发电机励磁系统论述

发电机自动励磁调节系统论述
摘要发电机励磁调节系统对电力系统的可靠性和稳定性起着重要作用，随着国内外励磁系统的研制不断取得进展，各型励磁系统不断涌现。

本文阐述了同步发电机励磁系统的主要任务及基本要求，讨论了同步发电机的不同励磁方式及其性能特点，最后介绍了发电机自动励磁调节系统的相关技术和性能改善。

关键词同步发电机，励磁系统，励磁方式，励磁调节器，稳定性
ABSTRACT
Generator excitation system reliability and stability of power system plays an important role, with the development of domestic and foreign progress of excitation system, the excitation system constantly.This paper expounds the main tasks of the synchronous generator excitation system and basic requirements, discuss the different excitation mode and characteristics of synchronous generator, finally introduced the improvement of related technology and performance of automatic generator control system.
Key Words:Synchronous generator, Excitation system, Excitation mode, Excitation regulator, Stability
1、概述
励磁系统是提供同步发电机可调励磁电流装置的组合。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流：励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

整个励磁自动控制系统是由励磁调节
器、励磁功率单元、发电机构成的一个反馈控制系统。

图1-1 励磁系统基本结构框图
2、同步发电机励磁系统的主要任务和基本要求
2.1同步发电机励磁系统的主要任务
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机的运行可靠性、经济性及其它特性有直接的影响。

它的主要作用有：
⑴正常运行时供给发电机励磁电源，并根据发电机负载的变化作相应调整，以维持发电机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。

当发电机突然甩负荷时，实行强行减磁以限制其端电压，使其不会过度升高。

此外，当几台发电机并联运行时，通过励磁系统的作用可使无功功率在机组间得到稳定和合理的分配。

⑵通过灵敏而又快速的励磁调节，提高电力系统运行的静态稳定和输电线路的传输能力。

当电力系统发生短路或因其它原因使系统电压严重下降时，对发电机实行强行励磁，以提高电力系统的动态稳定。

如果发电机内部发生短路故障，则对发电机实行自动灭磁，以降低故障的损坏程度。

对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。

电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配，在某些故障情况下，发电机端电压
降低将导致电力系统稳定水平下降。

为此，当系统发生故障的时候，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性，可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量，无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着非常重要的作用。

优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效提高系统的技术指标。

2.2同步发电机对励磁的基本要求
首先，对于发电机励磁控制系统，按照我国的标准，有以下几点要求：
⑴．运行要高度可靠、结构要简单、检修维护要方便。

⑵．发电机稳态电压精度不低于0．5％～1．0％。

无功调差范围：汽轮发电机组为±10％，水轮发电机组为±15％。

⑶．发电机端电压随频率的变化要小，当频率变化为1％时，电压变化小于±O．25％。

⑷．具有良好的动态品质：在10％阶跃信号输入时，发电机端电压的超调量不超过50％(快速励磁系统不超过30％)：振荡次数不超过3～5次：调节时间：汽轮发电机组不大于10s，水轮发电机组不大于5s。

甩额定负荷时，超调量不大于15％～20％。

⑸．发电机在各种运行方式下，灭磁开关应能可靠灭磁，并且不产生过高的电压。

其次，对励磁调节器的要求是：
⑴．具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。

⑵．能反映发电机电压高低，以维持发电机电压在给定水平。

励磁控制系统的自然调差系数一般在1%以内。

⑶．励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，应保证同步发电机端电压调差系数可在±10%以内调整。

⑷．对远距离输电的发电机组，要求励磁机没有失灵区。

⑸．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。

最后，对励磁功率单元的要求是：
⑴．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。

⑵．具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。

3、同步发电机励磁系统的分类及其性能特点
同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。

根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。

近年来，我国有关部门在自并励励磁方式的研究方面作了大量而细致的工作，结果表明，自并励励磁系统较其它方式的励磁系统有着以下优点：
⑴．运行可靠性高。

自并励励磁系统为静态励磁，与励磁机系统相比，由于没有旋转部件，运行可靠性高。

国内外统计资料表明，自并励励磁系统造成发电机强迫停机率低于励磁机励磁系统。

⑵．能改善汽轮发电机机组的轴系稳定性。

自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度，减少轴承数量。

如300MW及以上的汽轮发电机的轴系长度可减少大约3米，因而，可提高轴系的稳定性，改善轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平。

