协调下励磁限制和损失与发电机励磁继电器功能.doc

班别：11电气

学号: 1110617046

姓名：杨森评

协调下励磁限制和损失与发电机励磁继电器功能
摘要
本文简要回顾励磁限制器的协调问题，励磁继电器损失和发电机的能力。对发电机的能力限制地区领先的功率因数进行了讨论。并综述了目前的行业惯例和一些常见的设备选择设置，欠励调节器的设置。

关键词：励磁系统；励磁限制器；励磁继电器；信号发生器功能

第一章 介绍
励磁限制器的励磁系统自1940年代末以来，是用来吸收无功功率的发电机。这些早期的设备被设计的目的主要是为了消除稳态和振荡引起的稳定性问题。
随着现代电力系统扩大1940年代后,设计和操作成为稳定的影响需要克服的问题,形式的稳态稳定性限制,瞬态,干扰限制和振荡或小信号的限制。在1950年代和60年代公用事业和制造商回应这些问题通过引入连续电压调节器,高起始响应励磁系统和电力系统稳定器(PSS)。 这导致稳定性问题的缓解程度,在许多机组,没有实际限制发电机输出基于稳定约束。
稳定成为许多单位限制较少的限制,其他原因出现证明UELs在励磁系统的应用:定子末端过热的预防,预防不必要的操作，继电器的励磁损失和系统干扰。
即将到来的规定[3]将要求代运营商文档生成器之间的协调能力,激发限制器和保护继电器。这重新关注UELs的正确使用和设置。
介绍了发电机的简要总结能力,稳定的局限性和欠励限制器协调单位配备现代励磁系统,包括交流终端电压的影响协调励磁不足范围。

第二章 欠励的操作区域
这个问题与领先的功率因数相关操作常常误解了车站和操作人员。本节提供了一个简短的概述励磁不足是操作。
(1)操作励磁不足范围
发电机操作励磁不足范围下面的主要原因[4]:
1。基于调度帮助系统电压调整。
2。由于自动电压调节器(AVR)应对高电压系统。
3。励磁系统故障,导致激励显著减少,迫使单位深入励磁不足范围。此外,励磁系统故障在相邻单位,导致严重过度兴奋的操作,可以迫使一个单位吸收大量的无功功率。
4。电力系统扰动和恢复条件负荷水平大大降低。
在很多地方是罕见的单位与重大励磁不足故意操作在正常情况下无功输出。这部分是由于降低了稳定的利润但也经常操作的结果误解励磁不足地区可用的操作范围。

（2）管控要求
近年来有几个因素迫使发电机所有者来分析这个操作区域和文档的限制:
1。连接协议和/或商业电力购买协议(ppa)可能明确地规定一个最低反应能力。
2。即将到来的监管标准,要求发电机操作文档生成器之间的协调能力和欠励限制器和设置。虽然目前标准不规定这种协调的基础,基本的原则是所有的市场参与者都应该充分利用电力系统所有已安装设备的功能操作。这意味着发电机不应该过度的反应能力受到限制。
在这个新的环境显然是很重要的正确理解和文档的任何限制。

（3）励磁不足能力
发电机构造依照C50.12和C50.13(5、6)通常有能力操作至少领先0.95功率因数。必须解决的三个主要问题研究发电厂发电机的稳态和干扰操作励磁不足范围如下:
1。加热增加定子末端由于电枢漏通量和其他组件
2。稳定的利润减少
3。增加继电器励磁损失的无意操作的风险
一个或多个这些问题通常会征收的实际限制容许励磁不足操作范围大型转子发电机。由于差异,相关的限制不那么重要转子发电机使用在大多数水电安装。
限制与末端过热轮转子机良好的文档记录,通常明确规定的发电机制造商。漏通量的定子铁芯磁饱和过度兴奋引起的操作通常是有限的。极端励磁不足条件,增加了电枢漏通量末端可以产生大的涡流自通量垂直于定子叠片结构。这可以实施的一个重要限制励磁不足操作老转子机器的结构材料用于维护压力的核心目的和定子的牙齿构造磁性材料[7]。即使在新的转子机器这一现象通常是励磁不足范围的限制因素。
大多数大型转子发电机有多个评级根据冷却条件,包括冷却液温度(如空气)或冷却剂的压力(如氢气)。反应能力和协调通常是根据额定冷却条件。在这种情况下,永久等级已知存在,实际操作条件应考虑在报道能力和选择限制器和继电器的设置。
稳定和保护协调问题不太理解和下一节的主题。

