同步發電機勵磁控制系統構成與基本要求
發布時間：2023-11-06 點擊：156
性能特點和作用說明
同步發電機勵磁控制系統構成與基本要求
一、同步發電機勵磁控制系統構成
電力系統中運行的同步發電機，其運行特性與空載電動勢eq密切相關，而空載電動勢eq是發電機勵磁電流ifd的函數（發電機的空載特性），所以改變勵磁電流就可改變同步發電機在系統中的運行特性。因此，對同步發電機勵磁電流進行調節是同步發電機運行中的一個重要內容。實際上，同步發電機在正常運行、系統發生故障情況下，勵磁電流都要進行調節。發電機正常運行進行勵磁電流調節，可維持機端電壓或系統中某點電壓水平，并使機組間無功功率達到合理分配；系統發生故障情況下的勵磁電流調節，可提高系統運行穩定性。因此，同步發電機勵磁電流進行自動調節，不僅可提高電能質量，合理分配機組間無功功率，而且還可提高系統運行穩定性。勵磁電流的自動調節是由同步發電機自動勵磁調節裝置實現的，勵磁調節裝置簡稱為aer（avr）。
同步發電機的勵磁調節系統是同步發電機的一個重要組成部分，它通常由兩部分組成：第一部分是勵磁功率單元，它向同步發電機的勵磁繞組提供可靠的直流勵磁電流；第二部分是勵磁調節器（avr），它根據發電機及電力系統運行的要求，自動調節控制勵磁功率單元輸出的勵磁電流。整個勵磁系統是由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機構成的一個反饋控制系統，如圖1所示。
圖1 同步發電機勵磁控制系統構成框圖
二、對勵磁控制系統的基本要求
1．對勵磁調節器的基本要求
（1）系統正常運行時，勵磁調節器應能反映發電機電壓高低以維持發電機電壓在給定水平。
（2）勵磁調節器應能合理分配機組的無功功率，為此，勵磁調節器應保證同步發電機端電壓調差系數可以在10％以內進行調整。
（3）勵磁調節器應能迅速反應系統故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態穩定和改善系統運行條件。
（4）具有較小的時間常數，能迅速響應輸入信息的變化。
（5）能正確反映發電機運行狀態，對過大勵磁和過小勵磁、過高電壓和過低頻率進行限制與控制。
2．對勵磁功率單元的要求
（1）要求勵磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調節容量
在電力系統運行中，發電機依靠勵磁電流的變化進行系統的電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁系統應具有足夠的調節容量，以適應電力系統中各種運行工況的要求。
（2）具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度
從改善電力系統的運行條件和提高電力系統暫態穩定性來看，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。強勵倍數與勵磁電壓響應比是反映勵磁系統強勵性能的兩項重要技術指標。
①勵磁頂值電壓（強勵倍數）
發電機的勵磁控制系統均應有強勵作用，即當機端電壓降低到一定程度時，為了提高電力系統暫態穩定性，以最快的速度將發電機的勵磁電壓升高到頂值。
勵磁頂值電壓是勵磁功率單元在強行勵磁期間可能提供的最高輸出電壓值ufd.max。該值與額定工況下勵磁電壓ufd.n之比為強勵倍數。
kq=ufd.max/ufd.n..................................(6-9)
強勵倍數高，可使eq升高，使輸出功率增加，從而增大減速轉矩，使功角δ擺動最大幅度減小，有利于暫態穩定。強勵倍數一般取1.6～2，它主要受到造價和結構的制約。
②勵磁電壓響應比
勵磁電壓響應比是說明發電機轉子磁場建立過程的粗略參數，反映了勵磁機磁場建立速度的快慢。
早期直流勵磁機勵磁系統將勵磁電壓在最初0.5s內上升的平均速度定義為勵磁電壓響應比，如圖2所示。即使圖中陰影部分的面積和δacb面積相等所確定的ac線的斜率。圖中取額定工況下的勵磁電壓值ufd.n為強行勵磁初始值，于是勵磁電壓響應比可以定義為
rp=(uc－ub)/ufd.n/0.5=2ucb*(1/s)..................................(6-10)
