【文章內(nèi)容簡介】 制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 1所示。它由同步發(fā)電機(jī)及其電壓互感器（ YH）、電流互感器（ LH）和勵磁系統(tǒng)組成的一個反饋自動控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是向發(fā)電機(jī)供給勵磁電流的系統(tǒng)，包括生產(chǎn)發(fā)電機(jī)勵磁電流的勵磁功率單元、自動勵磁調(diào)節(jié)器、手動調(diào)節(jié)部分以及滅磁、保護(hù)、監(jiān)視裝置和儀表等。自動勵磁調(diào)節(jié)器是根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓和電流的變化以及其它輸入信號，按事先確定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元輸出（勵磁）電流的自動裝置。第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求一、同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)的主要任務(wù)（一）、同步發(fā)電機(jī)的允許運行范圍EqnXdIN UNINUNEqnjINXdIq jIqx第一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運行受限條件定子繞組： IN為限 —S 園弧轉(zhuǎn)子繞組： 勵磁電流為限 —F 園弧原動機(jī)出力：額定有功功率 —BC 直線其它約束： 靜穩(wěn)、進(jìn)相導(dǎo)致漏磁引起溫升 —T 弧第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求在系統(tǒng)正常運行條件下，供給同步發(fā)電機(jī)所要求的勵磁功率，對于不同的負(fù)載情況，均應(yīng)能對勵磁電流自動調(diào)節(jié)，以維持機(jī)端或系統(tǒng)某點電壓在給定的水平。右圖為在 10s時突增一無功負(fù)荷 20s時切除時發(fā)電機(jī)各參數(shù)的變化仿真曲線，可見無功負(fù)荷增加時，勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出的勵磁電壓以滿足無功負(fù)荷要求，來維持機(jī)端電壓保持不變。二、同步發(fā)電機(jī)的進(jìn)相與調(diào)相運行進(jìn)相發(fā) 有功，吸收無功輸電線路長、電容大、輕載時電壓升高，需吸收無功 時，發(fā)電機(jī)從遲相轉(zhuǎn)為進(jìn)相， If越小， 越大靜穩(wěn)態(tài)儲備下降、端部嚴(yán)重發(fā)熱、影響出力調(diào)相只發(fā)或吸收無功調(diào)壓 需要水輪機(jī)低水位汽輪機(jī)處于檢修汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)很低第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求應(yīng)能保證并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)組的無功功率得到合理分配，因此對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性應(yīng)有一定的要求。0機(jī)組 1機(jī)組 2第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求 如果兩臺并聯(lián)運行機(jī)組中機(jī)組 I具有無差特性，機(jī)組并列運行時，其無功功率也可以確定分配，運行也是穩(wěn)定的。系統(tǒng)勵磁裝置調(diào)節(jié)的結(jié)果，將維持母線電壓 VI,機(jī)組 II的特性與VI的相交點，決定了機(jī)組 II所帶的無功負(fù)荷電流 IQ2,其余的無功則全部由機(jī)組 I承擔(dān)。當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷變動時，母線電壓仍然可以保持恒定值 VI ，機(jī)組 II無功負(fù)荷保持不變，而全部無功負(fù)荷的變動將由機(jī)組 I獨自承擔(dān)，這容易引起機(jī)組 I的過負(fù)荷。假如要使機(jī)組間的無功負(fù)荷重新分配，則可將機(jī)組 II的特性位置上移到 II’處，這時所帶無功負(fù)荷電流將增加為 I’Q2，而機(jī)組 I則承擔(dān)其余部分。如果希望改變母線電壓則要將機(jī)組 I的特性曲線上下移動。0機(jī)組 1機(jī)組 II機(jī)組 II’第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求 在運行中，假如需要重新分配發(fā)電廠中的無功負(fù)荷，可以手動調(diào)整某臺自動勵磁調(diào)節(jié)器裝置的給定電位器，便能使該機(jī)組的特性曲線上下移動。如果母線電壓偏差超過要求，希望只改變電壓整定，而不影響一個發(fā)電廠內(nèi)各機(jī)組間的無功分配時，則需要對各臺機(jī)組作同樣的調(diào)整。