電力系統自動裝置 第3章 同步發電機自動勵磁調節系統

第3章

同步發電機自動勵磁調節系統電力系統自動裝置內容概述概述勵磁系統的換流電路自動勵磁調節裝置分類及原理概述半導體自動勵磁調節裝置工作原理勵磁調節器靜特性調整數字式勵磁調節裝置原理并聯運行機組間無功功率的分配勵磁調節系統動態特性概述自動勵磁調節系統對電力系統穩定性的影響同步發電機的滅磁3.1概述同步發電機的勵磁系統就是指為發電機提供可調節勵磁電流裝置的全部組合。其中包括產生可調節勵磁電流的勵磁功率單元(如勵磁機,以下或稱功率單元)與控制勵磁功率單元的勵磁調節器兩個主要組成部分圖3.1

勵磁控制系統框圖3.1.1電力系統中自動調節勵磁系統的任務圖3.2同步發電機運行原理示意圖（１）系統正常運行條件下維持發電機端或系統某點電壓在給定水平

圖3.2(c)給出對應的相量圖。由圖可得

(2)實現并聯運行發電機組的無功功率的合理分配圖3.3

同步發電機接于無限大母線時向量圖(3)提高同步發電機并聯運行的穩定性圖3.4

單機與系統連接網絡對提高靜態穩定能力的作用

圖3.5自動調節勵磁裝置改善發電機靜態穩定說明圖勵磁對提高暫態穩定的作用圖3.6發電機的面積定則（４）勵磁系統能改善電力系統運行條件提高繼電保護動作的靈敏度改善電動機自啟動條件允許發電機失磁異步運行（５）對于水輪發電機應要求能強行減磁由于水輪發電機的調速裝置慣性大，所以，當發電機因故甩負荷時將超速，而超速則可能產生危險的過電壓，勵磁裝置此時應進行強行減磁，以免產生危險過電壓。汽輪發電機的調速器均較靈敏，故汽輪發電機不易超速，對勵磁系統可不作此要求。以上諸作用表明，同步發電機均應裝設自動調節勵磁裝置。3.1.2對自動調節勵磁系統的要求1.勵磁系統應能保證發電機在各種運行工況下要求的勵磁容量，并適當留有裕度2.應有高的強勵頂值電壓與勵磁電壓上升速度圖3.7

勵磁電壓上升速度的定義示意圖3)應有足夠的強勵持續時間4)應有足夠的電壓調節精度與電壓調節范圍5)勵磁系統應在工作范圍內無失靈區6)勵磁系統應有快速滅磁性能7)勵磁系統本身應簡單可靠,調節過程穩定

3.1.3勵磁系統的類型（１）直流勵磁機系統

圖3.8

自勵直流勵磁機系統原理圖

圖3.9

他勵式直流勵磁機系統原理圖(2)交流勵磁機系統

圖3.10交流勵磁機系統原理圖帶靜止整流器的勵磁系統圖3.11

無刷勵磁系統原理圖帶旋轉整流器的無刷勵磁系統(3)自勵式半導體勵磁系統

圖3.12

自并勵勵磁系統自并勵勵磁系統自復勵勵磁系統

①交流側串聯型自復勵方式圖3.13交流側串聯自復勵式系統

②直流側并聯型自復勵方式③直流側串聯型自復勵方式3.2勵磁系統的換流電路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①交流電壓是三相對稱的正弦波電壓,且整流變壓器容量足夠大,即不受直流側工作的影響②整流變壓器的漏抗為零,因此,整流橋的換相過程被認為是瞬間完成,即重疊角為零③直流回路負載是轉子繞組,故電感足夠大,因而認為整流電流Id完全平滑。在控制角α不改變,負載R不變時,電流Id恒定不變④各相控制角α一致,即對應A,B,C三相,觸發電路控制脈沖的相角依次為α,α-120°,α-240°(2)α=0時的整流過程

