1、第三章第三章 同步發電機同步發電機勵磁自動控制系統勵磁自動控制系統電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理總總 述述勵磁系統的任務與要求勵磁系統的類型勵磁系統的整流電路并聯機組間無功分配勵磁裝置的原理電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理一、發電機勵磁系統的任務一、發電機勵磁系統的任務電電壓壓控控制制無無功功分分配配提提高高穩穩定定強強行行勵勵磁磁強強行行減減磁磁電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v （一）電壓控制（一）電壓控制 qGGdEUjI X等值電路相量圖GGEWUEF.IEF.UG IG. .xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG

2、.j IG xd.Eq.G Gj IQ xd.電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v電壓控制電壓控制dQGGqXIUEcosdQGqXIUE同步發電機的勵磁自動控制系統就是通過不斷地調節勵磁電流來維持機端電壓為給定水平的。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v（二）控制無功功率的分配 設單機無窮大系統：GIG.UG = 常數常數.電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v控制無功功率的分配 由于發電機發出的有功功率只受調速器控制，與勵磁 電流的大小無關。電力系統電力系

3、統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v（三）提高并聯運行的穩定性1.勵磁對靜態穩定的影響發電機的輸出功率為sinXUEPqG電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v提高并聯運行的穩定性abc同步發電機的功角特性最大可能傳輸的功率極限為 XUEPqm電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v 提高并聯運行的穩定性勵磁，則有外功率特性值與勵磁無關，若調節，而qqmEEP 它使發電機能在大于90度范圍的人工穩定區運行，即可提高發電機輸送功率極限或提高系統的穩定儲備。電力系統電力系統自動裝置

4、原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v提高并聯運行的穩定性2.勵磁對暫態穩定的影響發電機的暫態穩定等面積法則 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務v（四）強行勵磁以改善電力系統運行條件改善異步電動機的自啟動改善異步電動機的自啟動為異步發電機運行創造條件為異步發電機運行創造條件提高繼電保護工作的準確性提高繼電保護工作的準確性電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理發電機勵磁系統的任務發電機勵磁系統的任務（五）水輪發電機強行減磁（五）水輪發電機強行減磁 當水輪發電機組發生故障突然跳閘時，由于它的調速系統具有較大的慣性，不能迅速關閉導水

5、葉，因而會使轉速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發電機的勵磁電流，則發電機電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以，在這種情況下，要求勵磁自動控制系統能實現強行減磁。 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理二、對勵磁系統的要求二、對勵磁系統的要求維持電壓水平和無功的合理分配維持電壓水平和無功的合理分配控制能力和調節范圍控制能力和調節范圍快速反應能力快速反應能力結構簡單，易于維護結構簡單，易于維護足夠的阻尼能力足夠的阻尼能力電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁功率單元自動調節勵磁裝置AERTAU UG GTVGLEI Ie e. .G G. .GG自動調節勵磁系統的基本構成自動調節勵磁

6、系統的基本構成 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理第二節、同步發電機勵磁系統類型第二節、同步發電機勵磁系統類型電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理一一直流勵磁機系統直流勵磁機系統 1.自勵直流勵磁機2.他勵直流勵磁機電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理二、交流勵磁機系統 GGAERGLE T TA AT TV V( (a a) )GE2GGU2GE1U1ABGGAERGLE TATATVTV( (b b) )GE2GGGGU2GE1U1AB起起勵勵電電源源自勵恒壓自勵恒壓調節裝置調節裝置電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理二、交流勵磁機系統GGAERGLE T TA A1 1

7、T TV V1 1( (c c) )GGU2GE1U1AB起起勵勵電電源源U3TA2TV2起起勵勵元元件件GGAERGLE T TA AT TV VGGGE1UAB電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理三、三、靜止勵磁系統 GGAERT TA AT TV VU起起勵勵電電源源起起勵勵元元件件ABGLETVE電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理第三節、勵磁系統的整流電路第三節、勵磁系統的整流電路電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理一、三相橋式不可控整流電路 輸出電壓平均值輸出電壓平均值 UAV = 1.35UP-P =2.34 UP 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理二、二、三相

8、全控橋式整流電路 bacTn負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1ud1= 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuc電路帶阻感負載a =30時的波形UAV =1.35Up-pcos =2.34 UPcos三相全控橋式整流電路在090時，處于整流工作狀態，改變角，可以調節發電機勵磁電流; 在90 180時，電路處于逆變工作狀態，可以實現對發電機的自動滅磁。 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*自動調節勵磁裝置1硬件構成硬件構成 變送器；同步電壓檢測電路；輸入、輸出通道電路；主機電力系統電力系統自動裝置原理自

