第二章 同步发电机励磁控制系统

第二章 同步发电机励磁控制系统§2.1 概述

I EF E q U

G

正常运行时，发电 机励磁电流的变化主要 影响电网的电压水平和 并联机组间无功功率的 分配。 励 保证电能质量 磁 系 合理分配无功功率 统 提高电力系统运行 功 的可靠性 能

一、同步发电机励磁控制系统的任务1、电压控制PL 变 化 I G 变 化 U G 的 变 化 需 进 行 I E F 调 节 来 维 持 电 压 水 平

E q co s G U G I Q X d一般，δG很小，可以近似认为cosδG≈1,于是，可有结果：

Eq U G IQ X d上式说明，负荷的无功电流是造成发电机电动势与端电压幅 值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者之间的差值也越 大。

2、控制无功功率的分配 ①同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题PG U G I G co s E qU G Xd sin 常 数

I G co s k 1 E q sin k 2

Q G U G I G sin 因为发电机的端电压UG为定值，所以发电机励磁电流大小的 变化只是改变了机组的无功功率和功角δ值的大小。I G 的端点则沿着BB’虚线变化。

E q 的端点则沿着AA’虚线变化。

由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电 流可以改变发电机无功功率的数值。 ②并联运行各发电机间无功功率的分配 当两台以上的同步发电机并联运行时，如图2.1-5所示，发电 机G1和G2的端电压都等于母线电压UM,他们发送的无功功率电 流值IQ1和IQ2之和必须等于母线总负荷电流的无功分量IQ,即

I Q I Q1 I Q 2

几个结论： ①并联各发电机间无功功率的 分配取决于各发电机的外特性 ，而上倾的和水平的外特性都 不能起到稳定分配无功电流的 作用。 ②通常希望发电机间无功电流 应当按照机组容量的大小成比 例分配。 ③只要并联机组的“UG-IQ*”特 性完全一致时，就能做到第② 条。而要达到并联机组的“UGIQ*”特性一致，就必须借助“自 动调压器”来实现。

3、提高同步发电机并联运行的稳定性 保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。 电力系统稳定性：电力系统在运行中随时可能遭受各种干扰，在各 种扰动后，发电机组能够恢复到原来的运行状态或者过渡到一个新 的稳定运行状态，则称电力系统稳定。 电力系统稳定的主要标志——暂态过程结束后，同步发电机能够维 持或恢复同步运行。 静态稳定性 电力系统稳定性 暂态稳定性 静态稳定性：指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复 到原来运行状态的能力。 暂态稳定性：指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动， 能否过渡到一个新的稳定运行状态

、或者恢复到原来运行状态的能 力。(大扰动指高压电网发生短路或发电机切除等)

①励磁对静态稳定的影响

PG

E qU X

sin

X

—系统总电抗，一般为发电机、变压器、输电线路电抗之和；

—发电机空载电动势 E q 和受端电压 U 间的相角，或叫功角。

Pm

E qU X

解决方案1:无自动励磁调节时，IEF 恒定， q为常数，此时的功角特性称 E 为“内功角特性”,功率极限出现在 δ=90°的条件下。 解决方案2:按电压偏差进行比例 调节的励磁控制系统，则近似为按 E q' 为常数求得的功角特性曲线 C如图1.2-8所示，δ’’> 90°。(外功角特性曲线1) 解决方案3:有灵敏和快速的励磁调节器，可视为能保持UG恒定。

由一簇不同的 E q 相应的功角特性曲线B如图1.2-8所示，δ’> δ’’> 90°。(外功角特性曲线2) 可见，励磁调节装 置能有效提高系统稳定 的极限功率和最大允许 功角，所以对提高系统 的静态稳定性大有好处 ！

②励磁对暂态稳定的影响 提高励磁系统的强励能力，即提高电压强励倍数和电压上升 速度，被认为是提高电力系统暂态稳定性最经济、最有效的手段 之一。

故障期间和故障切除后，励磁系统还要执行紧急动作：以最 快的速度加大励磁，促使发电机的内电动势 E 上升而增加电功率 输出，功角特性曲线Ⅱ和Ⅲ幅值增加，这样既减小了加速面积， 同时也增加了减速面积。 然而，由于发电机励磁系统时间常数等因素，要使它在短暂 的过程中完成符合要求的控制却并不容易做到，这要求励磁系统 首先必须有快速响应的能力。为此，必须从两个方面着手：⑴设 法减小励磁系统的时间常数⑵尽可能提高强行励磁的倍数。 4、改善电力系统的运行条件 ①改善异步电动机的自启动条件 q

电网故障 电压降低 用户电动机制动 电压逐渐恢复 电 压 恢 复 缓 慢 加 入 强 励 快 速 恢 复 电 压 电动机自启动时吸收大量无功

故障切除

②为发电机失磁异步运行创造条件 ③提高继电保护装置工作的正确性

5、水轮发电机组要求实现强行减磁水轮机组故障跳闸 不能迅速关闭导水叶 水轮机转子转 速 迅 速 上 升 E q 将 有 可 能 达 到 危 险 的 高 度 而 破 坏 定 子 绝缘 要求励磁自动控制系统能够实现强行减磁如励磁不能迅速降低 调速系统惯性

二、对励磁系统的基本要求1、对励磁调节器的要求 主要任务：检测和综合系统运行的状态信息，产生相应的控制信 号，经放大后控制励磁功率单元，以得到所要求的发电

机励磁电 流。 具体要求： ①具有较小的时间常数，能够迅速响应输入信息的变化。 ②系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持 发电机电压在给定水平。 ③励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器 应保证同步发电机端电压调差系数可以在10%以内进行调整。

④要求励磁调节器在其设定的调节范围内没有失灵区。 ⑤励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能 以提高暂态稳定和改善系统运行条件。 2、对励磁功率单元的要求 ①要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量 ②具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。

§2.2 同步发电机励磁系统同步发电机励磁电源实质上是一个可控的直流电源。 发电机励磁电源必须具有足够的调节容量、一定的强力倍数 和较小的响应时间。 同轴励磁系统 直流励磁 交流励磁 发电机自并励系统

机励磁系统

机励磁系统

(静止励磁系统)

无刷励磁系统 一、直流励磁机励磁系统 有电刷、机械式换流器。过去用于100MW以下的中小容量机 自励直流励磁机励磁系统 组中。 直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机励磁系统

自励直流励磁机励磁系统 发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电 调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流 他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了 一台副励磁机，比自励式时间常数小，一般用于水轮发电机组。 二、交流励磁机励磁系统——他励交流励磁机励磁系统