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淺談同步發電機自動勵磁調節作用

發布時間:2016-05-18 14:49所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

【摘要】當前,在電力系統中同步發電機勵磁系統主要是通過勵磁調節來充分發揮發電機的作以提高電力系統穩定性。且隨著電網的擴大,電網的穩定和安

  【摘要】當前,在電力系統中同步發電機勵磁系統主要是通過勵磁調節來充分發揮發電機的作以提高電力系統穩定性。且隨著電網的擴大,電網的穩定和安全運行的問題日益突出,因此,發電機勵磁系統自動勵磁調節作用在電力系統中的重要性也就愈來愈為人們所關注。

  【關鍵詞】自動勵磁 穩定調節 作用

  前言

  勵磁系統為同步發電機的重要組成部分,其直接影響發電機的運行特性,對電力系統的穩定安全的運行有者重要的影響。近年來國內大型發電機組應用自并勵磁系統的方式已經得到廣泛普及,因采用自并勵磁系統發電機組比采用無刷勵磁系統發電機組造價低,性能價格比高。

  一、自動勵磁調節系統的構成

  勵磁系統是供給同步發電機勵磁電源的一套系統,它一般由兩部分組成:一部分用于向發電機的磁場繞組提供直流電流,以建立直流磁場,通常稱作功率單元;另一部分用于在正常運行或發生故障時調節勵磁電流,以滿足安全運行的需要,通常稱作勵磁調節器。

  勵磁控制器的硬件結構已經從傳統的模擬式調節單元發展到了以微機計算機為核心的數字式,現階段16位機已經成為自此控制器CPU的主流,它的輸入信號來自電壓互感器和電流互感器,通過軟件調節輸入量去控制功率單元,數字式自動勵磁調節器借助其軟件優勢,在調節規律和輔助功能等方面可以有很大的靈活性,對應于軟件的勵磁控制方式也是從最初的比例控制發展到PID控制方式以及AVR+PSS控制方式,近年來線型最優控制和非線型勵磁控制理論已經得到了充分的眼界并在我國看是應用。

  二、同步發電機勵磁發展歷史和現狀

  控制理論的發展是由單變量到多變量,由線性到非線性,最終向智能控制方向邁進,勵磁控制規律也經歷了與之完全相適應的發展過程。

  勵磁控制器的控制規律研究一直是控制領域和電力系統一個極為活躍的課題。同步發電機的勵磁控制技術總是隨著控制理論的發展而發展的,控制理論的每一步發展都將引起同步發電機勵磁控制技術的突破。

  從20世紀40年代開始,勵磁控制規律主要經歷了以下幾個發展階段

  (1)古典勵磁控制

  首先從單機系統的分析和研究開始,提出了按機端電壓偏差調節的比例調節方式。由于比例調節方式是以電壓調節為主的單一調節方式,不能很好的滿足系統穩定以及穩態調壓精度等多方面的要求,于是人們提出了按電壓偏差調節的P(比例)——I(積分)——D(微分)調節方式。

  這種電壓調節方式的基本功能是調節發電機機端電壓和分配機組間無功功率,它在一定程度上提高了系統的靜態和暫態穩定性,但是仍然無法有效地解決其在調節精度和穩定性之間的矛盾。

  (2)強力式勵磁控制

  為了確保大型水輪發電機遠距離輸電穩定性和抑制電力系統低頻振蕩,前蘇聯專家在上世紀50年代末期研制了強力式勵磁調節器。這種勵磁調節器設計的基本思想是:利用與功率有關的多個參量進行綜合控制以阻止低頻功率振蕩和提高電力系統運行穩定性。但只適用于前蘇聯成員國內。

  (3)線性最優勵磁控制

  隨著線性最優控制技術的發展,為了進一步改善電力系統小干擾穩定性及其動態品質,20世紀70年代初國際上一些學者提出了線性最優勵磁方式。

  用線性最優控制技術設計的線性最優勵磁控制器具有很寬的適用范圍,能夠滿足電力系統運行方式變化的要求。從理論上講線性最優勵磁控制可以從根本上解決電力系統的多種模式振蕩問題,能取得比PSS更好的效果。

  (4)非線性勵磁控制

  電力系統是一個非線性動力系統,它的工作條件和運行狀態時刻都在發生變化,若想要真實地反映系統及其運行的狀況,系統的模型就必須選擇非線性的模型。非線性勵磁控制方式的研究也取得了令人矚目的成就,形成了一套獨特的設計方法.20世紀80年代末,根據非線性控制系統的微分幾何結構原理,提出了非線性勵磁控制器。

  (5)自適應勵磁控制

  自適應控制在電力系統中的應用研究始于20世紀80年代初,其目標是使控制系統自動跟蹤被控系統在運行過程中發生的結構、參數等的動態變化,不斷修正控制器參數或者調節控制策略以達到最佳控制。

  由于電力系統的電磁暫態過程變化很快,要求運算速度快,而自適應勵磁控制的計算量過大導致的運算速度緩慢使其在快速時變電力系統中的實際應用還存在一定的困難。

  (6)智能勵磁控制

  智能控制包括了:人工神經網絡控制、專家控制、模糊控制以及基于進化算法的控制等。他們的基本特點為不依賴于被控對象的精確數學模型,而是基于某種智能概念模型,將控制理論和人們的經驗與直覺推理相結合,具有處理非線性、自適應、并行計算、自學習、自組織等方面的能力。