9、動裝置原理*自動調節勵磁裝置2軟件功能軟件功能 可選擇多種運行方式。可選擇PID（比例積分微分）調節、PSS附加控制、線性最優控制、自校正調節、非線性控制等調節控制規律。軟件無功調差功能，調差系數的正負及大小可任選。運行參數可選擇顯示并在線修改。軟件實現數字給定及平穩調整。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*自動調節勵磁裝置2軟件功能軟件功能 多種勵磁限制。電壓互感器斷線檢測及保護。手動/自動運行方式的相互跟蹤。獨立的后備通道，自動跟蹤工作通道，切換無波動。勵磁系統（包括調節器）出現失磁、失控故障或軟件連續幾次出軌而自復歸無效時，自動切換到備用通道工作。軟件具有自診斷、自恢復功能。電力系

10、統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*自動調節勵磁裝置3勵磁調節系統中的輔助控制勵磁調節系統中的輔助控制（1）最小勵磁限制（）最小勵磁限制（MEL） 若發電機勵磁電流過小，最小勵磁限制器就會使勵磁電流增大到允許范圍內。 （2）最大勵磁限制）最大勵磁限制(MXL) 為了防止發電機轉子繞組長時間過勵磁而采取的安全措施。 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*自動調節勵磁裝置3勵磁調節系統中的輔助控制勵磁調節系統中的輔助控制 （3）瞬時電流限制）瞬時電流限制(ICL) 檢測勵磁電流，一旦超出發電機允許的強勵檢測勵磁電流，一旦超出發電機允許的強勵頂值，限制器動作使強勵頂值電流限制在允許范頂值，限制器

11、動作使強勵頂值電流限制在允許范圍內。圍內。 （4）電壓）電壓/頻率限制（頻率限制（HXL） 限制發電機端電壓與頻率的比值，防止發電限制發電機端電壓與頻率的比值，防止發電機及主變壓器由于電壓升高或頻率降低導致鐵芯機及主變壓器由于電壓升高或頻率降低導致鐵芯飽和而引起過熱。飽和而引起過熱。 電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理第四節、勵磁控制系統調節特性和并聯機組間第四節、勵磁控制系統調節特性和并聯機組間無功分配無功分配v一、勵磁控制系統框圖 GU同步發電機勵磁功率單元勵磁調節器EFIGIREFU手動自動勵磁調節器檢測發電機的電壓、電流或其它狀態量，然后按指定的調節準則對勵磁功率單元發出控制信號

12、，實現控制功能。 勵磁系統其他信號電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器的基本特性與框圖 v比例式勵磁調節器 勵磁調節器最基本的功能是調節發電機的端電壓。常用的勵磁調節器是比例式調節器，它的主要輸入量是發電機端電壓，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。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器的基本特性與框圖v勵磁調節器基本框圖電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器的基本特性與框圖v勵磁調節器的簡化框圖勵磁調節器的特性曲線在工作區內的陡度，是調節器性能的

13、主要指標之一，即GREFAVRUUUK測量K1綜合放大K2移相觸發K3可控整流K4UGUREFUdeUSMUAVRK調節器的放大倍數電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器的基本特性與框圖v二、勵磁調節器的靜態工作特性調節器放大系數K與組成調節器的各單元增益的關系為4321KKKKUUUUUUUUUUKAVRSMdeSMGREFdeGREFAVR勵磁調節器總的放大倍數等于各組成單元放大倍數的乘積 0000UdeUAVRUAVRUdeUGUGUSMUSMUREFba電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性勵磁調節器的基本特性v發電機勵磁控制

14、系統靜態特性 QEFIfI發電機調節特性電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性勵磁調節器的基本特性v勵磁控制系統靜態特性 無功調節特性在公共母線上并聯運行的發電機組間無功功率的分配，主要取決于各臺發電機的無功調節特性。而無功調節特性是用調差系數來表征的:%100%21GNGGUUU調差系數越小說明IQ對UG影響越小UGUG1UG20IQIQNUG電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性勵磁調節器的基本特性v勵磁控制系統靜態特性 調差系數存在的意義:能平穩地改變無功負荷，不致發生無功功率的沖擊；保證并聯運行的發電機組間無功功率的合理分配。UGIQ= 0