在正常運行及事故情況下，能提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定及動態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)電機(jī)裝有無失靈區(qū)的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置時，電機(jī)與系統(tǒng)間的功率角度可大于 90o，即進(jìn)入人工穩(wěn)定區(qū)運行，輸送的極限功率可以提高。在系統(tǒng)事故情況下，可以實行強(qiáng)勵，從而大大提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性能夠顯著改善電力系統(tǒng)的運行條件。由于水輪機(jī)的調(diào)速裝置不夠靈敏和迅速，所以水輪機(jī)的勵磁裝置應(yīng)能強(qiáng)行滅磁，以免發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時因超速而產(chǎn)生危險的過電壓。汽輪機(jī)因調(diào)速器比較靈敏，不易超速，可不作此項要求。第三節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和對它的基本要求二、對同步發(fā)電機(jī)自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的基本要求勵磁系統(tǒng)應(yīng)能保證發(fā)電機(jī)所要求的勵磁容量，并適當(dāng)留有裕度（電流、電壓各約 10％）。應(yīng)具有足夠大的強(qiáng)勵頂值電壓倍數(shù)及電壓上升速度。這是勵磁裝置兩項主要的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)滿足表 1所示的要求。根據(jù)運行的需要，應(yīng)有足夠的電壓調(diào)節(jié)范圍，裝置的電壓調(diào)差率亦應(yīng)能隨系統(tǒng)要求而改變。系統(tǒng)應(yīng)沒有失靈區(qū)，以保證電機(jī)能在人工穩(wěn)定區(qū)工作，所以裝置只有采用電磁式或電子式才能達(dá)到此要求。裝置本身應(yīng)簡單可靠，動作迅速，調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定。如果系統(tǒng)調(diào)節(jié)不夠穩(wěn)定時，必須采取有效的校正措施。第四節(jié)、同步發(fā)電機(jī)的勵磁自動控制系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī) 勵磁系統(tǒng)勵磁功率單元 自動勵磁調(diào)節(jié)器交流電源勵磁 直流電源勵磁機(jī)電式勵磁調(diào)節(jié)器 半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器 計算機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器交流電源 整流電路 它勵 自勵靜止 旋轉(zhuǎn)第四節(jié)、同步發(fā)電機(jī)的勵磁自動控制系統(tǒng)第四節(jié)、同步發(fā)電機(jī)的勵磁自動控制系統(tǒng)第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理基本結(jié)構(gòu) 隨著自動化技術(shù)的進(jìn)步，勵磁調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了電磁式、模擬半導(dǎo)體式和數(shù)字式等幾個發(fā)展階段。目前，電力系統(tǒng)中運行的勵磁調(diào)節(jié)器種類很多、類型各異，但就控制規(guī)律而言，絕大多數(shù)屬于比例式調(diào)節(jié)器，而且各種不同類型的比例式調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成也基本相同。圖中的輔助控制不是勵磁調(diào)節(jié)器的必備單元，只有大容量發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器才配備。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理工作原理正常狀態(tài)下系統(tǒng)工作在某個穩(wěn)定的工作點。當(dāng) UG升高時，經(jīng)過調(diào)差、測量環(huán)節(jié)的輸出 UC升高，測量比較單元輸出一個負(fù)的偏差電壓，將使 ILL變小從而使 IL變小，這樣可以降低UG；當(dāng) UG降低時，經(jīng)過調(diào)差、測量環(huán)節(jié)的輸出 UC降低，測量比較單元輸出一個正的偏差電壓，將使 ILL變大從而使 IL變大，這樣可以升高 UG；達(dá)到維持機(jī)端電壓基本不變的目的 第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 電壓測量比較單元電壓測量比較單元的基本作用是把發(fā)電機(jī)電壓變換為與其成正比的直流電壓，與給定電壓進(jìn)行比較，得到兩者的偏差。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 電路結(jié)構(gòu)正序電壓濾過器的作用是在電力系統(tǒng)的三相電壓不平衡時，輸出一個對稱的反映電壓水平的正序電壓，以提高測量單元的靈敏度。它并不是測量比較單元必須設(shè)置的環(huán)節(jié)。測量變壓器的作用是將從電壓互感器二次側(cè)來的電壓降低為適合于整流電路所需要的值。