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1、电力系统电压和无功功率自动控制,教材内容,电力系统电压和无功功率控制的必要性（4.1）电力系统电压和无功功率控制（4.2）不讲同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求（4.3）同步发电机励磁自动控制系统（4.4）比例式励磁控制系统的基本原理（4.5）同步发电机励磁控制系统的静态特性（4.6）同步发电机励磁控制系统的动态特性（4.7）同步发电机微机励磁控制系统（4.8）,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,电力系统电压控制的必要性1）电压偏离对电力用户造成影响2）电压偏离对电力系统造成影响,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,1）电压偏离对电力用户的影响当电压过低时可使电
2、动机拖动能力下降；使绕组温度上升，加速绝缘老化，严重情况下，甚至使电动机烧毁。电压下降时会使电动机的转速下降，将影响工业产品的产量和质量。电炉的用功功率与电压的平方成正比，炼钢厂中的电炉会因电压降低而增加冶炼时间，从而影响产量。电压过低时，照明设备的发光频率和亮度会大幅度下降。电压过高将使所有电气设备绝缘受损；使变压器、电动机等的铁心饱和程度加深，铁心损耗增大，温升增加，寿命缩短。电压偏离额定值，影响白炽灯和日光灯的寿命。冲击负荷（如轧钢机等）会引起电压突然下降和恢复，产生电压闪变。电压闪变对冲击负荷附近的用户产生不良影响，如灯光闪烁。,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,2）电压偏离
3、对电力系统的影响电压下降会影响厂用机械的出力，从而影响锅炉和汽轮机的运行，严重时会使电厂出力下降，危机电力系统的安全运行。严重情况会产生“电压崩溃”，导致大量电动机自动切除，发电机组失步，导致系统解列或大面积停电。,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,电力系统无功功率控制的必要性：1）维持电力系统电压在允许范围之内2）提高电力系统运行的经济性3）维持电力系统稳定,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,1）维持电力系统电压在允许范围之内电力系统的电压是靠电力系统中无功功率平衡维持的。要控制电力系统在额定电压运行，就要控制电力系统中无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压时所
4、需消耗的无功功率。如果这个“等于”关系不能满足，电力系统就会偏离额定电压运行。可见，维持电力系统电压在允许范围之内是靠控制电力系统无功电源的出力实现的。,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,2）提高电力系统运行的经济性电力系统的无功电源较多，选用哪种无功电源，将他们配置在何处，如何控制系统中无功电源的出力，是很重要的。这些工作做得好，不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功率传输过程中造成的无功和有功功率损耗，而且可以提高系统运行的经济性。无功功率一般都尽可能就地、就近平衡。,4.1 电力系统电压和无功功率控制的必要性,3）维持电力系统稳定在电力系统静态稳定方面，合理地选用自
5、动励磁调节器，可以使发电机出口某一电抗后面的电压维持不变。这相当于将发电机电抗和发电机后的电抗减少至零，从而提高电力系统地静态稳定性。在暂态稳定方面，采用高励磁顶值、快速响应的励磁系统，会使发电机在加速过程中迅速增大励磁电流，从而有效地改善电力系统地暂态稳定性。在现代大型发电机上采用高性能的励磁调节器提高励磁顶值电压和励磁电压上升速度，对提高电力系统稳定有明显的效果。,4.3 同步发电机励磁控制系统的主要任务和对它的基本要求,4.3.1 概述,一励磁自动控制系统构成,控制同步发电机的励磁,电压控制 控制无功功率的分配 提高电力系统运行的稳定性 改善电力系统的运行条件 对水轮发电机组实行强行减磁
