同步发电机励磁调节装置及其运行方式研究模板.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

基于同步发电机励磁调节
装置及其运行方式的研究

系别: 电气工程与自动化系
专业: 电气工程及其自动化
班级: B130434
学号: B13043407
姓名: 王文敬

第一章励磁系统研究
1.励磁系统概述
发电机是将旋转形式的机械能量转换成三相交流电能量的设备, 为了完成这一转换并满足系统运行的要求, 除了需要原动机( 汽轮机或水轮机) 供给动能外, 它本身还需要有可调的直流磁场, 以适应运行工况的变化。产生这个可调磁场的直流励磁电流称为发电机的励磁电流, 为发电机提供可调励磁电流的设备, 构成发电机的励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子, 故励磁电流也叫转子电流。
在电力系统的运行中, 同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一, 经过调节励磁电流能够改变发电机的无功功率, 维持发电机端电压。不论在系统正常运行还是故障情况下, 同步发电机的直流励磁电流都需要控制, 因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统的安全运行, 不但与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关, 而且与发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。
2.励磁系统的任务
在发电机正常运行或事故情况下, 励磁系统都起着十分重要的作用。性能优良的励磁系统不但能保证发电机的安全运行, 提供合格的电能, 而且还能有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。
2.1.维持发电机电压在给定水平上
同步发电机励磁控制系统能够完成许多任务, 但其中最基本和最重要的任务是维持发电机端( 或指定控制点) 电压在给定的水平上。中国国家标准规定, 自动电压调节器应保证同步发电机端电压静差率小于1%。这就要求励磁控制系统的开环增益( 稳态增益) 不小于100p.u( 对水轮发电机) 或200p.u( 对汽轮发电机) 。
在同步发电机空载运行中, 转子以同步转速n旋转时, 励磁电流产生的主磁通Φ0切割N匝定子绕组感应出频率为f=pn/60的三相基波电势, 其有效值E0同f, N,Φ0以及绕组系数k的关系: E0=4.44fNkΦ0
这样, 改变励磁电流If以改变主磁通Φ0, 空载电势E0值也将改变, 二者的关系就是发电机的空载特性E0=f(If)或发电机的磁化特性Φ0=f(Ff)。在发电机空载状态下, 空载电势E0就等于发电机端电压Ut, 改变励磁电流也就改变发电机端电压。
完成电压控制的设备是由励磁调节器, 励磁电源, 发电机等组成, 同步发电机励磁控制系统框图的一般形式
给定信号
其它信号
信号比较放大
励磁电源
发电机
测量信号
励磁调节器
Ug＋
Uf
Uf
Ut
Uc

图1-1同步发电机励磁控制系统框图
在图1-1中, 虚线框内是励磁调节器的基本原理框图。按照调节原理, 一个控制调节装置, 至少要有三个环节或单元。第一是测量单元, 它是一个负反馈环节; 第二是给定单元, 它是调节中的参考点; 第三是比较放大单元, 它将测量值同参考值进行比较, 并对比较结果的差值进行放大, 从而输出控制电压Uk。这里的其它信号, 是指调节器中的其它功能的作用信号, 比如调差、 励磁电流限制、 无功限制、 PSS等。这里的励磁电源是指可控硅整流装置。
对于一个励磁控制系统来说, 电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现这一目的, 首先就要设定电压, 要有一个给定信号Ug, 以便明确电压控制值; 其次要测量电压, 看发电机端电压是多少, 这里由发电机电压互感器PT和调节器中的测量板组成, 将Ut变为Uc; 最后, 由调节器比较给定值和测量值, 当测量值小于给定值时, 励磁装置增加励磁电流If, 使发电机端电压上升, 当测量值大于给定值时, 励磁装置减少If使发电机端电压下降。
把发电机端电压维持在把维持电压水平看作励磁控制系统最基本最主要的任务, 有以下三个主要原因。
第一, 保证电力系统运行设备的安全。电力系统中运行的设备都有其额定运行电压和最高运行电压。发电机电压水平是电力系统各点运行电压水平的基础, 保证发电机端电压在容许水平上, 是保证发电机电压及系统各点电压在容许水平上的基础条件之一, 也就是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一, 这就要求发电机励磁系统不但能够在静态, 而且能在大扰动后的稳态中能保证发电机电压水平在给定的容许水平上。
发电机运行规程规定大型同步发电机运行电压正常变化范围为±5%, 最高电压不得高于额定值的110%。
第二, 保证发电机运行的经济性
发电机在额定值附近运行是最经济的。当发电机电压下降时, 输出同样的功率所需要定子电流会上升, 损耗增加。当发电机电压下降过大时, 由于定子电流的限制, 将使发电机的出力受到限制。因此, 规程[3]规定, 大型发电机运行电压不能低于额定值的90%, 当发电机电压低于95%时, 发电机应限负荷运行, 其它电力设备也有这个问题。
第三, 提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。从下面分析能够看到, 提高励磁控制系统维持发电机电压水平的能力的同时, 也提高了电力系统的静态稳定和暂态稳定水平。
2.2.无功分配
在发电机负载运行时, 根据所带负载的性质, 空载电势E0同发电机端电压Ut的关系发生了变化。当发电机带感性负载时, 电枢反应具有去磁性质, 随着负载的增加, Ut越来越小于E0, 这时为了维持Ut不变, 必须增大励磁电流; 当发电机带容性负载时, 电枢反应具有助磁性质, 随着负载的增加, Ut越来越大于E0, 同样为了维持Ut不变, 必须减少励磁电流。
在发电机并网运行时, 系统母线电压控制着发电机端电压Ut, 当调节励磁电流If, 使E0发生变化时, 发电机的定子电流和功率因数也随之变化, 即发电机的无功功率随If变化。同步发电机的V形曲线, 就是反映了励磁电流同定子电流的关系。在这一关系中, 功率因数等于1的励磁电流称为正常励磁。当励磁电流大于正常励磁时, 定子电流滞后于端电压, 功率因数滞后, 发电机输出滞后无功功率, 这种状态我们俗称为发电机带无功运行; 当励磁电流小于正常励磁时, 定子电流超前于端电压, 功率因数超前, 发电机输出超前无功功率, 这种状态我们俗称为发电机进相运行。
在发电厂中数台发电机并网运行时, 调节一台发电机的励磁电流, 不但会改变这台机的无功, 还要影响其它发电机的无功稳定性。为此, 励磁系统分配并联运行的发电机无功时, 还要考虑其稳定性和合理性, 这就要求励磁调节器具有调差功能。
母线电压水平及无功功率在机组之间的分配, 取决于发电机的电压调节特性即调差特性Ut=f( Q) , 一般来说, 发电机的调差特性是一条发电机端电压Ut随无功Q增加而下降的直线, 见图1-2的正调差系数K3, K0和K2分别表示零调差和负调差系数。
K2
K0
K3
K1
K2
Q
Ut