第三章 稳定和保护的协调问题
本节的重点是励磁不足范围和稳定性之间的关系和选择,在选择LOE继电器设置。
（1） 稳定的要素
操作与固定激发(即手动控制)、发电机往往成为不稳定的激励降低,因为减少阻尼和同步转矩。历史上的稳定状态稳定极限(SSSL)已经被用来描述操作的边界与积极的同步转矩[8]。一些制造商和发电机所有者计算的近似特征的处方或PQ操作飞机,打算代表点转子角等于90°相对于传输系统高压总线。执行的计算通常是使用以下简单的假设:
•单元操作与恒磁场(即手动)
•卓越忽略
•饱和效应忽略
•外阻抗估计
最常见的方法呈现稳态稳定性的限制(SSSL)图形。提出了限制作为一个半圆策划的能力[8]曲线具有以下特点:
中心:
半径:

XE 总从机终端外部电抗估计“无限汇流排”
XD发电机同步阻抗和所有数量都表示在单位。
VT 发电机交流终端电压
外部电抗的值可以改变输电线路中断,所以这个值需要选择为了执行计算。在参考[9]推荐的程序是计算外部电抗与最强的连接传输线报废的保守。这一限制的一个例子是显示在图1中描述的发电机和系统附录a对于这个场景SSSL特性计算的基础上简化方程构成重大限制,特别是在高负载水平。特点是重新计算考虑饱和效应导致第二个跟踪(坐)。

图3-1 SSSL计算
SSSL作为指导原则是合理的使用时第一个发达,因为电脑不可以准确地计算多机电力系统的稳定边界。同时,很多单位都与固定字段或间断电压调节器,相当于同样的事情对同步的影响,阻尼力矩。几乎没有理由使用这种方法在现代电力系统发电机的最新计算工具和数据库模型允许精确估计的实用稳定性的限制。几乎所有大型单位配备了自动电压调节器(AVRs)服务来增加同步转矩对于大多数实际的操作条件。添加连续动作g调压器的影响与温和的获得也如图1所示。AVR的作用是消除在较高的负载级别的重大限制。
数字励磁系统安装在大型单位在过去的几年里通常配备冗余AVR控制。基于目前的监管要求,传输系统运营商必须通知每当单位操作手动励磁控制。这是他们的责任在这一点上识别出任何稳定约束。这些因素大大减少操作与手动励磁控制的可能性。
在许多情况下,瞬态,振荡和电压稳定问题可能比稳态限制更严格的讨论到这一点,特别是在较高的负载水平。分析这些问题需要传输系统的详细模型、发电机、励磁系统和电力系统稳定器。显然这是传输系统运营商的领域,这就是为什么稳定特征应该被排除在现代无功能力曲线。尽管如此,一些发电机制造商、所有者和保护继电器专家继续包括SSSL协调运动。

（2） 失磁保护协调
传统失磁()保护已经被结合励磁机启动提供保护(如。 无意字段断路器打开)和mho-type继电器。阻抗继电器可能结合定向单位和低压元素在系统干扰减少误操作的可能性。
文献[10]讨论了正常的方法选择设置基于阻抗元素。最受欢迎的例子总结如下:
1。单个欧姆阻抗元素是用于抵消起源下面一半的发电机瞬态阻抗(X / 2)。设置直径等于d-axis同步电抗Xd,和0.5 2秒的延时。凸极单位与Xd小于1.0 pu、pu直径可能被设置为1.0。
2。一双欧姆阻抗特点如下抵消原点一半的发电机的瞬态阻抗(X / 2)。第一个区(Z1)设置直径1.0 pu和短时间延迟(例如0.1)。第二区(Z2)
设置直径等于d-axis同步电抗Xd,和0.5 2秒的延时。凸极机,第一个区域可以设置直径等于纵轴同步电抗的一小部分,例如0.75 * Xd。
3。一双欧姆阻抗特点是使用Z1设置如上所述,可能达到相当于Xd的110%。第二个区域设置积极抵消。继电器的特点将包围PQ的起源
飞机。计算偏移量,达到协调与SSSL或欧端部限制。减少错误绊倒的可能性,该区域必须监督方向和欠压元素。
前两种方法只是为了识别真正的激励失败和图2描述了一个例子欧端部加热曲线。

图 3-2 LOE特点1和2
第三种方法,如图3所示,LOE元素不再是被用来检测失去励磁而是旅行操作欧端部加热或计算稳定极限以下。尽管监管,这就增加了虚假旅行的可能性在正常系统操作或电力系统扰动后恢复的波动。
协调第三特征通常需要非常保守的欠励限制器设置实施重大限制励磁不足范围。这反过来会导致高得令人无法接受的电压在系统扰动条件和交互与其他控制和限制。