  三、同步發電機自動勵磁系統的作用

  同步發電機運行時,不許再勵磁繞組中通入直流電流,以便建立磁場,這個電流成為勵磁電流,二供給電流的種鴿系統稱為勵磁系統。由于勵磁繞組又稱發電機轉子,故勵磁電流也叫轉子電流,

  在電力系統的運行中,同步發電機是電力系統的無功率主要來源之一,通過調節勵磁電流可以改變發電機的無功功率,維持發電機端電壓。無論在系統正常運行還是故障情況下,同步發電機的直流勵磁電流都需要控制,因此勵磁系統是同步發電機的重要組成部分,勵磁系統的安全運行,不僅與發電機及其相連的電力系統的運行經濟指標密切相關,而且于發電機及電力系統的運行穩定性密切相關。同步發電機勵磁系統主要有以下幾點作用

  1、無功分配

  在發電機負載運行時,根據負載的性質,空載電勢

 
同發電機端電壓
 
的關系發生了變化。當發電機帶感性負載時,電樞反應具有去磁性質,隨著負載的增加,
 
越來越小于
 
,這時為了維持
 
不變,必須增大勵磁電流;當發電機帶容性負載是,電樞反應具有助磁性質,隨著負載的增加,
 
越來越大于
 
,同樣為了維持
 
不變,必須減少勵磁電流。

 

  在發電廠中數臺發電機并網運行時,調節一臺發電機的勵磁電流,不僅會改變這臺機的無功,還要影響其他發電機的無功穩定性。所以,勵磁系統分配并聯運行的發電機無功時,還要考慮其穩定性和合理性,這就要求勵磁調節器具有調差功能。

  2、提高電力系統穩定性

  a提高靜態穩定性

  靜態穩定是指電力系統遭受小擾動之后,不發生自發振蕩和非周期失步,自動恢復到歧視運行狀態的能力。電力系統靜態穩定性高低,可以用輸電線路的輸送功率極限的大小來判斷,這也是勵磁裝置常用的靜態穩定性試驗方法。

  b提高暫態穩定性

  當電力系統遭受大德擾動后,發電機組或電廠之間聯系立即減弱,只有當系統具有較強的暫態穩定能力,才能是系統中各機組保持同步運行,因為現代繼電保護裝置的快速切除故障作用,勵磁自動控制系統對暫態穩定的影響一般不如對靜態穩定那樣顯著,但在一定條件下,也具有明顯的作用。

  3、電壓的控制

  電力系統在正常運行時,負荷總是根據用戶的變化經常波動的,同步發電機的功率也就隨之相應變化,隨著負荷的波動,需要勵磁電流進行調節以維持機端電壓或者系統中某一點的電壓在給定的水平上。

  在同步發電機空載運行中,轉自以同步轉速n旋轉時,勵磁電流產生的主要勵磁通Φ

 
切割N匝定子繞組感應出頻率為=
 
 
或者發電機的
 
的三相基波電勢,其有效值
 
同f,N,Φ
 
以及繞組系數k的關系:

 

  

 
fNΦ
 

 

  這樣,改變勵磁電流

 
以改變主磁通Φ
 
,空載電勢
 
值也會改變,兩者的關系就是發電機的空載特性
 
或者發電機的磁化特性Φ
 
=
 
。在發電機空載狀態下,空載電勢
 
就等于電壓
 
,改變勵磁電流也就改變了發電機端電壓。

 

  4、 改善電力系統的運行條件

  當電力系統處于各種非正常工作狀況,出現暫時低電壓是,勵磁系統應進行強行勵磁,使系統電壓迅速恢復,從而改善系統的運行條件。

  a水輪發電機組實行強行減磁

  由于水輪發電機調速裝置的慣性大,所以當發電機因故甩負荷的時候將超速可能導致危險的過電壓,嚴重時可以升高到危及定子絕緣的程度,在此情況下,勵磁裝置會進行強行減磁,避免產生危險過電壓。

  b為發電機失磁異步運行創造了條件

  在發電機由于各種原因失磁時,可以不退出運行,但要在吸收大量無功功率的條件下轉入異步運行,必將導致系統電壓下降,嚴重時甚至危及系統的安全運行,這時,若系統內正常運行機組的勵磁系統及時增加勵磁來提供足夠的無功功率,以保持系統電壓水平,那么失磁的發電機可以在允許時間內以異步運行的方式來維持運行,這不僅可以確保系統安全運行而且利于機組熱力設備的運行。

  c提高繼電保護動作的靈敏度和正確性

  當系統處于低負荷運行狀態時,發電機的勵磁電流不大,系統發生短路故障是,短路電流較小,且隨時間衰減,以致帶時限的繼電保護不能正確動作。若勵磁自動調節系統在系統發生短路后,實行強行勵磁,使短路電流水平變大,可提高帶時限動作的繼電保護裝置的靈敏度,從而也增加了保護動作的正確性,

  d改善點擊自啟動條件

  當系統短路時,電網電壓會降低,未切除的電動機組經常為此處于制動狀態。在短路切除以后,電動機自啟動時需吸收大量的無功功率,如此會延緩電壓恢復過程,以致可能甩負荷。如果勵磁裝置進行強行勵磁,就可以加速電網電壓的恢復,來有效地改善發動機的啟動條件。

  結語:由于近年來電網的飛速發展、電網規模的日益擴大對電力系統的安全穩定提出了更高的要求,所以同步發電機作為電力系統中的一個核心元件,其安全穩定運行對電網的安全穩定運行起著非常關鍵的作用,對其進行進一步的探索和研究具有非常重要而又急迫的現實意義。

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