图1-2励磁调差特性图1-3并联运行机组调差特性
如果励磁调节器具有调差功能, 则发电机总的调差系数是发电机( 发变组) 的自然调差系数与励磁调差系数的代数和。由于自然调差系数不可变, 故发电机的总调差系数由励磁调差系数控制。若励磁调差系数为零, 比如退出调节器中的调差电路, 则发电机的调差特性就是自然调差特性, 其大小由发电机和变压器的电磁参数决定, 且变压器参数起主导作用; 若励磁调差系数为负, 如图1-2中的直线K2所示, 则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数减励磁调差系数的差; 若励磁调差系数为正, 如图1-2中的直线K1所示, 则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和。在这里之因此有加减之别, 其目的是在控制励磁调差系数大小情况下, 保证发电机调差特性向下倾斜, 因为只有具有正调差特性的发电机才能并联运行。对于单元接线的发电机系统来说, 若发变组的自然调差率很大, 励磁调差系数应选择负, 以补偿无功电流在主变上的压降; 若发变组的自然调差率很小, 励磁调差系数应选择正。对于扩大单元接线的发电机系统来说, 由于发电机的自然调差率很小, 为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配, 发电机必须具有基本一致的正调差特性, 这就要求励磁调差必须为正极性。图1-3是两台发电机并入电网后, 二者调差特性与无功分配关系, 图中Uto是两台发电机空载额定电压, Us母线电压, K1和K2是两台发电机各自的调差系数。这两台发电机并网后, 调节励磁电流, 其K1和K2直线平行上下移动, 所对应的无功Q1和Q2也随之改变, 而且相互不影响。
2.3.提高电力系统的稳定性
电力系统稳定可分为功角( 机电) 稳定、 电压稳定和频率稳定等。
功角稳定包括静态稳定、 动态稳定和暂态稳定。
励磁控制系统对静态稳定、 动态稳定和暂态稳定的改进, 都有显着的作用, 而且也是改进电力系统稳定的措施中, 最为简单、 经济而有效的措施。
3.励磁系统分类
同步电机励磁系统的分类方法有多种。主要的方法有两种, 即按同步电机励磁电源的提供方式分类和同步电机励磁电压响应速度分类两种分类方法。
按同步电机励磁电源的提供方式不同, 同步电机励磁系统能够分为: 一是直流励磁机励磁系统, 多用于中、 小型汽轮发电机组;二是交流励磁机励磁系统, 其中按功率整流是静止还是旋转的不同又可分为交流励磁机静止整流器励磁系统( 有刷) 和交流励磁机旋转整流器励磁系统( 无刷) 两种;三是静止励磁机励磁系统, 其中最具代表性的是自并励励关系统。
按同步电机励磁电压响应速度的不同, 同步电机励磁系统能够分为常规励磁系统、 快速励磁系统和高起始励磁系统。
3.1.按同步电机励磁电源提供方式分类
3.1.1.直流励磁机励磁系统
由直流发电机( 直流励磁机) 提供励磁电源的励磁系统叫直流励磁机励磁系统。它主要由直流励磁机和励磁调节器组成。早期的中小容量的同步电机的励磁调节器从发电机的PT(电压互感器)和CT( 电流互感器) 取得电源; 较大容量的同步电机的励磁调节器的电源有时经励磁变压器取自发电机端时, 此时, 励磁变压器也是主要组成部分( 图1-6) 。
直流励磁机主要采用由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式, 少数( 主要是备用励磁机) 为由异步电动机非同轴的拖动方式。直流励磁机的励磁方式, 主要有它励、 自并励和自励加它励三种方式。它励方式的直流励磁机的励磁全部由励磁调节器提供; 自并励方式的直流励磁机的励磁全部由直流励磁机本身提供, 励磁调节的任务是经过调节与励磁绕组相串联的电阻的大小来实现的; 自励加它励方式的直流励磁机的励磁, 一部分由励磁调节器提供, 一部分由直流励磁机本身提供。励磁调节器提供的励磁安-匝与总励磁安-匝之比称为自励系数。
由于直流励磁机是与主发电机同轴旋转, 对于汽轮发电机来说, 速度较高, 受换向器( 整流子) 的限制, 容量不能做得太大。中国生产的、 使用直流励磁机励磁系统的汽轮发电机的最大容量为125MW。对于水轮发电机来说, 速度较低, 直流励磁机的容量可能做得大一些, 中国生产的、 使用直流励磁机励磁系统的水轮发电机的最大容量达到300MW。随着电力电子技术的发展和在电力工业中的应用, 直流励磁机励磁系统, 中国新投产的100MW及以上的发电机已不再使用直流励磁机励磁系统了。

