电力系统自动装置第三章.ppt

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第三章同步发电机励磁自动控制系统,武汉大学丁坚勇,总述,一、发电机励磁系统的任务,发电机励磁系统的任务,

（一）电压控制,等值电路,相量图,GEW,xd,G,发电机励磁系统的任务,电压控制,同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持机端电压为给定水平的。

发电机励磁系统的任务,

（二）控制无功功率的分配设单机无穷大系统：

UG=常数,.,发电机励磁系统的任务,控制无功功率的分配由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。

发电机励磁系统的任务,（三）提高并联运行的稳定性,1.励磁对静态稳定的影响,发电机的输出功率为,发电机励磁系统的任务,提高并联运行的稳定性,a,b,c,同步发电机的功角特性,最大可能传输的功率极限为,发电机励磁系统的任务,提高并联运行的稳定性,它使发电机能在大于90度范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。

不调励磁，为常数内功率特性A；灵敏调节励磁，使UG为常数外功率特性B；调节励磁，使E”为常数外功率特性C.,发电机励磁系统的任务,提高并联运行的稳定性,2.励磁对暂态稳定的影响,发电机的暂态稳定等面积法则,发电机励磁系统的任务,（四）强行励磁以改善电力系统运行条件,发电机励磁系统的任务,二、对励磁系统的要求,维持电压水平和无功的合理分配,控制能力和调节范围,快速反应能力,高度的可靠性快速性,结构简单，易于维护,足够的阻尼能力,自动调节励磁系统的基本构成,第二节、同步发电机励磁系统类型,励磁系统,一直流励磁机系统,1.自励直流励磁机,2.他励直流励磁机,二、交流励磁机系统,三、静止励磁系统,三种励磁电源方式的特点总结,第三节、励磁系统的整流电路,整流电路,一、三相桥式不可控整流电路,输出电压平均值UAV=1.35UP-P=2.34UP,二、三相全控桥式整流电路,电路带阻感负载a=30时的波形,UAV=1.35Up-pcos=2.34UPcos三相全控桥式整流电路在090时，处于整流工作状态，改变角，可以调节发电机励磁电流;在90180时，电路处于逆变工作状态，可以实现对发电机的自动灭磁。

二、三相全控桥式整流电路,2023/5/14,

（2）、灭弧栅灭磁灭弧栅是低压断路器中广泛采用的灭弧元件，空气中电弧在热气流作用下（或电磁力作用下）将电弧拉入灭弧栅内，将长电弧分成多段短电弧，利用近阴极效应原理灭弧，灭弧栅片吸收整个灭磁能量。

灭磁过程中励磁绕组两端的电压基本不变，整个灭磁过程接近理想灭磁过程,2023/5/14,（3）利用非线性电阻灭磁常用于灭磁的非线性电阻有碳化硅压敏电阻和氧化锌压敏电阻等。

当压敏电阻YM两端电压较低时（额定励磁电压附近），呈高阻态，只有很小的电流（微安级）从中流过，但当它两端的电压高于某一数值时（例如45倍额定励磁电压），它的电阻急剧降低，允许有很大的电流从中流过。

当励磁开关D断开时，励磁电压迅速增加导致YM电阻急剧降低，励磁电流向YM释放能量迅速衰减，从而抑制电压蹿升。

2023/5/14,2023/5/14,工程上常采用几种灭磁方式配合使用。

如300MW汽轮发电机励磁系统中，交流励磁机灭磁方式一般采用逆变和恒值电阻放电这两种灭磁方式加以配合；同步发电机灭磁则采用灭弧栅灭磁和非线性电阻灭磁这两种灭磁方式加以配合使用。

灭磁方式的配合使用，可以产生互补效果，使灭磁更迅速更可靠,第四节、励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配,一、励磁控制系统框图,同步发电机,励磁功率单元,励磁调节器,手动,自动,励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。

励磁系统,其他信号,励磁调节器的基本特性与框图,比例式励磁调节器,励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。