15、0UG0電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節器的基本特性勵磁調節器的基本特性v發電機無功電流的轉移 3-2-1IQ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UGIQUM123IQ2IQ1電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理三、并聯運行機組間的無功功率分配三、并聯運行機組間的無功功率分配v（一）無差調節特性 1 無差+有差 有困難無法穩定不能并聯運行 2 無差+無差 UGIQ = 0 0UUUIQ2UGIQUU電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理并聯運行機組間的無功功率分配并聯運行機組間的無功功率分配v（二）有差調節特性 QNGNGGGQIUUUUI0

16、0GGGNGNGGGQUUUUUUUI0001GQUIUGUGUG0IQIQUG0UGNIQIQIQIQN N電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理并聯運行機組間的無功功率分配并聯運行機組間的無功功率分配v例3-1見書中72頁v例3-2見書中72頁電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理我國勵磁調節器的發展及分類我國勵磁調節器的發展及分類 機械式機械式機電型機電型磁放大器磁放大器電磁型電磁型電子模擬放大器電子模擬放大器電子型電子型CPU存儲邏輯存儲邏輯數字型數字型20世紀初1950s1960s1980s電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功

17、綜合自動控制裝置（一）概述（一）概述1電力系統電壓和無功功率自動控制的電力系統電壓和無功功率自動控制的任務任務 （1）維持監視點電壓為設定值；）維持監視點電壓為設定值；（2）無功潮流就地平衡，避免長距離輸）無功潮流就地平衡，避免長距離輸送無功引起過多的壓降和線損；送無功引起過多的壓降和線損；（3）無功熱備用在系統各地區均勻分布，）無功熱備用在系統各地區均勻分布，防止局部故障而造成電壓崩潰。防止局部故障而造成電壓崩潰。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置（一）概述（一）概述v2電力系統的調壓措施電力系統的調壓措施2121/ )

18、(/ )(KUQXPRKUKUKUUNGGB電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置（一）概述（一）概述v2電力系統的調壓措施電力系統的調壓措施v（1）控制和調節發電機的勵磁電流，以改變發電機的端電壓UG，即利用自動調節勵磁裝置維持發電機端電壓；v（2）控制變壓器變比K1和K2調壓，即利用有載調壓變壓器改變其分接頭位置調壓；電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置（一）概述（一）概述v2電力系統的調壓措施電力系統的調壓措施v （3）改變輸送功率的分布P+jQ（主要

19、是Q），以使電壓損耗減小，即盡量減少無功功率在線路上的長距離傳輸，在變電站采用無功功率補償設備進行調壓 ； v（4）改變電力系統網絡中的參數R+jX（主要是X），即在輸電線路上串聯接入電容器，補償輸電線路的感抗，以減小輸電線路電壓損耗電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置（二）電力系統電壓無功綜合控制方式（二）電力系統電壓無功綜合控制方式 1集中控制方式：在調度中心對各個變電站的主集中控制方式：在調度中心對各個變電站的主變壓器的分接頭位置和無功補償設備進行統一的變壓器的分接頭位置和無功補償設備進行統一的控制。它要求調度中心必須

20、具有符合實際的電壓控制。它要求調度中心必須具有符合實際的電壓和無功實時優化控制軟件，同時對各變電站有可和無功實時優化控制軟件，同時對各變電站有可靠性高的通道，要求各變電站要有智能執行單元。靠性高的通道，要求各變電站要有智能執行單元。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置v（二）電力系統電壓無功綜合控制方式（二）電力系統電壓無功綜合控制方式 2分散控制：在各變電站或發電廠中，自動調節分散控制：在各變電站或發電廠中，自動調節有載調壓變壓器的分接頭位置或其他調壓設備，有載調壓變壓器的分接頭位置或其他調壓設備，以控制地區的電壓和無功功

21、率在規定的范圍內。以控制地區的電壓和無功功率在規定的范圍內。分散控制是在各廠、站獨立進行的，可以實現局分散控制是在各廠、站獨立進行的，可以實現局部地區的優化。部地區的優化。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置v（二）電力系統電壓無功綜合控制方式（二）電力系統電壓無功綜合控制方式 3關聯分散控制方式：電力系統正常運行時，由關聯分散控制方式：電力系統正常運行時，由分散安裝在各廠、站的分散控制裝置或控制軟件分散安裝在各廠、站的分散控制裝置或控制軟件進行自動調控，調控范圍和定值是從整個系統的進行自動調控，調控范圍和定值是從整個系統的

