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

Dans les générateurs synchrones, l'excitateur fournit une alimentation en courant continu à l'enroulement de champ du rotor.
Les modèles plus anciens utilisent un générateur à courant continu entraîné par rotor comme excitateur, tandis que les modèles modernes utilisent des excitateurs statiques ou sans balais.
Les excitateurs statiques rectifient l’alimentation CA des bornes ou du bus du générateur et l’alimentent en rotor.
Les excitateurs sans balais utilisent un générateur synchrone inversé, rectifiant l’alimentation CA des enroulements d’induit vers l’enroulement de champ.
Les excitateurs de type 1 sont dotés d’un générateur à courant continu entraîné par arbre et d’un régulateur de tension qui ajuste le courant de champ en fonction de la tension aux bornes.
Dans les éoliennes, le contrôle de la tension varie selon le type d’excitateur. Le type 1 n’a pas de contrôle direct, tandis que le type 2 utilise le contrôle de la résistance pour maintenir une puissance constante pendant les rafales de vent.
Les excitateurs de type 3 contrôlent la puissance réactive, la maintenant constante ou variant avec la puissance réelle.
Les schémas fonctionnels visualisent le contrôle de la tension du générateur dans les programmes de stabilité transitoire.
Les excitateurs à gain élevé et à réponse rapide augmentent la tension de champ pendant les courts-circuits, améliorant ainsi la stabilité transitoire.
Les équations de schéma fonctionnel calculent la réponse transitoire.

stabilité transitoire et contrôles du système

Generator Voltage Control

Le contrôle de la tension du générateur est essentiel pour maintenir le fonctionnement stable des générateurs synchrones et des éoliennes. Dans les modèles plus anciens, un générateur à courant continu entraîné par le rotor fournit du courant continu à l'enroulement de champ du rotor, et la puissance est transférée via des bagues collectrices et des balais. Dans les modèles plus récents, des excitateurs statiques ou sans balais sont utilisés. Les excitateurs statiques redressent le courant alternatif provenant des bornes du générateur, puis transfèrent le courant continu directement au rotor. Les excitateurs sans balais, en revanche, utilisent un générateur synchrone inversé dans lequel le courant alternatif est obtenu à partir des enroulements d'induit et redressé via des diodes montées sur le rotor, éliminant ainsi le besoin de bagues collectrices et de balais.

Le schéma fonctionnel fournit une méthode standardisée pour visualiser les systèmes de contrôle de tension des générateurs. L'excitateur IEEE de type 1 utilise un générateur DC entraîné par arbre pour créer le courant de champ, avec un régulateur de tension qui ajuste le courant de champ en fonction des mesures de tension aux bornes.

<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/16172/16172_PT_figure_001.svg" style="height: 150px;">

Dans le schéma fonctionnel, la tension aux bornes, Vt, est mesurée et comparée à une tension de référence V_ref. La différence entre ces deux valeurs est utilisée pour ajuster la tension de champ. Le régulateur de tension traite l'erreur de tension avec un gain (K_a) et une constante de temps (T_a). La sortie du régulateur de tension est la tension de champ appliquée à l'enroulement de champ du générateur, qui ajuste la tension aux bornes. Ces modèles représentent la dynamique de l'excitateur et du générateur, offrant une méthode claire pour analyser et améliorer la stabilité.

Les éoliennes de type 1 utilisent des machines à induction à cage d'écureuil sans régulation de tension directe. Les systèmes de type 2 utilisent des machines à induction à rotor bobiné avec résistance externe réglable, modélisées comme un excitateur, pour maintenir une puissance de sortie constante malgré les variations de vitesse du vent. Les configurations de type 3 et de type 4 gèrent à la fois la puissance réelle et réactive. Le contrôle de la tension du générateur implique des méthodologies pour assurer le fonctionnement stable et fiable des générateurs synchrones et des éoliennes modernes.

Stabilité transitoire et contrôles du système

Dans les générateurs synchrones, l'excitateur fournit une alimentation en courant continu à l'enroulement de champ du rotor.
Les modèles plus anciens utilisent un générateur à courant continu entraîné par rotor comme excitateur, ...

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Unit 1

Unité 1

Transient Stability and System Controls

Stabilité transitoire et commandes du système

KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMES ET CONCEPTS CLÉS

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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the swing equation

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...

multimachine stability

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...

wind turbine machine models

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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turbine-governor control

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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