現在一般大容量機組往往采用快速勵磁系統，用響應時間作為動態性能評定指標。勵磁系統電壓響應時間是指：發電機勵磁電壓為額定勵磁電壓ufd.n，從施加階躍信號起至勵磁電壓達到0.95（ufd.max-ufd.n）所花費的時間，該時間一般要小于0.1s。快速勵磁系統勵磁電壓變化曲線如圖3所示。
圖2 直流勵磁機勵磁系統電壓變化曲線圖
圖3 快速勵磁系統電壓變化曲線圖
勵磁系統電壓響應時間小于或等于0.1s的勵磁系統，稱為高起始響應的勵磁系統。靜止晶閘管勵磁系統屬于高起始響應的勵磁系統。另外，對勵磁系統還要求應有足夠的強勵持續時間，采用晶閘管勵磁時，一般為10～20s；應有足夠的電壓調節精度與電壓調節范圍，應能保證同步發電機端電壓靜差率小于1％；當發電機內部故障或停機時，快速動作的滅磁性能可迅速將磁場減小到最低，保障發電機的安全。
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同步發電機的勵磁調節系統是同步發電機的一個重要組成部分，它通常由兩部分組成：第一部分是勵磁功率單元，它向同步發電機的勵磁繞組提供可靠的直流勵磁電流；第二部分是勵磁調節器（avr），它根據發電機及電力系統運行的要求，自動調節控制勵磁功率單元輸出的勵磁電流。整個勵磁系統是由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機構成的一個反饋控制系統，如圖1所示。
圖1 同步發電機勵磁控制系統構成框圖
二、對勵磁控制系統的基本要求
1．對勵磁調節器的基本要求
（1）系統正常運行時，勵磁調節器應能反映發電機電壓高低以維持發電機電壓在給定水平。
（2）勵磁調節器應能合理分配機組的無功功率，為此，勵磁調節器應保證同步發電機端電壓調差系數可以在10％以內進行調整。
（3）勵磁調節器應能迅速反應系統故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態穩定和改善系統運行條件。
（4）具有較小的時間常數，能迅速響應輸入信息的變化。
（5）能正確反映發電機運行狀態，對過大勵磁和過小勵磁、過高電壓和過低頻率進行限制與控制。
2．對勵磁功率單元的要求
（1）要求勵磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調節容量
在電力系統運行中，發電機依靠勵磁電流的變化進行系統的電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁系統應具有足夠的調節容量，以適應電力系統中各種運行工況的要求。
（2）具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度
從改善電力系統的運行條件和提高電力系統暫態穩定性來看，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。強勵倍數與勵磁電壓響應比是反映勵磁系統強勵性能的兩項重要技術指標。
①勵磁頂值電壓（強勵倍數）
發電機的勵磁控制系統均應有強勵作用，即當機端電壓降低到一定程度時，為了提高電力系統暫態穩定性，以最快的速度將發電機的勵磁電壓升高到頂值。
勵磁頂值電壓是勵磁功率單元在強行勵磁期間可能提供的最高輸出電壓值ufd.max。該值與額定工況下勵磁電壓ufd.n之比為強勵倍數。
kq=ufd.max/ufd.n..................................(6-9)
強勵倍數高，可使eq升高，使輸出功率增加，從而增大減速轉矩，使功角δ擺動最大幅度減小，有利于暫態穩定。強勵倍數一般取1.6～2，它主要受到造價和結構的制約。
②勵磁電壓響應比
勵磁電壓響應比是說明發電機轉子磁場建立過程的粗略參數，反映了勵磁機磁場建立速度的快慢。
早期直流勵磁機勵磁系統將勵磁電壓在最初0.5s內上升的平均速度定義為勵磁電壓響應比，如圖2所示。即使圖中陰影部分的面積和δacb面積相等所確定的ac線的斜率。圖中取額定工況下的勵磁電壓值ufd.n為強行勵磁初始值，于是勵磁電壓響應比可以定義為
rp=(uc－ub)/ufd.n/0.5=2ucb*(1/s)..................................(6-10)
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圖2 直流勵磁機勵磁系統電壓變化曲線圖
圖3 快速勵磁系統電壓變化曲線圖
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