電力系統(tǒng)自動裝置原理第三章

1、第三章 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng),第一節(jié) 概述,一勵磁自動控制系統(tǒng)構成,控制同步發(fā)電機的勵磁,電壓控制 控制無功功率的分配 提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性 改善電力系統(tǒng)的運行條件 對水輪發(fā)電機組實行強行減磁,二 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務,發(fā)電機勵磁電流的變化改變了機組的無功功率和功率角的大小。,調節(jié)與無限大母線并聯(lián)運行的機組的勵磁電流可以改變發(fā)電機無功功率的數(shù)值。,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，經受微小擾動后恢復到原來運行狀態(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

2、統(tǒng)受到小的或大的干擾后，計及自動調節(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。,1 勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響,內功率特性,外功率特性,2 勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響,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)。,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,當水輪發(fā)電機組發(fā)生故障突然跳閘時，由于它的調速系統(tǒng)具有較大的慣性，不能迅速關閉導水葉，因而會使轉速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發(fā)電機的勵磁電流，則發(fā)電機電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以

3、，在這種情況下，要求勵磁自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)強行減磁。,三 對勵磁系統(tǒng)的基本要求,勵磁調節(jié)器: 檢測和綜合系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息, 以產生相應的控制信號, 經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； 勵磁調節(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，要求勵磁調節(jié)器沒有失靈區(qū)； 勵磁調節(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

4、數(shù)，能迅速響應輸入信息的變化。,1 對勵磁調節(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足夠的可靠性并具有一定的調節(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),一 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）,二

5、 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)（100MW以下）,按勵磁機的勵磁繞組供電方式的不同,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,三 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

6、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勵磁系統(tǒng),2 自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng),四 靜止勵磁系統(tǒng) (發(fā)電機自并勵系統(tǒng)),勵磁調節(jié)器,滑環(huán),電壓起勵元件,VS,起勵電源,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

7、間是V2 導通，V4、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

8、沖在電流連續(xù)的穩(wěn)態(tài)工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,

9、e,id,ug,t,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,勵磁調節(jié)器,手動,自動,勵磁調節(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 勵磁調節(jié)器的基本

10、特性與框圖,1 人工改變Rc值調節(jié)勵磁電流,2 比例式勵磁調節(jié)器閉環(huán)控制示意圖,3 自動勵磁控制系統(tǒng)的構成環(huán)節(jié),二 勵磁調節(jié)器靜態(tài)工作特性,1 勵磁調節(jié)器靜態(tài)工作特性的合成,勵磁調節(jié)器的基本特性與框圖,勵磁調節(jié)器的靜態(tài)工作特性,調節(jié)器放大系數(shù)K與組成調 節(jié)器的各單元增益的關系為,勵磁調節(jié)器總的放大倍數(shù)等于 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,UG,2 發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性,cos=1時的調差單元相量圖,調節(jié)器測量到的電壓基本上和有功電流無關。,cos=0時的調差單元相量圖,調差單元輸出的電壓與無功電流

11、有關。,4 調差單元特性,5 發(fā)電機調整特性的三種類型,調差系數(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)電機組間無功功率的合理分配。,發(fā)電機投入和退出運行時，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)電機組間無功功率的合理分配。,勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)特性調整的目的,移動發(fā)電機調節(jié)特性的操作是通過改變勵磁調節(jié)器的整定值來實現(xiàn)的。,1 2,IQ1,IQ2,IQ,UG,三、 并聯(lián)運行機組間無功功率的分配,（一） 一臺無差調節(jié)特性的機組與正有差調節(jié)特性機組的并聯(lián)運行,一臺無差調節(jié)特性的發(fā)電機可以和多臺正調差特性的發(fā)電機組并聯(lián)運行。但在實際運行中，

12、由于具有無差調節(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 ） 一臺無差調節(jié)特性的機組與負有差調節(jié)特性機組的并聯(lián)運行,具有負調差特性的發(fā)電機是不能在公共母線上并聯(lián)運行的,（三 ） 兩臺無差調節(jié)特性的機組并聯(lián)運行,不能并聯(lián)運行,（四） 正調差特性的發(fā)電機組的并列運行,第五節(jié) 勵磁調節(jié)裝置原理,一、勵磁調節(jié)器的原理及發(fā)展 （一） 電壓調節(jié)的原理,（二）勵磁調節(jié)器的發(fā)展及分類,20世紀初,1950s,1960s,1980s,數(shù)字式勵磁調節(jié)器的優(yōu)點 方便地實現(xiàn)復雜的控制策略 便于修改，靈活性強 可以實現(xiàn)更加完備的限制和保護功能 操作簡

13、單、維護方便以及便于試驗和調試,二、數(shù)字式勵磁調節(jié)器原理,勵磁調節(jié)裝置原理,圖為600MW發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng),勵磁調節(jié)裝置原理,圖為300MW三機勵磁系統(tǒng)勵磁調節(jié)器,（一）數(shù)字式勵磁調節(jié)器的基本環(huán)節(jié)和構成,基 本 控 制 電壓調節(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,勵磁調節(jié)裝置原理,數(shù)字式勵磁調節(jié)器原理框圖,1、主控制單元（主機）,（1）中央處理單元（CPU),（2）總線接口部分 1）系統(tǒng)設置跳線 2）實時時鐘 3）WATCHDOG定時器 4）總線終端網絡,（3）存儲器部分,2、信息采集單元,（1