⑶．可提高电力系统稳定水平。

在小干扰方面，自并励励磁系统配置PSS 后，小干扰稳定水平较励磁机励磁系统有明显提高；在大干扰稳定方面，电力系统计算表明，自并励励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机系统相近或略有提高。

⑷．经济性好。

主要决定于：1）系统造价低；2）减少厂房及基础造价；3）调整容易，维护简单，故障后修复时间短，可提高发电效益。

与交流励磁机方式比较，因交流励磁机在短路时电枢反应较大，影响了励磁电压上升速度，发电机端电压在短路期间有较大的跌落，所以从总体上来看，实行强励以提高暂态稳定的效果，自并励方式略优于交流励磁机方式。

研究结果表明，采用自并励方式并配以快速继电保护，如果能在0.1s ~ 0.15s 内切除故障，则在短路故障期间，短路电流仅衰减百分之几，不会影响高压线路上带时限继电保护的正确动作。

同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。

为了满足正常运行的要，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。

在设计励磁系统方案时，首先应考虑他的可靠性。

为了防止系统电网故障对他的影响，励磁功率单元往往作为发电机的专用电源，另外，它的起励方式也应力求简单方便。

在电力系统发展初期，同步发电机容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的直流发电机供给，既所谓直流励磁机励磁系统。

随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。

不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转。

为了缩短主轴张度，降低价格，减少环节，又出现用发电机自身作为励磁电源的方法，即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。

下面就出现的这几种励磁方式进行简单的叙述，简单的介绍优缺点，本文着重介绍交流励磁机供电的励磁方式。

㈠直流励磁机方式
直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。

其中直流发电机称为直流励磁机。

直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。

直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。

自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。

采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。

目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。

长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。

缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。

近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。

因此，直流励磁机
励磁系统愈来愈不能满足要求。

目前，在100MW及以上发电机上很少采用。

㈡交流励磁机方式
交流励磁机方式用交流励磁机作为电源，经整流后供给发电机励磁。

因励磁电源独立，发电机的励磁不受电力系统运行情况变化的影响；但由于交流励磁机的电枢反应压降相对于直流励磁机大些，在发电机近端发生短路故障时可能会造成强励能力不足。

根据是否有副励磁机及整流方式是可控的还是不控的，交流励磁机方式有许多，常见的有以下几种。

①他励交流励磁机励磁系统
下图所示的励磁自动控制系统是由与主机同轴的交流励磁机、中频励磁机和调节器等组成。

在这个系统中，发电机G的励磁电流由频率为100Hz的交流励磁机AE经硅整流器VSR供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给，其电源由副励磁机提供。

副励磁机是自励式中频交流发电机，用自励恒压调节器保持其端电压恒定。

由于副励磁机的起励电压较高，不能象直流励磁机那样能依靠剩磁起励，所以在机组起动时必须外加起励电源，直到副励磁机的输出电压足以使自励恒压调节器正常工作时，起励电源方可退出，在此励磁系统中，励磁调节器控制晶闸管元件的控制角，来改变交流励磁机的励磁电流，达到控制发电机励磁的目的。

图3-1 他励交流励磁机励磁系统原理接线图
其性能和特点如下：
⑴交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。

⑵同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴长度，使厂房长度增加，因此造价较高。

⑶仍有转动部件需要一定的维护工作量。

⑷一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁。

如果采用永磁发电机作为副励磁机，不但可以简化调节设备，而且励磁系统的可靠性也可大为提高。

②无刷励磁
交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种励磁系统，但它有一个薄弱环节—滑环。

滑环是一种滑动接触元件、随着发电机容量的增大，转子电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。

为了提高励磁系统的可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统都无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。