22、安全、穩定、經濟運行出發，事先由電壓、無功安全、穩定、經濟運行出發，事先由電壓、無功優化程序計算好的；在電力系統負荷變化較大或優化程序計算好的；在電力系統負荷變化較大或緊急情況或系統運行方式發生大的變動時，可由緊急情況或系統運行方式發生大的變動時，可由調度中心修改下屬變電站所應維持的母線電壓和調度中心修改下屬變電站所應維持的母線電壓和無功功率定值，以滿足系統運行方式變化后新的無功功率定值，以滿足系統運行方式變化后新的要求。要求。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置（三）電壓無功綜合控制裝置（三）電壓無功綜合控制裝置 1. 對

23、電壓無功控制系統的基本要求對電壓無功控制系統的基本要求（1）應能自動對變電站的運行方式和運行狀態進行監視并加以識別，從而正確地選擇控制對象并確定相應的控制方法。（2）對目標電壓、電壓允許偏差范圍、功率因數上下限等應能進行靈活整定。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置v（三）電壓無功綜合控制裝置（三）電壓無功綜合控制裝置 v1. 對電壓無功控制系統的基本要求對電壓無功控制系統的基本要求（3）變壓器分接頭控制和電容器組投、切應能考慮各種條件的限制。 （4）控制命令發出后應能自動進行檢驗以確定動作是否成功；若不成功，應能作出相應的

24、處理；每次動作應有打印的紀錄。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置v（三）電壓無功綜合控制裝置（三）電壓無功綜合控制裝置 v1. 對電壓無功控制系統的基本要求對電壓無功控制系統的基本要求v（5）對變電站的運行情況能清晰地予以顯示，并設置故障錄波器。v（6）應具有自檢、自恢復功能，做到硬件可靠、軟件合理、維修方便且具有一定的靈活性和適應性。電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功綜合自動控制裝置變電站電壓、無功綜合自動控制裝置v （三）電壓無（三）電壓無功綜合控制裝功綜合控制裝置置 2. 硬件原理框圖硬件原理

25、框圖打印機打印機CRT顯示顯示器器鍵盤鍵盤、鼠標鼠標 人機接口控制人機接口控制一體化工作站一體化工作站串行接口串行接口外部通信外部通信模數轉換模數轉換模塊模塊開關量輸開關量輸入模塊入模塊開關量輸開關量輸出模塊出模塊輸入接口輸入接口輸出接口輸出接口監控動作監控動作信號輸出信號輸出模擬模擬量輸量輸入入一次一次設備設備狀態狀態量量開關開關狀態狀態量輸量輸入入電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理*變電站電壓、無功變電站電壓、無功綜合自動控制裝置綜合自動控制裝置v （三）電壓無功綜合控制（三）電壓無功綜合控制裝置裝置 v3.軟件流程軟件流程開開始始初初始始化化數數據據采采集集和和數數據據處處理理 根

26、根據據斷斷路路器器和和隔隔離離開開關關狀狀態態判判斷斷變變壓壓器器運運行行方方式式數數據據采采集集和和數數據據處處理理 根根據據斷斷路路器器和和隔隔離離開開關關狀狀態態判判斷斷變變壓壓器器運運行行方方式式根根據據變變壓壓器器運運行行方方式式進進行行電電容容器器隊隊列列初初始始化化對對某某些些必必要要的的電電量量進進行行諧諧波波分分析析進進行行邏邏輯輯判判斷斷，決決定定是是否否采采取取調調壓壓措措施施是是否否動動作作？發發令令及及反反饋饋超超過過2s？是是否否是是否否電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理v數字式勵磁調節器的優點 方便地實現復雜的控制策略 便于修改，靈活性強 可以實現更加完備的限制和保護功能 操作簡單、維護方便以及便于試驗和調試第五節、勵磁調節裝置原理第五節、勵磁調節裝置原理電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節裝置原理勵磁調節裝置原理v圖為600MW發電機自并勵勵磁系統電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理勵磁調節裝置原理勵磁調節裝置原理v圖為300MW三機勵磁系統勵磁調節器電力系統電力系統自動裝置原理自動裝置原理人人機接口機接口調節控制輸出調節控制輸出勵磁調節裝置原理勵磁調節裝置原理基基 本本控控 制制電壓調節無功分配輔輔 助助控控