6、,4.3.2 同步发电机励磁控制系统的任务,电压控制,发电机励磁电流的变化改变了机组的无功功率和功率角的大小。,调节与无限大母线并联运行的机组的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。,控制无功功率分配,电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。,电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能否过渡 到一个新的稳定运行状态、或者恢复到原来运行状态的能力。,电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。,励磁对静态稳定的影响,内功率特性,外功率特性,励磁对暂态稳定的影响,要使励磁系统在短
7、暂过程中完成符合要求的控制必须要求励磁系统具备快速响应的条件。为此，一方面缩小励磁系统的时间常数，另一方面尽可能提高强行励磁的倍数。,1改善异步电动机的自起动条件 2为发电机异步运行创造条件 3提高继电保护装置工作的正确性,改善电力系统的运行条件,当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度，所以，在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。,对水轮发电机组实行强行灭磁,4.3.3 对励磁系统的基本要求,系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机
8、电压高低以维持发电机电压在给定水平；励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区；励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件；具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。,1 对励磁调节器的要求,2 对励磁功率单元的要求,要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从改善电力系统运行 条件
9、和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。,励磁调节器,励磁功率单元,4.4 同步发电机励磁自动控制系统,一 励磁系统的历史,几种常用的励磁系统简要介绍（重点分析励磁功率单元）,（一）自励直流励磁机系统,直流励磁机励磁系统,（二）它励直流励磁机系统,直流励磁机励磁系统,特点 优点：控制方便 缺点：须换向，有滑环、电刷易产生火花，可靠性不高结构复杂，不易维护应用范围：中小容量机组（100MW）旧型机组,直流励磁机励磁系统,（一）它励交流励磁机静止整流励磁系统（1）原理,交流励磁机励磁系统,（
10、2）特点 优点：响应速度快（相对DC）；容量较大（相对DC）缺点：有滑环、电刷 易产生火花，可靠性不高 结构复杂，不易维护（3）应用 中等容量机组（100MW 300MW）我国旧型机组,交流励磁机励磁系统,（三）交流励磁机旋转整流励磁系统（无刷励磁）(1)原理,交流励磁机励磁系统,副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止发电机：电枢静止，磁极（励磁）旋转,交流励磁机励磁系统,（2）特点 优点：维护工作量少 可靠性高 无接触磨损，电机绝缘寿命长 缺点：响应速度慢 不能直接灭磁 对机械性能要求高（3）应用 大容量机组（600MW）,（一）自并励励磁系统,静止励磁系统
11、,（2）特点：优点：维护工作量少；可靠性高 主轴长度短，基建投资少 电压响应速度快 过电压低 缺点：发电机近端端路时，缺乏足够的强励能力 继电保护的动作会受一定影响（3）应用 大容量机组（600MW）水轮机组,静止励磁系统,曾经的疑虑：发电机端三相短路而切除时间又较长的情况下，由于励磁变压器原边的电压为零，历次系统能否及时提供足够的强励电压由于短路电流的衰减，带时限的继电保护能否正确动作,静止励磁系统,（二）自复励励磁系统特点：当电力系统短路时，自励部分会因为发电机电压下降而降低励磁能力，复励部分会因为发电机电流增加而增加励磁能力，两者相辅相成，弥补了自并励方式单独由发电机供给发电机励磁电流的
12、不足，它可以保证在机端短路时有足够的强励能力。,静止励磁系统,4.5 比例式励磁自动控制的基本原理,4.5.1 基本结构与工作原理4.5.1.1 基本结构调差单元测量比较单元综合放大单元移相触发单元可控硅整流单元励磁功率单元发电机,4.5 励磁调节装置原理,一 励磁调节器的发展及分类,按调节原理来划分励磁调节器,反馈型励磁调节器：按被调量与给定量的偏差进行调节，使被调量接近于给定值，因此能较好地维持电压水平。补偿型励磁调节器：补偿某些因素所引起被调量的变动，使被调量维持在所要求的定值附近。,二 励磁调节器的基本特性与框图,1 人工改变Rc值调节励磁电流,2 比例式励磁调节器闭环控制示意图,3
