Name: voltage regulation in generators and wind turbines
Uploaded: 2024-11-21T14:54:38.000Z
Duration: 1 min 21 s
Channel: JoVE

Bei Synchrongeneratoren liefert der Erreger Gleichstrom an die Feldwicklung des Rotors.
Ältere Modelle verwenden einen rotorgetriebenen Gleichstromgenerator als Erreger, während moderne Modelle statische oder bürstenlose Erreger verwenden.
Statische Erreger gleichen den Wechselstrom von den Generatorklemmen oder dem Bus und versorgen den Rotor.
Bürstenlose Erreger verwenden einen invertierten Synchrongenerator, der Wechselstrom von den Ankerwicklungen zur Feldwicklung gleichrichtet.
Erreger vom Typ 1 verfügen über einen wellengetriebenen Gleichstromgenerator und einen Spannungsregler, der den Feldstrom basierend auf der Anschlussspannung anpasst.
In Windkraftanlagen variiert die Spannungsregelung je nach Erregertyp. Typ 1 verfügt nicht über eine direkte Steuerung, während Typ 2 eine Widerstandsregelung verwendet, um die Leistungsabgabe bei Windböen konstant zu halten.
Erreger vom Typ 3 regeln die Blindleistung, indem sie sie konstant halten oder mit der realen Leistung variieren.
Blockdiagramme visualisieren die Regelung der Generatorspannung in transienten Stabilitätsprogrammen.
Schnell ansprechende Erreger mit hoher Verstärkung erhöhen die Feldspannung bei Kurzschlüssen und verbessern so die Transientenstabilität.
Blockdiagrammgleichungen berechnen das Einschwingverhalten.

transiente stabilität und systemkontrollen

Generator Voltage Control

Die Regelung der Generatorspannung ist für den stabilen Betrieb von Synchrongeneratoren und Windturbinen von entscheidender Bedeutung. Bei älteren Modellen liefert ein vom Rotor angetriebener Gleichstromgenerator Gleichstrom an die Feldwicklung des Rotors, und der Strom wird über Schleifringe und Bürsten übertragen. Bei den neuesten Modellen werden statische oder bürstenlose Erregersysteme verwendet. Statische Erreger richten Wechselstrom von den Generatoranschlüssen gleich und übertragen den Gleichstrom dann direkt an den Rotor. Bürstenlose Erreger verwenden dagegen einen invertierten Synchrongenerator, bei dem Wechselstrom aus Ankerwicklungen gewonnen und über am Rotor montierte Dioden gleichgerichtet wird, wodurch Schleifringe und Bürsten überflüssig werden.

Das Blockdiagramm bietet eine standardisierte Methode zur Visualisierung von Generatorspannungsregelungssystemen. Der Erreger nach IEEE Typ 1 verwendet einen wellengetriebenen Gleichstromgenerator zur Erzeugung des Feldstroms mit einem Spannungsregler, der den Feldstrom basierend auf Klemmenspannungsmessungen anpasst.

<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/16172/16172_PT_figure_001.svg" style="height: 150px;">

Im Blockdiagramm wird die Klemmenspannung Vt gemessen und mit einer Referenzspannung V_ref verglichen. Die Differenz zwischen diesen beiden wird verwendet, um die Feldspannung anzupassen. Der Spannungsregler verarbeitet den Spannungsfehler mit einer Verstärkung (K_a) und einer Zeitkonstante (T_a). Die Ausgabe des Spannungsreglers ist die Feldspannung, die an die Feldwicklung des Generators angelegt wird, wodurch die Klemmenspannung angepasst wird. Diese Modelle stellen die Erreger- und Generatordynamik dar und bieten eine klare Methode zur Analyse und Verbesserung der Stabilität.

Windturbinen vom Typ 1 verwenden Käfigläufer-Induktionsmaschinen ohne direkte Spannungsregelung. Systeme vom Typ 2 verwenden Wicklungsläufer-Induktionsmaschinen mit einstellbarem Außenwiderstand, die als Erreger modelliert werden, um trotz Schwankungen der Windgeschwindigkeit eine konstante Leistungsabgabe aufrechtzuerhalten. Konfigurationen vom Typ 3 und 4 verwalten sowohl Wirk- als auch Blindleistung. Die Generatorspannungsregelung umfasst Methoden, die den stabilen und zuverlässigen Betrieb von Synchrongeneratoren und modernen Windturbinen gewährleisten.

