,發電機勵磁系統作用及分類 國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司 二00九年三月,1、勵磁系統的作用,2、勵磁系統的基本分類,(1) 勵磁系統的作用,維持發電機或其他控制點的電壓在給定水平 控制并聯運行機組無功功率的合理分配 提高電力系統的穩定性,勵磁系統的作用,(1) 勵磁系統的作用,維持發電機或其他控制點的電壓在給定水平,保證電力系統運行設備的安全。,提高維持發電機電壓能力的要求和 提高電力系統穩定性的要求在許多方面 是一致的。,保證發電機運行的經濟性。,控制并聯運行機組無功功率的合理分配,發電機電壓調差率 在自動勵磁調節器調差單元投入、電壓給定值固定、功率因數為零的情況下，發電機無功電流從零變化到額定時，用發電機額定電壓的百分數表示的發電機端電壓變化率 發電機電壓調差率按下式計算： D(%)=(Ug0-Ug)/Ug100% 式中 Ug0 -發電機無功電流等于零時的電壓 Ug -發電機無功電流等于額定無功電流時的電壓,(1) 勵磁系統的作用,控制并聯運行機組無功功率的合理分配,發變組單元高壓側并聯： 變壓器電抗調差（正調差）+ 發電機調差（負調差） 坑口電站： 長輸電線路調差（正調差）+ 發電機調差（負調差） 兩機一變擴大單元接線： 發電機正調差，調差率較大,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,靜態穩定性,動態穩定性,暫態穩定性,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,發電機輸出電磁功率,發電機功角向量圖,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,傳輸功率的大小與相位角密切相關，稱為“功角”或“功率角”。,傳輸功率與功角的關系，稱為“功角特性”或“功率特性”。,功角除了表征系統的電磁關系之外，還表明了各發電機轉子之間的相對位置。,角就是感應電勢Eq和電網電壓U之間的夾角，也稱為“功角”或“功率角”。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,角是表征電力系統穩定性最重要的量，功角失穩指系統中各發電機之間的相對功角失去穩定性的現象。,正常情況下，系統中各發電機以相同速度旋轉，機間相對轉子角度維持恒定，即處于同步運行狀態，從而保證系統中任何節點的電壓幅值和頻率以及任何線路的傳輸功率為恒定值。 如果系統在運行過程中受到某種干擾，干擾的影響將通過互聯的電力網絡傳到各發電機節點，并使發電機的輸出電功率相應發生改變，結果是使得在擾動瞬間各發電機的機械輸入轉矩和輸出的電磁轉矩失去平衡，出現發電機轉子不同程度的加速或減速，并導致各發電機之間轉子相對角的變化。 如這種轉子角度的變化過程是隨時間衰減的，并能最終恢復到擾動出現前的正常值或達到一個新的穩態值，則認為在這種運行方式和擾動形式下系統是功角穩定的。 如果這種轉子角度的變化隨時間而加劇，并最終導致發電機間失去同步，則認為系統在該運行方式下對這種擾動形式是功角不穩定的。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統靜態穩定性 (Steady Stability) 電力系統靜態穩定性是指電力系統受到小干擾后，不發生非周期性的失步，自動恢復到起始運行狀態的能力。 靜態穩定研究的是電力系統在某一運行方式下受到微小干擾時的穩定性問題。假設在電力系統中有一個瞬時性小干擾，如果在擾動消失后系統能夠恢復到原始的運行狀態，則系統在該運行方式下是靜態穩定的，否則系統是靜態不穩定的。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統靜態穩定性的判據是發電機輸出電磁功率對功角的微分dPe/d是否大于0 。,如左圖所示，采用了自動勵磁調節的發電機靜態穩定運行的最大電磁功率和最大功率角都有提高。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,左圖中，橫坐標是功率角，縱坐標是電壓放大系數。在同一轉子功角下,隨電磁時間常數Te增加,為保證發電機穩定運行所允許的電壓放大系數增加;在同一Te下,隨轉子功角的增加所允許的電壓放大系數減少。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統暫態穩定性 (Transient Stability) 電力系統暫態穩定是指電力系統受到大干擾后，各同步發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定方式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失步。 如果電力系統在某一運行方式下受到某種形式的大擾動，經過一個機電暫態過程后能夠恢復到原始的穩態運行方式或過渡到一個新的穩態運行方式，則認為系統在這種情況下是暫態穩定的。暫態穩定性不僅與系統在擾動前的運行方式有關，而且與擾動的類型、地點及持續時間有關。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統暫態穩定性的判據是等面積定則。,左圖的功率曲線中，當功率角從1變化到2時，PT與P3之間的面積正比于轉子動能的變化量。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,等面積定則的具體內容,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,等面積定則的具體內容,等面積定則： 減速面積和加速面積如圖所示。 如圖（a）減速面積加速面積，臨界穩定； 如圖（b）減速面積加速面積，穩定； 如圖（c）減速面積加速面積，不穩定。