13、自动励磁控制系统的构成环节,三 半导体励磁调节器的基本环节及构成,基本控制由调差、测量比较、综合放大和移相触发单元组成，实现电压调节和无功功率分配等最基本的调节功能。辅助控制是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元(包括励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制器等)。,核心部分,1 测量比较单元,基本任务把发电机电压变换为直流电压信号。与给定的直流基准电压进行比较，得到两者的偏差信号。,测量电路应具有足够高的灵敏度，直流基准电压应稳定。电压给定电路的调整范围必须满足运行要求；测量电路应具有优良的动态性能，即反应要迅速，电路的时间常数要小；输出的直流偏差电
14、压必须平稳，其纹波系数要小。,基本要求：,A 测量整流,B 滤波电路,C 比较整定电路,比较整定电路是把整流电路输出的电压与基准电压相比较，得到一个反映发电机电压偏差的直流电压，输出到综合放大单元。另外，它还对发电机电压给定值进行整定，使电压(或无功功率)能满足运行工况的要求。,uab,U,ucb,udb,ucd,UVZ,使比较桥输出为零的励磁调节器输入电压被称为整定电压，以UREF表示。,-15V,Rf,R4,R5,R3,R1,R2,RP,AJ,VZ,Use,UVZ1,UVZ2,Ude,4.5 比例式励磁自动控制的基本原理,4.5.2.1 电压测量比较单元-发电机端电压整定过程发电机端电压整
15、定是指确定发电机端电压稳定工作电压。它是通过调整电位器W的阻值RW来实现的。设发电机运行在电压UG，与之对应，比较电路的输出电压Ub=0。若调整W，使阻值RW增加，其上电压降随之增加。因系统延迟，发电机端电压不会立即下降，即Uc不变。这样，RW增加的结果会使Uab Ub，从而导致发电机的励磁电流ILLUG UC Uab Ub。当上升到Ub0 时，调节过程结束，发电机进入新的稳定运行状态。,综合放大单元,综合放大单元-作用及要求综合放大各种励磁控制信号。改善励磁自动控制系统的静态和动态性能指标。输出移相单元所需的输入电压。能线性无关地综合、放大各输入信号。要有足够的运算精度和放大系数，且放大系数
16、可调。要有足够的响应速度，即时间常数要小。工作稳定可靠，输出阻抗低。输出电压范围应满足移相触发单元的要求。,综合放大单元-结构及工作原理,A,B,C,VZ1,VZ2,USM,控制信号综合放大单元原理接线,R0,R7,电路受输入信号中最高电平信号控制正值竞比,正竞比电路,V5：电压频率限制器信号V6：最大励磁限制信号V7：瞬时过电流限制信号,输入信号都属限制信号（减小励磁电流）,V5=10V andV6=10V andV7=10V,V5 0 or V6 0 or V70,UB0，V3截止，封锁正竞比门输出,负竞比门所有限制信号级别高于正竞比门的控制信号。,负竞比电路,VZ1击穿，输出正向被限幅V
17、Z2击穿，输出负向被限幅,信号综合(运算)放大,3 移相触发单元,移相触发单元的任务是产生相位移动的触发脉冲，用来改变整流桥中晶闸管元件的控制角，使其输出电压随控制电压的大小而改变，从而达到调节励磁目的。,可控整流电路要求在晶闸管每次承受正向电压的某一时刻，向它的控制极送出触发脉冲，以使晶闸管导通。对应某一控制电压各相的控制角相同。晶闸管触发脉冲与主电路之间的这种相位配合关系称为同步。,A 概述,三相桥式半控整流电路，由于共阳极组的整流元件是不可控的，在自然换流点换流。共阴极组的晶闸管应在其承受的相电动势为正的一段区间内触发导通。三相触发脉冲应按+A、+B、+C相的顺序依次相隔120发出。三相
18、桥式全控整流电路中，共阴极的晶闸管元件只有在其承受的相电动势为正的一段区间内才有可能导通，触发脉冲应在这一区间内发出。三相触发脉冲按+A+B+C相的顺序依次相隔120发出。共阳极的晶闸管只有在其承受的相电动势为负的一段区间内才有可能导通、触发脉冲应在这一区间内发出。三相触发脉冲按-C-A-B 相的顺序依次相隔120发出。这样六相触发脉冲应按+A-C+B-A+C-B相的顺序依次相隔60 发出。,供给移相触发单元的同步电压信号与主电路电源间应具有一定的相位关系，才能保证触发脉冲按要求的相位发出。,B 触发电路原理,采用余弦波作为同步信号，使控制角等于触发器输入电压与同步电压幅值之比的反余弦函数，这