14、）模擬量信息采集電路 1）A/D轉換模板接口電路 分辨率 量程 轉換時間 轉換精度 絕對精度 相對精度,2）模擬量輸入通道,發(fā)電機電壓通道 發(fā)電機電流通道 勵磁電流,線電流有效值為,濾波電路,直流采樣濾波電路 交流采樣濾波電路,在圖3一55中若保持下式成立，即,輸出電壓,（2）數(shù)字量信息采集電路,電光電,3.調節(jié)和控制輸出單元,作用： （1）移相觸發(fā)單元 同步 要求 1）觸發(fā)脈沖移相范圍要符合相應可控整流電路的要求。 2)觸發(fā)脈沖應具有足夠的功率(對電壓、電流幅度有要求)使晶閘管元件可靠地導通 3)觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡，它的上升時間一般在10s左右 4)觸發(fā)單元與主電路應互相隔離以保證安全。

15、 5)在整個移相范圍應保證各相的觸發(fā)脈沖控制角a一致，,勵磁調節(jié)器愉出的調節(jié)量為控制勵磁功率單元的移相觸發(fā)脈沖，輸出的控制信號有保護跳閘觸點信號、報警信號等,可控整流電路要求在晶閘管每次承受正向電壓的某一刻向它的門極送出觸發(fā)脈沖，使晶閘管導通，且各相的控制角相同。晶閘管觸發(fā)脈沖與主電路之間的這種相位配合關系稱為同步。,三相橋式半控整流電路，由于共陽極組的整流元件是不可控的，在自然換流點換流。共陰極組的晶閘管應在其承受的相電動勢為正的一段區(qū)間內觸發(fā)導通。三相觸發(fā)脈沖應按+A、+B、+C相的順序依次相隔120發(fā)出。 三相橋式全控整流電路中，共陰極的晶閘管元件只有在其承受的相電動勢為正的一段區(qū)間內才

16、有可能導通，觸發(fā)脈沖應在這一區(qū)間內發(fā)出。三相觸發(fā)脈沖按+A +B +C相的順序依次相隔120發(fā)出。共陽極的晶閘管只有在其承受的相電動勢為負的一段區(qū)間內才有可能導通、觸發(fā)脈沖應在這一區(qū)間內發(fā)出。三相觸發(fā)脈沖按-C -A -B 相的順序依次相隔120發(fā)出。這樣六相觸發(fā)脈沖應按+A-C +B -A +C -B相的順序依次相隔60 發(fā)出。,供給移相觸發(fā)單元的同步電壓信號與主電路電源間應具有一定的相位關系，才能保證觸發(fā)脈沖按要求的相位發(fā)出。,移相觸發(fā)單元構成,1)同步電壓整形電路。,2)數(shù)字/脈沖移相接口電路。,8253可編程定時、計數(shù)器,這一移相原理是把控制觸發(fā)角a，換算成對應的延時ta，再折算成對應

17、的計數(shù)脈沖個數(shù)D,a換算為ta的公式為,3)整流器接口電路,4）門級驅動電路,一種是寬脈沖觸發(fā)， 一種是雙窄脈沖形式 （2）控制信號輸出,4人-機接口,（1）程序調試 （2）參數(shù)設定與維護 (3)運行操作,（二）調節(jié)和控制的數(shù)學模型,1.概述,PID模型:,離散化為,勵磁調節(jié)裝置原理,控制的數(shù)學模型 增量式PID調節(jié) 增量式PID調節(jié)的優(yōu)點是，因為數(shù)字調節(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)生大幅度變化。且增量算式只與最近幾次采樣值有關，容易獲得較好的控制效果。,2.勵磁調節(jié)器的基本調節(jié)方式 算法: 3.勵磁調節(jié)器的輔助控制 瞬時電流限制 最大勵磁限制器 最小勵磁

18、限制器 電壓頻率（V/Hz）限制和保護 發(fā)電機失磁監(jiān)控,（1）瞬時電流限制和最大勵磁限制。,1)瞬時電流限制,2）最大勵磁限制器。,制造廠給出的發(fā)電機轉子繞組在不同勵磁電壓時的允許時間見表3一1,勵磁調節(jié)裝置原理,（2）最小勵磁限制,功率圓方程如下：,勵磁調節(jié)裝置原理,功率圓,M 為靜態(tài)穩(wěn)定功率極限,考慮實際運行因素，最小勵磁限制應在N 之內,當發(fā)電機運行在Q 0 的部分時，發(fā)電機為進相運行狀態(tài),（3）電壓/頻率（V/HZ）限制和保護。,主要原因 1)發(fā)電機甩負荷或解列，電樞反應去磁作用減弱，因而使電壓升高。 2)機組啟動時，國內外都曾發(fā)生過發(fā)電機在轉動前由于誤操作投人的勵磁開關,以致燒壞勵磁繞組的事故。 3)系統(tǒng)性事故導致頻率降低時。,(4)發(fā)電機失磁監(jiān)控。,發(fā)電機失磁的原因： 1 勵磁開關誤跳閘， 2勵磁機或晶閘管勵磁系統(tǒng)元件損壞 3自動滅磁開關誤跳閘 4轉子回路某處斷線及誤操作 發(fā)電機異步影響： 1.發(fā)電機失步，在轉子和勵磁回路中產生差頻電流，引起過熱。 2.如果系統(tǒng)無功儲備不足，將引起系統(tǒng)電壓下降。 3.其他發(fā)電機力圖補償上述無功差額，容易造成過電流。,勵磁調節(jié)裝置原理,（三）勵磁調節(jié)器的運行,（1）主控制單元的雙重化配置,圖,（2）勵磁功率單元的雙重化配置。 （3）勵磁電流測量的雙重化。 （4）雙重電源配置。 (5) TV的雙重