常用的励磁调节器是比例式调节器，它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。

电压升高时输出减小，电压降低时输出增大。

励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器基本框图,励磁调节器的基本框图,励磁调节器的基本特性与框图,励磁调节器的简化框图,励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即,测量K1,综合放大K2,移相触发K3,可控整流K4,UG,UREF,Ude,USM,UAVR,K调节器的放大倍数,励磁调节器的基本特性与框图,二、励磁调节器的静态工作特性,调节器放大系数K与组成调节器的各单元增益的关系为,励磁调节器总的放大倍数等于各组成单元放大倍数的乘积,0,0,0,0,Ude,UAVR,UAVR,Ude,UG,UG,USM,USM,UREF,b,a,励磁调节器的基本特性,发电机励磁控制系统静态特性,发电机调节特性,励磁调节器的基本特性,励磁控制系统静态特性,无功调节特性,在公共母线上并联运行的发电机组间无功功率的分配，主要取决于各台发电机的无功调节特性。

而无功调节特性是用调差系数来表征的:

调差系数越小说明IQ对UG影响越小,UG,UG1,UG2,0,IQ,IQN,UG,励磁调节器的基本特性,励磁控制系统静态特性,调差系数的意义:

能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击；保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。

UG,IQ,=0,0,0,UG0,励磁调节器的基本特性,发电机无功电流的转移,3-2-1IQ投入运行到合适点,无冲击1-2-3退出运行,IQ减小到零,无冲击,UG,IQ,UM,1,2,3,IQ2,IQ1,三、并联运行机组间的无功功率分配,

（一）无差调节特性1无差+有差,有困难,无法稳定,不能并联运行,2无差+无差,UG,IQ,=0,0,0,U,U,U,IQ2,UG,IQ,U,U,并联运行机组间的无功功率分配,

（二）有差调节特性,UG,UG,UG,0,IQ,IQ,UG0,UGN,IQ,IQ,IQ,IQN,并联运行机组间的无功功率分配,改变调差系数Why？

合理分配机组之间无功How？

调差单元分析例3-1见书中74页例3-2见书中74页发电机组群等值调差系数,第五节励磁调节装置原理我国励磁调节器的发展及分类,20世纪初,1950s,1960s,1980s,电子型励磁调节器（P77）两部分构成：

基本控制、辅助控制；,第五节励磁调节装置原理,基本控制：

1测量比较单元2综合放大单元电子励磁调节器中，综合放大单元采用运算放大器构成。

除测量比较单元过来的电压偏差信号外，还对其它辅助输入控制信号进行综合。

3移相触发单元,第五节励磁调节装置原理,辅助控制：

1.瞬时电流限制2.最大励磁电流限制3.最小励磁电流限制4.电压频率保护5.失磁监控6.励磁系统稳定器7.电力系统稳定器（PSS）,第五节励磁调节装置原理,数字式励磁调节器的优点由专用微型计算机励磁控制的系统方便地实现复杂的控制策略便于修改、升级，灵活性强可以实现更加完备的限制和保护功能操作简单、维护方便以及便于自检、试验和调试便于实现联网、远程监控,第五节励磁调节装置原理,励磁调节装置原理,图为600MW发电机自并励励磁系统,励磁调节装置原理,图为300MW三机励磁系统励磁调节器,励磁调节装置原理,基本控制电压调节无功分配,辅助控制瞬时电流限制最大励磁电流限制最小励磁电流限制电压频率保护失磁监控励磁系统稳定器PSS等等,励磁调节装置原理,数字式励磁调节器原理框图,*自动调节励磁装置,1硬件构成变送器；同步电压检测电路；输入、输出通道电路；主机,*自动调节励磁装置,2软件功能可选择多种运行方式。

可选择PID（比例积分微分）调节、PSS附加控制、线性最优控制、自校正调节、非线性控制等调节控制规律。

软件无功调差功能，调差系数的正负及大小可任选。

运行参数可选择显示并在线修改。

软件实现数字给定及平稳调整。

*自动调节励磁装置,2软件功能多种励磁限制。

电压互感器断线检测及保护。

手动/自动运行方式的相互跟踪。

独立的后备通道，自动跟踪工作通道，切换无波动。

励磁系统（包括调节器）出现失磁、失控故障或软件连续几次出轨而自复归无效时，自动切换到备用通道工作。

软件具有自诊断、自恢复功能。

励磁调节装置原理,控制的数学模型（P87）PID模型:

离散化为,位置式PID,励磁调节装置原理,控制的数学模型增量式PID调节增量式PID调节的优点是，因为数字调节器只输出增量，所以计算误差或精度对控制量影响较小，控制的作用不会发生大幅度变化。

且增量算式只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。

励磁调节装置原理,基本调节方式算法（考虑调差）:

励磁调节器辅助控制P89瞬时电流限制最大励磁限制器最小励磁限制器电压频率（V/Hz）限制和保护发电机失磁监控,*自动调节励磁装置,

（1）最小励磁限制（MEL）若发电机励磁电流过小，最小励磁限制器就会使励磁电流增大到允许范围内。

（2）最大励磁限制（MXL）为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。

概念，原因，危害，限制,*自动调节励磁装置,（3）瞬时电流限制（ICL）检测励磁电流，一旦超出发电机允许的强励顶值，限制器动作使强励顶值电流限制在允许范围内。

（4）电压/频率限制（HXL）限制发电机端电压与频率的比值，防止发电机及主变压器由于电压升高或频率降低导致铁芯饱和而引起过热。

励磁调节装置原理,

（1）瞬时电流限制（瞬时）和最大励磁限制（反时限）P89,唯有采用高励磁顶值的方法强励。

但受到发动机转子绕组发热的限制。

规程：

U下降到80%85%时，励磁电流必须强励到顶值1.62。

但时间不能长，（P90表3-1）,励磁调节装置原理,

（2）最小励磁限制P91,功率园方程如下：

励磁调节装置原理,功率圆,M为静态稳定功率极限,考虑实际运行因素，最小励磁限制应在N之内,当发电机运行在Q0的部分时，发电机为进相运行状态,励磁调节装置原理,（3）电压/频率限制93（4）发电机失磁监控94,发电机变压器铁芯磁通：

为避免铁芯过饱和励磁电流会加大，必须限制U/f.,概念，原因，危害，限制,励磁调节装置原理,励磁调节器的运行,*变电站电压、无功综合自动控制装置,

（一）概述1电力系统电压和无功功率自动控制的任务

（1）维持监视点电压为设定值；

（2）无功潮流就地平衡，避免长距离输送无功引起过多的压降和线损；（3）无功热备用在系统各地区均匀分布，防止局部故障而造成电压崩溃。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,2电力系统的调压措施,电力系统的有功电源只有发电机。

而无功电源除了同步发电机以外还有同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器（SVC）等。

随着电力电子技术的发展，静止无功发生器（STATCOM）、统一潮流控制器（UPFC）等新型无功调节电源也应运而生。

电力系统中发电厂（发电机组）的地理布置受到一次能源的分布及环境制约，而其它无功电源有条件而且应当合理的分散布局，尽量接近负荷，从而使电力系统中无功功率尽可能就地平衡，这对于维持系统电压水平、提高系统输电能力、减少电网损耗都十分有利。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,2电力系统的调压措施,一、系统中无功电源电力系统常见的无功功率电源有以下几种

（1）同步发电机

（2）同步调相机（3）并联电容器（4）静止无功补偿器SVC（5）静止无功发生器STATCOM（6）高压输电线路的充电功率,*变电站电压、无功综合自动控制装置,

（1）同步发电机

（2）同步调相机调相机过激（滞相）运行时，调相机发出感性无功功率，励磁电流越大发出感性无功功率越多；减小励磁电流，使调相机欠激（进相）运行时，它从电力系统中吸收感性无功功率。

调相机欠激时输出功率容量约为过激时输出容量的1/2。

（3）并联电容器配电网的主要无功电源，配置原则“分级补偿，就地平衡”。

可根据需要按三角形或星形接法独立分成多组，容量可大可小，安装方便，运行灵活。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,（4）静止无功补偿器SVCSVC是一种调节性能良好、应用方便可靠的无功功率补偿装置。