图3-3 LOE特点3
最终是发电机所有者必须决定要使用的标准建立的LOE继电器和欠励限制器设置单位。以下内容简要讨论小节展示协调所需的过程。

第四章 在励磁限制器的设计考虑
UELs一直作为选项与励磁系统最早可以追溯到连续动作g监管机构在1900年代早期开发的。因此,有一个大变化在设计细节和功能在操作系统上发现今天的电力系统。尽管他们的潜在重要性的动态操作单元励磁不足范围UELs最近才被纳入大规模电力系统模拟使用模型由行业标准组织[11]。
（1） UEL静态特征
IEEE[12]分类基于最常见的三种实现欠励限制器特征:圆,直线或多节的直线(分段线性)。图4展示了这些设置协调能力曲线的一个例子。环形和线性特征是经常发现在老磁或模拟电子技术电压调节器分段线性特征往往可以在数字系统中查找表。后者设计提供最灵活的裁剪限制匹配机器的局限性。

图4-1 UEL特性曲线
一旦发电机的操作点低于所选择的特点,欠励调节器输出将增加励磁。UELs可以作为“加法”限制器作为一个额外的输入AVR的参考,或“接管”限值器控制励磁和块AVR的影响或电力系统稳定器。如果限制器的输出成正比的区别设置点和测量无功功率、稳态有限值可能超出所选操作特点和监管效果必须考虑在选择限制之间的优势和能力。积分或PI控制设计将迫使操作回所选择的特征没有显著的错误。
（2） UEL动态响应和协调
当欠励限制器设备的目的是防止不稳定或疏忽继电器操作时,必须考虑动态响应。在几乎没有利润的情况下欠励限制器和之间的特点,欠励限制器必须提供快速的动态响应。
激发下限值器通常有一个有限的范围可调设置动态性能调优。这些限值器通常是调整线,使用继电器测试集注入电流和电压信号设备以设定其操作水平。这种优化方法没有透露不稳定问题。图5显示了一个极端的例子性能的欠励限制器在196 MVA蒸汽涡轮发电机。欠励限制器开始运作时,驱动单元为不稳定转子角振荡。这个单位被成功如图6所示。响应是非常稳定,但说明了典型的时间响应与这些设备有关。欠励限制器行为恢复单元的无功功率选定的操作水平,但它在很长一段时间,和重要的超调量静态特性。

图4-2 励磁限制器响应

图4-3 励磁限制器响应反应
图4-4显示了一个示例励磁不足范围圆柱形转子发电机的性能曲线。LOE的特点已经将大约按照发电机供应商的励磁不足范围能力与定向单位设置为防止脱扣上面13°。在励磁限制器被设置为配合继电器保证金。虽然这应该由一个欠压单位监管,这不是普遍的,在这些情况下有重大错误绊倒的危险。

图4-4 发电机启动能力曲线
欠励限制器之间的差距,LOE是10%的额定MVA,出现的典型的价值和一个适合所有级别的有功功率。
综述的稳态特征是不完整的,然而,对系统扰动的响应做了演示。单位受到干扰,导致一个稳定的秋千和一个新单元的无功功率落定,低post-disturbance级别,如图8所示。没有欠励限制器,无功功率水平低于操作水平,这将导致一个旅行。配备了欠励限制器时,稳态无功功率将LOE之外的操作特点,然而瞬态响应是在。约2.5秒后,欠励限制器行动恢复安全水平的无功功率。

图 4-5 有和没有欠励限制器单元反应

图 4-6 阻抗轨迹发生器的明显
欠励限制器扰动情况的时机行动是阻抗图所示,图9。明显的阻抗轨迹花费在2.5秒内的阻抗圆和低于定向的特点。与典型的LOE延迟值这将导致旅行尽管单元将会保持稳定。这说明了
必要性审查欠励限制器的动态响应和的时机,以及稳态水平,以确保提供足够的保证金。

