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励磁控制与电力系统的小干扰稳定性

中国电力科学研究院朱方

2006年7月

1. 励磁控制系统的任务

励磁控制系统最基本和最重要的任务是维持发电机端（或指定控制点）电压为给定值。

我国国家标准规定，自动电压调节器应保证同步发电机端电压静差率小于1%。这就要求励磁控制系统的开环增益（稳态增益）不小于100p.u（对水轮发电机），或200p.u（对汽轮发电机）。

主要原因有3个：

第一，保证电力系统运行设备的安全。

发电机运行规程规定大型同步发电机运行电压正常变化范围为 5%，最高电压不得高于额定值的110%。

第二，保证发电机运行的经济性。

规程规定，大型发电机运行电压不能低于额定值的90%，当发电机电压低于95%时，发电机应限负荷运行，其他电力设备也有这个问题。

第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。

励磁控制系统的重要任务

1）励磁控制系统的重要任务是提高电力系统的稳定性。

2）电力系统稳定可分为功角（机电）稳定、电压稳定和频率稳定等。3）功角稳定包括静态稳定、动态稳定和暂态稳定。

4）励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为简单、经济而有效的措施。

同步发电机励磁控制系统对提高静稳定的作用

设Ut =1.0,Us =1.0,发电机并网后运行人员不再手动去调整励磁,则无电压调节器时的静稳极限、有能维持E ’恒定的调压器时的极限、有能维持发电机端电压恒定的调压器时的静稳极限分别为：0.4、1.0和1.43。

维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定极限的要求是一致的，是兼容的。当励磁控制系统能够维持发电机电压为恒定值时,不论是快速励磁系统,还是常规励磁系统,静态稳定极限都可以达到线路极限。

以某省电网外送断面为例，计算励磁控制对静态稳定的影响。 该省发电机原采用Eq ’恒定模型计算，后进行了励磁模型的参数实测，对励磁性能不达标的机组进行整改，全面提高了励磁控制的技术性能。该省电网外送电力的主要通道共三回500kV 线路。发电机采用Eq ’恒定和Eq ”、Ed ”变化（使用实测励磁模型参数）两种模型，外送断面的静稳极限如下。

恒定的静稳极限增加418 MW ，提高了12.1％ 。

同步发电机励磁控制系统对提高暂态稳定的作用

1、提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。

Eq

d s

q X U E Pe δsin ∑

⋅='

'

sin 'E

d s

X U E Pe δ∑⋅=t

U

s t X U

U Pe δsin ∑

⋅=⎪⎩⎪⎨⎧++=+++=+++=∑∑L T T e

L T T d d L

T T d d X

X X X X X X X X X X X X X 2121''21

2、励磁系统顶值电压响应比越大，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。

3、充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重要因素。

励磁对暂态稳定性的影响仍用某省外送断面的暂稳极限说明。计算故障为三回外送线路中的一回，送端三相短路、0.1秒切除故障线。

1、全网发电机采用Eq’恒定模型；

2、全网发电机采用Eq” 、Ed”变化模型和实测励磁参数。

全网采用实测的励磁参数, 某省外送断面的暂稳极限比全网发电机采用Eq’恒定的暂稳极限高447 MW，暂稳极限提高20％

分析证明，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，将产生负的阻尼作用。

许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的。

解决这个不兼容性的办法有：

1、放弃调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。这对静态稳定性和暂态稳定性均有不利的影响，是不可取的。

2、电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。这种方法可以达到既保持电压调节精度，又可减少电压调压通道的负阻尼作用的两个目的。但是，这个环节使励磁电压响应比减少，不利于暂态稳定，也是不可取的。

3、在励磁控制系统中，增加附加励磁控制通道，即电力系统稳定器PSS。电力系统稳定器即PSS是使用最广、最简单而有效的附加励磁控制。

2 励磁系统的分类

按结构分类

1. 直流励磁机励磁系统

2. 交流励磁机励磁系统

交流励磁机不可控整流励磁系统

交流励磁机可控整流励磁系统

3. 静止励磁系统

按励磁电压响应速度分类

常规励磁

快速励磁

高起始励磁

2.1 直流励磁机励磁系统

1-发电机定子 2-发电机励磁绕组 3-灭磁开关 4-灭磁电阻

5-直流励磁机 6-直流励磁机励磁绕组 7-手动调节电阻 8-强励开关 9-自动励磁调节器

直流励磁机励磁系统原理图

2.2 交流励磁机不可控整流器励磁系统

交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图

1-副励磁机2-调节器功率单元3-主励磁机励磁绕组4-主励磁机5-静止整流器6-发电机磁场绕组7-发电机8-电压互感器9-电流互感器K-灭磁开关R-灭磁电阻

2.3 交流励磁机可控整流器励磁系统

交流励磁机可控正流器励磁系统原理图

ZLH—交流主励磁机自励恒压系统KZ--可控整流桥FLQ--发电机转子