1-发电机定子4-灭磁电阻7-手动调节电阻
2-发电机励磁绕组5-直流励磁机8-强励开关
3-灭磁开关6-直流励磁机励磁绕组9-自动励磁调节器
图1-6直流励磁机励磁系统原理图
3.1.2.交流励磁机励磁系统
由交流发电机( 交流励磁机) 提供励磁电源的励磁系统叫交流励磁机励磁系统。交流励磁机为50～200Hz的三相交流发电机, 交流励磁机的三相交流电压经三相全波桥式整流装置整流后变为直流电压, 向同步发电机提供励磁。
交流励磁机的拖动方式为由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式。交流励磁机的励磁方式绝大部分为它励方式, 只有极少数采用复励( 有串激绕组) 方式。
根据整流装置采用的整流组件的不同, 交流励磁机励磁系统可分为交流励磁机不可控整流器励磁系统和交流励磁机可控整流器励磁系统。
3.2.励磁控调节器工作电源
制器软件为调节器供电的电源模块是发电厂专用的一体化开关电源, 能够交直流220V同时输入。直流输入为电厂直流电系统( 蓄电池供电) , 交流输入分别为厂用电和自用电( 有的电厂也采用双段厂用电供电) 。这样共有三路电源接入调节器屏。为了防止交流电系统和直流电系统互相干扰, 交流电源用了二个单相的隔离变压器。自用电的变压器变比是跟据机组的阳极电压确定的, 副边都是220V。厂用电的变压器变比是固定的( 380V/220V) , .输入为厂用电的AC相。
因为调节器的人机界面用的平板式工业电脑为厂用电220V输入, 因此一定要将厂用电的中性点接至端子B7.6
计算机模块中的开关电源为直流24V供电, 注意不要将直流COM和电源接地接错。
设计总结
经过2年的学习, 毕业设计是对所学知识的总结, 从毕业设计能够看出一个人的能力, 经过同步发电机励磁调节装置及其运行方式部分初步的设计, 对发电机励磁系统的知识有了更深一步的了解, 熟悉和掌握了励磁调节器的原理、 二次接线和运行方式内容, 培养了综合设计的能力以及发电机励磁系统的总体设计能力。
这次程设计给了我不少体会: 首先培养了自己根据课题需要选择参考书籍, 查阅手册, 图表和资料的能力, 锻炼了独立分析和解决问题的能力。加深了对励磁系统基本知识的理解, 提高了综合运用能力, 设计的每个环节都是密切联系的, 它锻炼了我严谨的科学的工作作风。
经过此次设计, 我深刻体会到知识的重要性, 以及理论与实践沟通分析和解决问题的能力、 动手实践能力和创新精神, 使我的知识得到了提到。今后会从一点一滴做起, 严格要求自己, 充分发扬吃苦耐劳的精神, 努力提高自己的学习水平。
由于经验不足, 及知识掌握深度不够, 课程设计中缺点和错误在所难免, 恳请老师批评指正。
参考文献
1.樊俊, 涂光瑜.同步发电机半导体励磁原理及应用.北京.电力工业出版社.1984.
2.朱振青.励磁控制与电力系统稳定.北京.电力出版社.1994
3.许实章主编.电机学.北京.机械工业出版社.1990.
4.孙元章.全数字式非线性最优励磁控制器的原理及应用.电力自动化设备.1999.
5.陈小明.励磁大功率整流柜及其应用.94年度励磁学术论文集.1994.
6.陈小明.发电机灭磁失败原因分析及改造措施.电力系统自动化.1999
7.许正亚主编.电力系统自动装置.北京.中国电力出版社, 1993
8.李宪彬.电力系统自动化.北京.中国电力出版社,