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,提高暫態穩定性的方法就要減小加速面積或增大減速面積，具體說來有以下三種方法：,加快故障切除時間 提高勵磁系統勵磁電壓響應比 提高強行勵磁電壓倍數,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,提高暫態穩定性對于勵磁系統而言，就是要提高勵磁系統勵磁電壓響應比和提高強行勵磁電壓倍數。,提高勵磁系統勵磁電壓響應比 加快勵磁系統電壓響應時間，即從施加階躍信號起，勵磁電壓達到頂值電壓與額定勵磁電壓差的95%的瞬間的時間。 提高強行勵磁電壓倍數 提高勵磁系統電壓響應比，即由勵磁系統電壓響應曲線確定的勵磁系統輸出電壓的增量除以額定磁場電壓。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統動態穩定性 (Dynamic Stability) 電力系統動態穩定是指電力系統受到干擾后，不發生振幅不斷增長的振蕩而失步的能力。 擾動后系統在第一或第二振蕩周期內不失步(即保持了暫態穩定性)，但可能由于自動調節裝置的配置不合適或其他因素，后續的振蕩周期幅值不斷增大并造成失步。動態穩定問題實際上是指系統在受到小的或大的擾動后，在自動調節裝置和自動控制裝置的影響下，保持長過程運行穩定性的能力。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統動態穩定性目前的主要問題是對系統低頻振蕩的抑制。低頻振蕩是發生在弱聯系的互聯電網之間或發電機群與電網之間，或發電機群與發電機群之間的一種有功振蕩，其振蕩頻率在0.1-2.5Hz之間。其原因有： 系統弱阻尼時，受到擾動功率振蕩長久不能平息 系統負阻尼時，系統發生擾動而振蕩或系統發生自激 系統振蕩模與某種功率波動的頻率相同，且由于弱阻尼，引起特殊的強迫振蕩 由發電機轉速變化引起的電磁力矩變化和電氣回路耦合產生的機電振蕩,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,勵磁控制系統對動態穩定的影響,電力系統的固有自然阻尼小，而使用快速勵磁調節器或使用自并激可控硅快速勵磁系統，又削弱了系統阻尼，甚至使系統產生負阻尼。為了抑制低頻振蕩，在勵磁系統中加入了電力系統穩定器（PSS）。 電力系統穩定器(PSS)的作用是：利用附加控制，產生附加阻尼轉矩，增加正阻尼抑制低頻振蕩。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,勵磁控制系統對動態穩定的影響 Ut=K5+K6Eq 當K5 0，Mex=DAW+KA 可知： 勵磁調節器放大倍數越大， KA越大， Mex幅值越大，負阻尼也越大 勵磁調節器響應越快，KA越大， Mex幅值越大，負阻尼也越大,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,電力系統穩定器PSS的實現 附加控制輸入一個與低頻振蕩相關的電氣量，如-Pe等。經過超前或滯后的相位校正，增益放大，疊加到勵磁調節環節，該附加控制分量在發電機中產生一附加轉矩，使與同相。從而產生正阻尼，抑制發電機的低頻振蕩。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,PSS1A型電力系統穩定器,常用的穩定器輸入信號是轉速、頻率或功率。 T6用于表示了變送器時間常數，穩定器增益KS，信號沖洗(Washout 隔直)由時間常數T5設置。下一方塊中A1和A2允許高頻扭振濾波器（有些穩定器用）的一些低頻效應被計入。隨后的2個方塊可允許2級領前一滯后補償，用常數T1到T4設置。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,PSS2A型電力系統穩定器,常用的穩定器輸入信號是轉速、頻率或功率。南瑞集團電控公司選用的為功率和頻率。 函數的結構和作用大致與PSS1A模型相同。,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,PSS2A型試驗錄波曲線,(1) 勵磁系統的作用,提高電力系統的穩定性,PSS2A型試驗錄波曲線,(1) 勵磁系統的作用,1、勵磁系統的作用,2、勵磁系統的基本分類,(2) 勵磁系統的基本分類,他勵交流勵磁機系統 三機他勵勵磁系統 兩機他勵勵磁系統 兩機一變勵磁系統 無刷勵磁系統 自并勵勵磁系統（主流） 其它勵磁系統 P棒勵磁系統 直流勵磁機勵磁系統 諧波勵磁系統,勵磁系統的基本分類,他勵交流勵磁機系統,(2) 勵磁系統的基本分類,三機他勵勵磁系統,他勵交流勵磁機系統,兩機他勵勵磁系統,(2) 勵磁系統的基本分類,他勵交流勵磁機系統,兩機一變勵磁系統,(2) 勵磁系統的基本分類,他勵交流勵磁機系統,無刷勵磁系統,(2) 勵磁系統的基本分類,交流他勵系統總體說來具有勵磁電壓穩定，不受電網影響的優點，但是相比自勵系統響應仍然較慢，而且維護復雜。,對其評價,(2) 勵磁系統的基本分類,自并勵勵磁系統,自并勵勵磁系統,(2) 勵磁系統的基本分類,自勵系統尤其是自并勵系統，結構簡單，響應快速。但是長期以來被認為在電力系統短路故障時尤其是三相短路時無法支撐起電網電壓。但是近年來隨著封閉母線的大規模運用和控制理論的成熟，已經成為主流勵磁機型。,對其評價,(2) 勵磁系統的基本分類,1 P棒勵磁系統 2 直流勵磁機勵磁系統 3 諧波勵磁系統,其它勵磁系統,(2) 勵磁系統的基本分類,其它勵磁系統,P棒勵磁系統,(2) 勵磁系統的基本分類,其它勵磁系統,P棒勵磁系統,即在發電機定子槽內另嵌一組勵磁專用的線棒，但其輸出仍要接至整流變壓器上。究其原因是發電機短路時，P棒有一定電流復勵磁能力，對維持故障時機端電壓有利，該系統功率電路有的還采用三相半控可控硅整流橋，比較落后，無法采用逆變滅磁。（例如華能上安