常见的有晶闸管控制电抗器（TCR）型、晶闸管开关电容（TSC）型、自饱和电抗器（SR）型三种。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,*变电站电压、无功综合自动控制装置,（5）静止无功发生器STATCOM（6）高压输电线路的充电功率远距离高压输电线路，特别是分裂导线，其充电功率相当大，是电力系统所固有的无功功率电源。

电缆线路的充电功率也比相同长度架空线路的大得多。

（在输电线路上串联接入电容器，可以减小线路电抗，从而提高输电线路的电压。

）,*变电站电压、无功综合自动控制装置,调整变压器变比调压通常电力变压器都有可以控制调整的分接抽头，调整分接抽头的位置可以改变变压器的变比。

双绕组变压器的分接抽头设在高压绕组，三绕组变压器的分接抽头则设在中压和高压绕组。

在高压电网中，各个节点的电压与无功功率的分布有着密切的关系，通过控制变压器变比来改变节点电压，本质上是改变无功功率的分布。

由于变压器本身并不是无功功率电源，因此，从整个电力系统来看，控制变压器变比调压是以全电力系统无功功率电源充足为基本条件的，否则，仅仅依靠改变变压器变比达不到控制电压效果。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,2电力系统的调压措施,

（1）控制和调节发电机的励磁电流，以改变发电机的端电压UG，即利用自动调节励磁装置维持发电机端电压；,*变电站电压、无功综合自动控制装置,

（2）控制变压器变比K1和K2调压，即利用有载调压变压器改变其分接头位置调压；（3）改变输送功率的分布P+jQ（主要是Q），以使电压损耗减小，即尽量减少无功功率在线路上的长距离传输，在变电站采用无功功率补偿设备进行调压；（4）改变电力系统网络中的参数R+jX（主要是X），即在输电线路上串联接入电容器，补偿输电线路的感抗，以减小输电线路电压损耗,*变电站电压、无功综合自动控制装置,

（二）电力系统电压无功综合控制方式1集中控制方式：

在调度中心对各个变电站的主变压器的分接头位置和无功补偿设备进行统一的控制。

它要求调度中心必须具有符合实际的电压和无功实时优化控制软件，同时对各变电站有可靠性高的通道，要求各变电站要有智能执行单元。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,2分散控制：

在各变电站或发电厂中，自动调节有载调压变压器的分接头位置或其他调压设备，以控制地区的电压和无功功率在规定的范围内。

分散控制是在各厂、站独立进行的，可以实现局部地区的优化。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,2分散控制：

就地控制变电站内有载调压变压器分接头的调档和并联电容器组的投切，使本变电站功率因数和各电压侧母线电压达到最佳。

常采用九区法基本控制原理.,*变电站电压、无功综合自动控制装置,3关联分散控制方式：

电力系统正常运行时，由分散安装在各厂、站的分散控制装置或控制软件进行自动调控，调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定、经济运行出发，事先由电压、无功优化程序计算好的；在电力系统负荷变化较大或紧急情况或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心修改下属变电站所应维持的母线电压和无功功率定值，以满足系统运行方式变化后新的要求。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,（三）电压无功综合控制装置1.对电压无功控制系统的基本要求

（1）应能自动对变电站的运行方式和运行状态进行监视并加以识别，从而正确地选择控制对象并确定相应的控制方法。

（2）对目标电压、电压允许偏差范围、功率因数上下限等应能进行灵活整定。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,（3）变压器分接头控制和电容器组投、切应能考虑各种条件的限制。

（4）控制命令发出后应能自动进行检验以确定动作是否成功；若不成功，应能作出相应的处理；每次动作应有打印的纪录。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,（5）对变电站的运行情况能清晰地予以显示，并设置故障录波器。

（6）应具有自检、自恢复功能，做到硬件可靠、软件合理、维修方便且具有一定的灵活性和适应性。

*变电站电压、无功综合自动控制装置,（三）电压无功综合控制装置2.硬件原理框图,*变电站电压、无功综合自动控制装置,（三）电压无功综合控制装置3.软件流程,ThankYou!