（3）协调电压依赖的影响
电压依赖的各种限制励磁不足范围可以讨论基于电压指数,NV,适用于范围如下:
P=
Q=
实际的极限点(P,Q)在一个定义电压决定从操作点额定电压(鼓起,QLIM)。
操作电压的影响的各种能力曲线和限制必须包含在任何分析的协调。如果电压相关的励磁限制器一样是最严格的曲线然后为额定电压协调条件将适用于其他操作电压。如果不过电压相关的是不同的,那么可能需要额外的分析是必需的和额外的保证金占这种效果。
下面列出了可能的相关性以及它们的最常见的现象:
•(NV = 0)。这适用于激发限值器有源和无功功率测量和用于计算没有故意的限幅器输出电压缩放。
•比例(NV = 1)。这适用于励磁限制使用有源和无功电流作为输入。这也通常适用于欧端部加热
限制自热效应欠励的电流成正比。制造商应该咨询证实了这一点。
•的平方(NV = 2)。这适用于基于阻抗继电器,大多数计算稳态稳定性限制和励磁限制器,操作基于阻抗特性。
在新的励磁系统用户通常可以选择限制的电压相关的基于以下公式:
Q=
函数,f(),表示额定电压的静态特性限制条件。下面的选择应该在选择系数:
•NV = 2,继电器或稳态稳定性最严格
•NV = 1,欧端部加热限制最严格
依赖的情况下不能编程,协调应验证电压在95%和105%之间确认设置选择额定电压不重叠。协调甚至可能不得不被验证的范围90% - -110%在未来为了确认遵守即将电压ride-through需求[13]。效果如图10所示的情况下,电压已增至105%。限制在额定电压一直保留在更高的电压曲线和相应的限制与粗线所示。在极端情况下,极限曲线可能不再正确与限制因素相协调,需要追加保证金。

图 4-7 电压对励磁不足范围限制的影响

（4）温度对协调的效果
更新的励磁系统的共同特征是校准的限值器基于一个外部冷却压力或温度的测量。这可能是有用的在欠励限制器协调欧端部加热特性的发电机,由于制造商通常会提供多个基于冷却曲线。信号成正比的冷却条件连接到励磁机作为一个模拟电压或电流,或一个离散的接触是用来表示某一阈值时交叉。励磁机逻辑可以切换不同限幅器的特征,每一个适合的冷却条件。
励磁系统只允许一个限制,所有者必须选择相对应的条件和能力曲线,将被用于选择欠励限制器设置。一些用户使用额定工作压力,而一些提倡使用[9]最低压力,可用于操作单元。尽管后者的方法是保守的,它可能不实用,因为当结合一些设置保证金可能导致励磁不足范围非常严格的限制。

第五章 协调的过程和资料
从前面讨论应该明显,妥善协调UELs发生器功能和保护继电器设置需要大量的分析。这个过程总结如下:
1。获得发电机制造商的能力曲线选择冷却条件和额定终端电压条件。
2。对于转子机器,确定冷却条件需要考虑的范围。选择欧端部特性(s)用于基于UELs交换能力和协调内部实践。
3。最近获得所有继电器设置和校准表。这些特征在PQ操作飞机的阴谋。
4。如果稳定的考虑纳入分析,联系指导的传播算子。如果无法获得合理的稳定极限通过这种方式,列出你的假设用于计算。添加稳定极限曲线的欠励的部分能力曲线只有它是用于协调。
5。添加任何适当的励磁电流的曲线或自激。
6。选择最严格的特点进行协调。
7。选择适当的保证金水平基于本文中描述的各种因素。
8。计算所需的欠励限制器静态特性使用励磁机制造商的可用选项。
决定需要多少保证金之间的欠励限制器特点和最严格的保护和发电机的功能特性是复杂的如本文所述。值从5%到20%不等的常见的行业,但是这应该是选择的基础上考虑记录在前面的部分。如果配合LOE的特点是一个问题,应该使用一个动态仿真来确认适当的利润率已被选为所有可信的突发事件。

第六章 参考文献
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14。 齿轮比波鲁波说,L.M. ericsson Hajagos M.R.福格蒂。 发电机控制测试,以证明活性鲍威

附录 A 实例参数
发电机:
500伏安,20千伏,单位所有阻抗表示
Xd = 1.8,Xq = 1.8,X = 0.3,X 'q = 0.65 X”d = 0.23,X“q = 0.25
T 'd0 = 8.0,T 'q0 = 1.0,T“d0 = 0.03,T = 0.07
Ra = 0.003
励磁机:
卡= 50pu Efd / pu Etref
网络:
变压器= 0.15pu
输电线路= 0.3pu

作者简历
g .罗杰·波鲁波说在蒙特利尔麦吉尔大学毕业,加拿大,B.Eng.和M.Eng。在电气工程分别于1981年和1982年。自1986年以来,他一直主要的建模、测试和开发的同步发电机励磁和调速控制。他是一个注册专业工程师在安大略省和IEEE PES的成员。电子邮件:roger@
莱斯·m·Hajagos B.A.Sc收到。 在1985年和他的M.A.Sc。 从1987年多伦多大学。自1988年以来他一直主要集中在分析、设计、测试和造型的发电机,发电机和电力系统控制设备和电力系统负荷。他是注册专业工程师在安大略省和IEEE PES的活跃成员主席发电机模型的验证和励磁系统性能和造型任务部队。电子邮件:les@

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