其原理接线图如下图所示：
图3-2 无刷励磁系统原理接线图
这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有
齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，转子电流不再受接触部件技术条件的限制，因此特别适合于大容量发电机组。

此种励磁系统的性能和特点为：
（1）炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。

（2）电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。

并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。

（3）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。

（4）因为没有接触部件的磨损，所以也没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。

（5）其缺点是由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压、电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，旋转二极管的运行状况、接线是否开脱、熔丝是否熔断等等也都不便于监视。

因而在运行维护上是不方便的。

同时噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

③静止励磁
静止励磁系统中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装置。

这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。

由于励磁电流是发电机本身提供，故又称为发电机自并励系统。

它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控桥整流桥直接控制发电机的励磁。

其原理接线图如下图所示:
图3-3 静止励磁系统原理接线图
静止励磁系统的主要优点是：
（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。

（2）需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减少基建投资。

（3）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度
（4）由发电机机端取得励磁能量。

当机组甩负荷时静态励磁机组的过电压低。

电力系统中发生短路故障时，故障切除得越快，则电压恢复也越快。

综上所述，只有在发电机近端发生短路，而且故障切除又慢的情况下，自并励方式的缺点才能表现比较突出。

对于励磁系统的强励能力来说，由于强励动作后，要经过Td′时间后，才能使转子励磁电流得到明显增长，所以不论哪一种励磁方式，在短路故障被切除之前的这段时间里（如0.1s ~ 0.5s）。

强励动作都是有限的。

如果短路故障能快速（例如0.15s）切除，即使采用自并励方式，电压也将迅速恢复，其强励能力也就跟着恢复了。

对于保证电力系统的暂态稳定来说，采用快速继电保护和快速断路器，比励磁系统有更加重要的作用。

4、励磁调节器
无论是何种励磁调节器，其核心部分的构成都是很相似的。

它由基本控
制和辅助控制两大部分组成。

基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。

测量比较单元的作用是测量发电机的端电压，综合无功调差信号后与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。

测量比较电路应具有足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量精确、反应迅速、电路的时间常数要小。

测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动态性能。

综合放大单元对测量单元输出的电压偏差起综合和放大的作用。

为了得到调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号、最大、最小励磁限制信号等。

放大的作用是为了消除电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。

综合放大后的控制信号输出到移相触发单元。

移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。

移相触发环节根据输入控制信号(U)的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角a，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流。

为了使触发脉冲能可靠地工作，还需采用脉冲放大环节。

移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及控制器的执行机构。

辅助控制是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。

5、电力系统稳定性
电力系统的稳定性一般划分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定三种方
式。

⑴静态稳定
静态稳定是指电力系统遭受小扰动后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

此期间表现出的是电力系统不受控制作用的自然特性。

其稳定性主要取决于系统的同步力距。

⑵暂态稳定
暂态稳定是指电力系统遭受大的扰动后，各个同步电极保持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来状态运行的能力（通常指保持第一个或第二个摇摆周期不失步）。

在这期间，系统中的短路故障性质、主保护动作情况、重合闸成功与否的影响最大。

⑶动态稳定
动态稳定是指电力系统遭受扰动后，在自动调节装置和附加控制的作用下，保持较长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步），在这期间电力系统阻尼特性影响较大。

通过励磁控制改善电力系统稳定性的措施：
⑴改善静态稳定性
由前面的分析可知，对于汽轮发电机，其功－角特性为
其最大输出功率为Pm，称为静态稳定极限，其值等于
如果发电机在运行中可自动调节励磁，则此时Eq为变值，相应的传输功率可得到显著的提高。

所以要改善其静态稳定性，就是通过改变Eq达到提高其稳定极限Pm。

⑵改善暂态稳定性
暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性．主要是指事故后转子第一个振荡周期内的稳定性，就励磁控制系统而言，其作用由三个因素决定：
1)励磁系统强励顶值倍数。

