)節(jié)的優(yōu)點是，因為數(shù)字調(diào)節(jié)器只輸出增量，所以計算誤差或精度對控制量影響較小，控制的作用不會發(fā)生