(3)α>0時的整流過程

3.2.2三相全控橋式整流電路（１）整流工作過程圖3.16三相全控橋式整流電路及波形圖（２）逆變過程分析1)理想逆變過程Uβ=-1.35Ulcosα=1.35Ulcosβ(3.13)2)逆變工作分析3.3自動勵磁調節裝置分類及原理概述3.3.1自動勵磁調節裝置分類(1)按物理結構分類(2)按調節原理分類3.3.2自動勵磁調節器工作概述（１）復式勵磁裝置（２）基于閉環反饋的自動勵磁調節器3.3.2自動勵磁調節器工作概述(1)復式勵磁裝置圖3.18

復式勵磁裝置原理性接線示意圖(2)基于閉環反饋的自動勵磁調節器圖3.19

自動調節勵磁系統框圖３.４半導體自動勵磁調節裝置工作原理3.4.1半導體自動勵磁調節裝置的基本結構圖3.21半導體勵磁調節系統結構圖3.4.2各環節工作原理（１）測量比較環節

a.作用及對環節的要求

b.環節的組成①正序電壓濾過器②多相整流③濾波電路④檢測電路圖3.22

測量比較環節框圖圖3.23正序電壓濾過器原理接線圖圖3.24正序電壓濾過器相量關系圖3.25

六相橋式整流電路圖3.26

濾波電路圖3.27檢測電路接線及特性（２）綜合放大環節1)任務及對環節的要求2)工作原理圖3.28

運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ΔＵ的關系特性（此時設其他信號均為零）。改變Ｒｆ與Ｒ１的比值，可以改變特性斜率；當ΔＵ大于一定值后，輸出不再變，呈飽和狀態，這是根據移相電路的要求而設定的。（３）移相觸發環節圖3.31三相移相觸發電路工作示意圖圖3.32移相觸發電路原理圖移相觸發電路工作原理①同步信號環節②移相觸發電路③脈沖輸出電路圖3.33

移相觸發電路原理圖圖3.34控制信號移相原理說明移相觸發環節的移相特性圖3.35

移相特性3.4.3自動調節勵磁裝置工作特性

圖3.36

ZTL簡化框圖(1)ZTL系統的靜態工作特性

圖3.37測量與放大環節合成工作特性圖3.38勵磁調節器靜態工作特性ΔIf=K4Δα(D)ΔIf=K1K2K3K4ΔUG=KΔUG(3.18)

ΔUk=K2ΔU(B)ΔU=K1(UG-Us)=K1ΔUG(A)Δα=K3ΔUk(C)（２）具有ＺＴＬ裝置的發電機外特性:對于勵磁調節而言，發電機的外特性在此是指發電機的無功電流Ｉｒ與端電壓ＵＧ的關系：ＵＧ＝ｆ（Ｉｒ），這也常稱為電壓調差特性。該關系不僅與ＺＴＬ的特性有關，且與勵磁機、發電機的工作特性有關。這即是本節圖3.38所示的勵磁控制系統的靜態工作特性。圖3.39

發電機外特性的形圖3.40

調差系數定義說明3.4.4勵磁控制系統中的輔助控制勵磁調節器主要由測量比較、綜合放大、移相觸發３個基本單元組成。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輔助控制信號。它們的作用均體現在改變綜合放大輸出Ｕｋ的大小上，以達到最后改變移相觸發輸出Ｕα

的相位，從而達到應有的改變勵磁的目的。3.5勵磁調節器靜特性調整3.5.1調差系數的調整（１）調差特性圖３.４１發電機不同的調差特性圖3.42

正調差系數的形成(2)調差環節工作原理調差環節的輸出電壓為U'G=UG+Rir(3.21)ΔU=K1(U'G-Us)=K1(UG+RIr-Us)調節穩態時,有ΔU=0UG+RIr-Us=0即UG=Us-Rir(3.22)圖3.43