提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。

但是提高强励倍数将使励磁系统的造价增加及对发电机的绝缘要求提高。

因此，在当前故障切除时间极短的情况下，过分强调提高强励倍数是没有必要的。

2)励磁系统顶值电压响应比。

励磁系统顶值电压响应比又称励磁电压上升速度。

响应比超大励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利。

励磁系统项值电压响应比，由励磁系统的性能所决定。

3)励磁系统强励倍数的利用程度。

充分利用励磁系统强励倍数，也是励磁系统改善暂态稳定的一个重要因素。

如果电力系统在发电厂附近发生故障，励磁系统的输出电压达不到顶值，或者达到顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的水平时已停止强励，使励磁系统的强励作未充分发挥，降低了改善暂态稳定的效果。

充分利用励磁系统顶值电压的措施之一是提高励磁控制系统的开环增益，开环增益越大，调压精度超高．强励倍数利用越充分，也就越有利于改善电力系统暂态稳定。

⑶改善动态稳定性
电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。

当阻尼为正时，动态是稳定的；阻尼为负时，动态是不稳定的；阻尼为零时，是临界状态。

对于零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不安全因素，应采取措施提高阻尼。

分析表明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。

在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时．也将产生负的阻尼作用。

而电力系统稳定器(Power System Stabilizer，PSS)一般是以励磁调节器电压控制环的附加控制形式出现，其借助于励磁调节器的励磁控制输出来阻尼同步电机的功率振荡。

PSS输出的附加控制信号加到励磁系统上，经过励磁调节器滞后产生附加力矩，该滞后特性称励磁系统无补偿特性。

附加力矩方向与发电机Eq′一致，但是无法实际测量Eq′，而用测量发电机电压Vt代替。

试验时要求调整发电机无功在零附近，有功在满负荷附近。

根据测得的励磁系统无补偿特性，按照预先设计的PSS环节相位补偿特性，初选PSS参数。

目标是在低频振荡的频率范围内，PSS产生的附加力矩向量Te对应Δω（转速）轴在超前10°~ 滞后45°以内，并使本机振荡频率力矩向量对应Δω（转速）轴0°~ 滞后30°以内。

PSS的输入信号（转速ω，电气功率Pe或机械功率Pm）与Δω相位关系如下：转速ω和频率f与Δω轴同相，电气功率Pe滞后Δω轴90°，机械功率Pm领先Δω轴90°。

根据不同的输入信号，PSS环节相位补偿特性的相位Фpss加上励磁系统无补偿特性的相位，可以获得所需的PSS附加力矩与Δω轴的关系。

在有PSS参与调节的工况下，功率振荡会有明显的收敛，可以提高遏制系统低频振荡的能力，这样，从根本上说，由
于PSS的原理是通过励磁来是现代，所以可以通过励磁来提高电力系统的稳定性，这是十分必要的。

总之，由于自并励方式的快速响应，再配以PSS，几乎可以保持发电机的端电压不变，因此静态稳定极限有较大提高，并有较好的抑制低频振荡的能力，有利于动态稳定。

对于暂态稳定来说，自并励方式配合快速切除故障，短路故障期间，励磁电流衰减不大，从发生短路到故障切除这段时间内，其强励能力虽略有下降，但适当提高励磁顶值电压后，可有所弥补。

随着科学技术的不断发展，同步发电机的励磁系统在不断地更新换代，也在不断地进步和完善，而各种励磁系统有其不同的特点，只有根据实际情况进行正确的选择，才能保证励磁系统的可靠性和稳定性，从而保证发电机组的安全运行和电网的稳定。

对于励磁，是电学中，或者说是生活中常见的现象，也广为我们所利用，但是同样也带来了不少危害，在电力系统中，既要利用励磁来稳定系统，也要积极的消除励磁所带来的不稳定因素，这是把双刃剑，我们要好好利用，科学同样如此。