19、样Ud就与USM呈线性关系。这种特性的移相触发电路称为余弦波移相触发电路。,1）余弦波移相电路,3 移相触发单元-工作特性,4 可控硅整流电路,可控硅整流电路-作用可控硅(晶闸管)整流电路的作用是将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕组供给可控制的励磁电流。,4 可控硅整流电路,可控硅整流电路-电路结构,4 可控硅整流电路,可控硅整流电路-工作原理可控硅的通断。整流元件的导通次序。可控硅的控制角。可控硅的导通角整流电路的输入电压整流电路的输出电压续流管的作用,4 可控硅整流电路,三相半控桥式整流电路的电压波形图,4 可控硅整流电路,可控硅整流电路-特性,比例式励磁自动控制系统的
20、工作特性合成,励磁功率单元,移相触发,同步信号,手动调节,给定电压,辅助控制信号,PT,CT,UL,IL,UG,IG,UG,测量比较,调差,综合放大,可控整流,Ub,U k,比例式可控硅励磁调节器的结构框图,比例式励磁自动控制系统的工作特性合成,比例式半导体励磁调节器的静态工作特性,比例式半导体励磁调节器的静态工作特性,4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性,发电机调压精度：当自动励磁调节器投入运行、调差单元退出、电压给定值不变时，发电机负载从零到额定值变化时引起的发电机机端电压的变化。一般要求不大于0.51%。,4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性,同步发电机励磁控制系统的静态特性是指
21、在没有人工参与调节的情况下，发电机端电压与发电机电流的无功分量之间的静态特性。此特性通常称为发电机外特性或电压调节特性，也称为电压调差特性。,4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性,一般用发电机端电压调差率或者调差系数T来表征电压调差特性。,4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性,4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性,当负荷电流为无功性质时，经调差单元后线电压明显增大；当负荷电流为有功性质时，经调差单元后线电压经过一个旋转，幅值变化不大；可见调差单元主要反映了无功负荷电流的变化，满足调差单元的基本要求。假设发电机机端电压稳定在某一值，而负荷电流增加，则经过调差单元后输入到测量比较单元的
22、电压升高，经过励磁调节单元后会降低励磁电流，使机端电压降低，形成正调差。,无功负荷电流时,有功负荷电流时,无功负荷电流时,有功负荷电流时,4.6 同步发电机励磁控制系统的静态特性,3 调差单元工作原理,cos=1时的调差单元相量图,调节器测量到的电压基本上和有功电流无关。,cos=0时的调差单元相量图,调差单元输出的电压与无功电流有关。,4 调差单元特性,5 发电机调整特性的三种类型,发电机投入和退出运行时，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。,6 励磁控制系统静态特性调整的目的,移动发电机调节特性的操作是通过改变励磁调节器的整定值来实现的
23、。,一台无差调节特性的机组与正有差调节特性机组的并联运行,一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特性的发电机组并联运行。但在实际运行中，由于具有无差调节特性的发电机将承担无功功率的全部增量，机组间无功功率的分配很不合理，这种运行方式很少采用。,不能稳定运行,一台无差调节特性的机组与负有差调节特性机组的并联运行,具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行的,两台无差调节特性的机组并联运行,不能并联运行,并联运行机组间无功功率的分配,一 不同调节特性的发电机组的并列运行,二 正调差特性的发电机的并列运行,传递函数,传递函数-示例,AVR（PID）,AVR+PSS,某电厂自并励励磁调节器传递函数,数字式励磁调节器构成,GEC系列全数字式励磁控制器,关于课内实验,本章总结,了解电力系统电压和无功功率控制的必要性；理解励磁控制系统的主要任务及对励磁控制系统的基本要求；了解励磁控制系统的构成、励磁方式分类；了解起励、灭励、强励、强减；掌握励磁调节器基本构成，包括测量比较单元、综合放大单元、可控整流电路、移相触发单元的基本工作原理及典型电路；掌握励磁调节器的静态工作特性；掌握励磁控制系统的静态调节特性、电压调差系数，调差接线分析。,