整流濾波的作用是將測量變壓器的副邊輸出的電壓變換成平穩(wěn)的直流電壓。 UC與 U’g成正比。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 比較整定電路比較整定電路的作用：（ 1）把測量輸出的電壓 UC與給定電壓 Ugd相比較，輸出一個表征發(fā)電機(jī)電壓與其給定值偏差的直流電壓 Ub；（ 2）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的給定值Ugd去調(diào)節(jié) Ub的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓或無功功率，可以就地手動調(diào)節(jié)，也可以遠(yuǎn)方手動調(diào)節(jié)或通過自動裝置調(diào)節(jié)。下圖是半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器中常用的一種比較整定電路，其中穩(wěn)壓管和電阻組成比較電路，電位器的作用是整定發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。電路中 R1＝ R2，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓相等。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 發(fā)電機(jī)電壓整定的原理發(fā)電機(jī)電壓整定是通過調(diào)整電位器 W 阻值 RW 實現(xiàn)的。設(shè)發(fā)電機(jī)運行在電壓 UG。與之對應(yīng)，比較電路輸出電壓 Ub＝ 0。如果這時調(diào)整 W ，使其阻值 RW 增加，則 RW 上的電壓降就會增加。由于改變 W 的阻值是在很短的時間內(nèi)完成的，在調(diào)整 W的阻值時發(fā)電機(jī)電壓是不變的， UC不會變化。這樣， RW 增加的結(jié)果會使 Uab↓→Ub ↓。 Ub下降會引起勵磁調(diào)節(jié)器各單元的動作，從而使發(fā)電機(jī)電壓 UG上升→ UC↑→Uab↑→Ub ↑。當(dāng)上升到 Ub≈0時，調(diào)節(jié)過程停止，發(fā)電機(jī)進(jìn)入新的穩(wěn)定點運行?？梢姡?dāng)增加 W 的電阻值的結(jié)果使發(fā)電機(jī)電壓升高。當(dāng)減少 W 的阻值時，調(diào)節(jié)過程與W 的阻值增加相反，可以使發(fā)電機(jī)電壓下降。這就是發(fā)電機(jī)電壓整定的原理。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 綜合放大單元 綜合放大單元的作用大各種勵磁控制信號。這些信號包括發(fā) 電機(jī)電壓偏差信號、電力系統(tǒng)穩(wěn)定信號以及低勵限制和過勵限制信號等。改善勵磁自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。輸出移相單元所需的輸入電壓。 對綜合放大單元的基本要求要求能線性無關(guān)地綜合、放大各輸入信號。 有足夠地運算精度和放大系數(shù)，放大系數(shù)可調(diào)。 響應(yīng)速度快，即時間常數(shù)要小 工作穩(wěn)定、輸出阻抗低。 輸出電壓范圍滿足移相觸發(fā)單元地要求。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 可控硅整流電路 可控硅整流電路的作用可控硅整流電路的作用是將交流電壓整流成直流電壓向發(fā)電機(jī)勵磁繞組或勵磁機(jī)勵磁繞組供給可控制的勵磁電流。勵磁調(diào)節(jié)器中使用的可控硅整流電路有三相半控式整流電路和三相全控式整流電路兩種。勵磁系統(tǒng)中還使用三相不可控整流電路，這種電路通常用于供給大型發(fā)電機(jī)勵磁電流。第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性一、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性是指在沒有人工參與調(diào)節(jié)的情況下，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)電流的無功分量之間的靜態(tài)特性。此特性通常稱為發(fā)電機(jī)外特性或電壓調(diào)節(jié)特性，也稱為電壓調(diào)差特性。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)差率的定義：在自動勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元投入、電壓給定值固定、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為零的情況下，發(fā)電機(jī)無功負(fù)荷從零變化到額定值時，用發(fā)電機(jī)額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化率。其計算公式為式中 UG1—— 發(fā)電機(jī)空載電壓， V； UG2—— 發(fā)電機(jī)帶額定無功負(fù)荷時的電壓， V； UGe—— 發(fā)電機(jī)額定電壓， V。 