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

W generatorach synchronicznych wzbudnica dostarcza prąd stały do uzwojenia pola wirnika.
Starsze modele wykorzystują jako wzbudnicę generator prądu stałego napędzany wirnikiem, podczas gdy nowoczesne wykorzystują wzbudnice statyczne lub bezszczotkowe.
Wzbudnice statyczne prostują prąd przemienny z zacisków generatora lub magistrali i dostarczają go do wirnika.
Wzbudnice bezszczotkowe wykorzystują odwrócony generator synchroniczny, prostujący prąd przemienny z uzwojeń twornika do uzwojenia polowego.
Wzbudnice typu 1 są wyposażone w generator prądu stałego napędzany wałem i regulator napięcia, który dostosowuje prąd pola w oparciu o napięcie na zacisku.
W turbinach wiatrowych regulacja napięcia różni się w zależności od typu wzbudnicy. Typ 1 nie ma bezpośredniej kontroli, podczas gdy typ 2 wykorzystuje kontrolę oporu w celu utrzymania stałej mocy wyjściowej podczas podmuchów wiatru.
Wzbudnice typu 3 kontrolują moc bierną, utrzymując ją na stałym poziomie lub zmieniając się wraz z rzeczywistą mocą wyjściową.
Schematy blokowe wizualizują sterowanie napięciem generatora w programach stabilności stanów nieustalonych.
Szybko reagujące wzbudnice o wysokim wzmocnieniu zwiększają napięcie pola podczas zwarć, poprawiając stabilność stanów nieustalonych.
Równania diagramu blokowego obliczają odpowiedź przejściową.

stabilność przejściowa i sterowanie systemem

Generator Voltage Control

Kontrola napięcia generatora jest kluczowa dla utrzymania stabilnej pracy generatorów synchronicznych i turbin wiatrowych. W starszych modelach generator prądu stałego napędzany przez wirnik dostarcza prąd stały do ​​uzwojenia wzbudzenia wirnika, a moc jest przenoszona przez pierścienie ślizgowe i szczotki. W najnowszych modelach stosuje się wzbudniki statyczne lub bezszczotkowe. Wzbudniki statyczne prostują prąd przemienny z zacisków generatora, a następnie przesyłają prąd stały bezpośrednio do wirnika. Z drugiej strony wzbudniki bezszczotkowe wykorzystują odwrócony generator synchroniczny, w którym prąd przemienny jest uzyskiwany z uzwojeń wirnika i prostowany za pomocą diod zamontowanych na wirniku, eliminując potrzebę stosowania pierścieni ślizgowych i szczotek.

Schemat blokowy przedstawia standardową metodę wizualizacji układów sterowania napięciem generatora. Wzbudnik IEEE typu 1 wykorzystuje napędzany wałem generator prądu stałego do wytwarzania prądu wzbudzenia, z regulatorem napięcia, który reguluje prąd wzbudzenia na podstawie pomiarów napięcia zacisków.

<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/16172/16172_PT_figure_001.svg" style="height: 150px;">

Na schemacie blokowym napięcie zaciskowe, V_t, jest mierzone i porównywane z napięciem odniesienia V_ref. Różnica między nimi jest wykorzystywana do regulacji napięcia wzbudzenia. Regulator napięcia przetwarza błąd napięcia za pomocą wzmocnienia (K_a) i stałej czasowej (T_a). Wyjście regulatora napięcia to napięcie wzbudzenia przyłożone do uzwojenia wzbudzenia generatora, które reguluje napięcie zaciskowe. Modele te przedstawiają dynamikę wzbudnika i generatora, zapewniając jasną metodę analizy i poprawy stabilności.

Turbiny wiatrowe typu 1 wykorzystują maszyny indukcyjne klatkowe bez bezpośredniej regulacji napięcia. Systemy typu 2 wykorzystują maszyny indukcyjne z wirnikiem uzwojonym z regulowaną rezystancją zewnętrzną, modelowane jako wzbudnik, aby utrzymać stałą moc wyjściową pomimo zmian prędkości wiatru. Konfiguracje typu 3 i typu 4 zarządzają zarówno mocą czynną, jak i bierną. Kontrola napięcia generatora obejmuje metody zapewniające stabilną i niezawodną pracę generatorów synchronicznych i nowoczesnych turbin wiatrowych.

Stabilność przejściowa i sterowanie systemem

W generatorach synchronicznych wzbudnica dostarcza prąd stały do uzwojenia pola wirnika.
Starsze modele wykorzystują generator prądu stałego napędzany wirnikiem jako wzbudnicę, ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Elektrotechnika

Unit 1

Jednostka 1

Transient Stability and System Controls

KEY TERMS AND CONCEPTS

KLUCZOWE TERMINY I POJĘCIA

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

voltage-regulation-in-generators-and-wind-turbines

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...

generator voltage control

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...

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...

load-frequency control

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.

electrical engineering

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

Description

Transcript

Tags