Transiente Stabilität und Systemkontrollen

Bei Synchrongeneratoren liefert der Erreger Gleichstrom an die Feldwicklung des Rotors.
Ältere Modelle verwenden einen rotorgetriebenen Gleichstromgenerator als Erreger, ...

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Elektrotechnik

Unit 1

Einheit 1

Transient Stability and System Controls

Transiente Stabilität und Systemsteuerungen

KEY TERMS AND CONCEPTS

WICHTIGE BEGRIFFE UND KONZEPTE

voltage regulation in generators and wind turbines

Generator voltage regulation helps keep synchronous generators and wind turbines working stably. Older systems use a DC generator driven by the rotor to supply DC power to the rotor field winding. That power is passed through slip rings and brushes.

Newer systems use static exciters or brushless exciters. A static exciter rectifies AC power from the generator terminals and sends DC power directly to the rotor. A brushless exciter uses an inverted synchronous generator, takes AC power from armature windings, and rectifies it with diodes mounted on the rotor. This design removes the need for slip rings and brushes.

A block diagram is often used to show how generator voltage control works in a standard way. The IEEE Type 1 exciter uses a shaft-driven DC generator to produce field current. A voltage regulator then adjusts that current based on the measured terminal voltage. In the diagram, terminal voltage, Vt, is compared with a reference voltage, Vref, and the difference is used to adjust field voltage.

The voltage regulator processes the voltage error with a gain, Ka, and a time constant, Ta. Its output is the field voltage applied to the generator field winding, which changes the terminal voltage. These models describe exciter and generator dynamics and help engineers analyze and improve stability.

Wind turbines use related control ideas in different machine types. Type 1 turbines use squirrel cage induction machines and do not have direct voltage regulation. Type 2 systems use wound rotor induction machines with adjustable external resistance, modeled as an exciter, to help keep power output steady when wind speed changes. Type 3 and Type 4 configurations manage both real and reactive power.

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

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Generator Rotor Motion and the Swing Equation

Generator rotor motion is described by the Swing Equation in power system dynamics. It is used to study generating units such as three-phase synchronous generators. The equation comes from Newton’s second law applied to the generator rotor. It links inertia, angular acceleration, and the balance between mechanical and electrical torques. In steady-state operation, the mechanical torque supplied to the generator is equal to the electrical torque produced by the generator. When these torques...

simplified synchronous machine model

Transient Stability in Synchronous Generators

The synchronous machine model helps students analyze transient stability in power systems. It represents a synchronous generator under balanced three-phase positive-sequence conditions. The model assumes constant excitation and ignores losses and saturation. These simplifications make it easier to study how a generator behaves during a disturbance. In this setup, the generator is connected to a network of transmission lines, transformers, loads, and other machines. That larger system is often...

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Power-System Stability in Multi-Machine Networks

Power-system stability in multi-machine networks focuses on how several synchronous machines behave as they stay connected to an N-bus power system. The analysis solves the swing equations for the machines and tracks how the network responds when conditions change. It is used to study transient stability, which is the system’s ability to stay in step after a disturbance. The network is written with nodal equations that link bus voltages, machine voltages, and machine currents. In this model, V...

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Wind Turbine Types and Generator Control

Wind turbine machine models are used to study how wind turbines behave in transient stability analysis. In this setting, induction machines and synchronous machines are the main model types. Induction machines are common because they are simple and reliable. Induction machines work through the rotating magnetic field made by the stator and rotor. A key term is slip, which is the difference between synchronous speed and rotor speed relative to synchronous speed. Slip is zero at synchronous...

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How Turbine Governors Stabilize Power Output

Turbine-governor control helps keep generator frequency and rotor speed stable when electrical load changes. It does this by matching turbine mechanical power with the power demand on the system. In a power grid, that balance is important for steady operation. Turbine-generator units also store kinetic energy because their parts are rotating. When load increases, that stored energy is released to help meet the demand. At first, electrical torque rises while mechanical torque stays nearly...

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Load-frequency control in power grids

Load-frequency control keeps a power grid stable when electrical demand changes. It helps keep system frequency and power flow within acceptable limits. Turbine-governor control reduces rotor speed changes after a load shift, but a steady-state frequency error can still remain when the turbine-governor reference setting does not change. In an interconnected power system, each area agrees to export or import a scheduled amount of power through tie-lines, which are the transmission lines that...

key terms and concepts

Learn how generator voltage regulation works with static, brushless, and IEEE Type 1 exciters, plus how wind turbine types manage stable power output.

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

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Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

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