第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 其中 δT(%) 稱為發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率或者調(diào)差系數(shù)，同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)工作特性的三種類型：調(diào)差系數(shù)大于零稱為正調(diào)差，表示發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓隨無功電流的增大而下降；調(diào)差系數(shù)小于零稱為負(fù)調(diào)差，表示發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓隨無功電流的增大而上升； 調(diào)差系數(shù)等于零是稱為無差特性，表示發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓不隨無功電流變化，而保持恒定值。第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元調(diào)差單元的接線可分為單相、兩相和三相三種方式。下圖所示為兩相式調(diào)差單元，以其為例分析調(diào)差單元的基本工作原理。由圖可得下式：第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性當(dāng)發(fā)電機(jī)帶純無功負(fù)荷，即cosΨ =0o， Ψ=90 o時，按上式作出的相量圖如圖所示。由圖看出，在 cosΨ =0o 時。勵磁調(diào)節(jié)器中增加調(diào)差單元之后，輸入勵磁調(diào)節(jié)器測量比較單元的電壓 U’a、 U’b和 U’c會隨發(fā)電機(jī)電流的增加而增加。按照勵磁系統(tǒng)的工作特性，當(dāng)U’a、 U’b和 U’c 增加時勵磁系統(tǒng)會自動地減少發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使發(fā)電機(jī)電壓下降。于是就形成了下斜的發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性。第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 當(dāng)發(fā)電機(jī)帶純無功負(fù)荷，即 cosΨ =0o， Ψ=90 o時時，按上式作出的相量圖如圖 b所示。由圖 b看出，在 cosΨ =0o時。勵磁調(diào)節(jié)器中增加調(diào)差單元之后，輸入勵磁調(diào)節(jié)器測量比較單元的電壓 U’a、 U’b和 U’c 基本上不隨發(fā)電機(jī)電流的增加而變化，只是將原來由 Ua、 Ub和 Uc組成的電壓三角形以 Ub為圓心逆時針轉(zhuǎn)動了一個不大的角度。這樣，按照勵磁系統(tǒng)的工作特性，發(fā)電機(jī)的勵磁電流和機(jī)端電壓將不隨發(fā)電機(jī)有功電流的變化而變化。綜合圖 a和圖 b可看出，勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元只反映發(fā)電機(jī)無功功率的變化而基本不反映有功功率的變化。第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性二、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)特性 同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性是指在外界干擾信號作用下，該系統(tǒng)從一個穩(wěn)定工作狀態(tài)變化到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的時間響應(yīng)特性。 同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)是一個反饋自動控制系統(tǒng)。一個自動控制系統(tǒng)首先應(yīng)該是穩(wěn)定的，這是該系統(tǒng)能夠運行的前提；其次應(yīng)該既有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性。分析同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，首先應(yīng)求出描述系統(tǒng)運動特性的數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用 “自動控制理論 ”對動態(tài)特性進(jìn)行分析。下面就以某勵磁系統(tǒng)為例利用MATLAB對勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： 經(jīng)過分析，將各個單元的傳遞函數(shù)聯(lián)接起來，就得出 300MW 水輪發(fā)電機(jī)自并勵可控硅勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖。第六節(jié)、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 對上述傳遞函數(shù)框圖模型可以應(yīng)用 MATLAB進(jìn)行仿真分析，可以考察各個參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響。 將各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)簡化后可以寫出其整個控制系統(tǒng)的簡化傳遞函數(shù)，