調差環節原理接線圖圖3.44

調差環節矢量圖圖3.45

接入正調差環節前圖3.46外特性平移調整無功電流

3.5.2調差特性的平移圖3.47

ZTL特性與調節特性平移的關系

3.6數字式勵磁調節裝置原理3.6.1數字式勵磁調節裝置的硬件構成（１）工業控制微型計算機（２）測量單元（３）同步和數字觸發（移相觸發）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）經非門后的方波電壓（ｅ）Ｇａｔｅ輸出脈沖3.6.2軟件組成及其應用程序原理（１）電壓調節量計算（調節與控制的算法）調差計算ＰＩＤ控制算法（２）輔助控制功能瞬時電流限制最大勵磁（強勵）限制最小勵磁（欠勵磁）限制電壓／頻率（Ｕ／ｆ）限制發電機失磁監控（３）主程序流程初始化開機條件判別及空載設置

開中斷故障檢測及檢測設置終端顯示與人機接口命令

（４）調節限制程序

３.７并聯運行機組間無功功率的分配圖3.56一臺無差與一臺有差特性機組并聯運行3.7.1一臺無差特性與一臺有差特性機組并聯運行3.7.2兩臺無差特性的機組并聯運行圖3.57兩臺無差特性機組并聯運行這是一種不能并聯運行的方式。兩臺機組均為無差特性時，可能有兩種情況：①兩條特性不重合，如圖3.57所示。兩臺機組各有其電壓整定值為Ｕ１和Ｕ２。因為Ｕ１≠Ｕ２，兩機組不能并聯運行②兩條特性重合，此時兩機組無明確交點，無功分配是任意的，不合理圖3.58兩臺正調差特性機組并聯運行3.7.3兩臺正調差特性的機組并聯運行

3.7.4發電機經升壓變壓器并聯運行圖3.59兩臺機組各自經升壓變壓器后并聯運行圖3.60

勵磁控制系統結構框圖3.8勵磁調節系統動態特性概述3.8.1對勵磁系統動態指標的要求

1)上升時間tr上升時間指響應曲線自10%穩定響應值上升到90%響應值時所需的時間。有時也取為穩態響應值從零上升到100%時對應的時間

3)調節時間ts從輸入階躍信號響應值與穩態值之差ε(見圖3.61)調節到不再超過穩態值的2%(有時給定為5%)所需的最小時間,稱為調節時間3.8.2勵磁控制系統的傳遞函數(1)同步發電機的傳遞函數

(2)勵磁功率單元的傳遞函數直流勵磁機圖3.62

他勵式勵磁機簡化原理圖

式中

λE—勵磁機勵磁回路磁鏈;λE=NΦE;N—繞組匝數;ΦE—與N交鏈的磁通;RE—勵磁機勵磁回路電阻;iE—UE作用下輸入回路的電流圖3.63

勵磁機的飽和特性曲線

計入飽和后,有iE=G(1+SE)uf(3.40)設氣隙中磁通為Φa,在恒定轉速下uf=kΦa(3.41)式中

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

式中

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

圖3.64

他勵式勵磁機結構框圖圖3.65

交流勵磁機等效電路原理圖圖3.66

交流勵磁機飽和特性曲線交流勵磁機本體傳遞函數為

圖3.67

交流勵磁機結構框圖可控整流器圖3.68

單相全波可控整流輸出與α角的關系

(3)勵磁調節器的傳遞函數

圖3.69

綜合放大單元框圖(4)勵磁控制系統的傳遞函數

圖3.70

勵磁控制系統的傳遞函數框圖

3.8.3勵磁控制系統的穩定性（１）用勞斯判據討論穩定性（２）用Ｂｏｄｅ圖討論穩定性３．９自動勵磁調節系統對電力系統穩定性的影響

圖3.73

經外阻抗接于無限大母線的同步發電機的傳遞函數(3)同步發電機的固有特性

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

圖3.74

不計ZTL時同步發電機的傳遞函數框圖3.9.3自動勵磁調節系統對電力系統穩定性的影響

(2)電力系統的低頻振蕩及電力系統穩定器(PowerSystemStabilizer,PSS)的概念

在遠距離輸電線路重負荷時,采用通常的按電壓偏差進行比例調節的ZTL,由于勵磁控制系統存在慣性,這種調節方式提供的勵磁電流具有時滯,其滯后相位使本應衰減的振蕩角度反而加大,即出