励磁控制与电力系统稳定

技术讲座讲稿

励磁系统与PSS

2004年10月

1. 前言

根据我国国家标准GB/T 7409.1～7409.3-1997“同步电机励磁系统”的规定的定义，同步电机励磁系统是“提供电机磁场电流的装臵，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装臵以及保护装臵”。励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统。励磁控制系统对电力系统的安全、稳定、经济运行都有重要的影响。我国国家标准和行业标准都对励磁控制系统提出了具体的要求。这里，就励磁系统分类、对励磁控制系统的要求、励磁控制系统与电力系统稳定的关系、电力系统稳定器等几个问题和大家一起进行讨论。

2. 励磁系统分类

同步电机励磁系统的分类方法有多种。主要的方法有两种，即按同步电机励磁电源的提供方式分类和同步电机励磁电压响应速度分类两种分类方法。

按同步电机励磁电源的提供方式不同，同步电机励磁系统可以分为直流励磁机励磁系统，交流励磁机励磁系统和静止励磁机励磁系统。

按同步电机励磁电压响应速度的不同，同步电机励磁系统可以分为常规励磁系统、快速励磁系统和高起始励磁系统。

2.1 直流励磁机励磁系统

由直流发电机（直流励磁机）提供励磁电源的励磁系统叫直流励磁机励磁系统。它主要由直流励磁机和励磁调节器组成。早期的中小容量的同步电机的励磁调节器从发电机的PT(电压互感器)和CT（电流互感器）取得电源；较大容量的同步电机的励磁调节器的电源有时经励磁变压器取自发电机端时，此时，励磁变压器也是主要组成部分（图2-1）。

同步电机的励磁电源是直流励磁机的输出，励磁调节器根据发电机运行工况调节直流励磁机的输出，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。

直流励磁机主要采用由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式，少数（主要是备用励磁机）为由异步电动机非同轴的拖动方式。直流励磁机的励磁方式，主要有它励、自并励和自励加它励三种方式。它励方式的直流励磁机的励磁全部由励磁调节器提供；自并励方式的直流励磁机的励磁全部由直流励磁机本身提供，励磁调节的任务是通过调节与励磁绕组相串联的电阻的大小来实现的；自励加它励方式的直流励磁机的励磁，一部分由励磁

调节器提供，一部分由直流励磁机本身提供。励磁调节器提供的励磁安-匝与总励磁安-匝之比称为自励系数。早期的直流励磁机还有采用副励磁机做它励电源的，现在已不再采用了。

由于直流励磁机是与主发电机同轴旋转，对于汽轮发电机来说，速度较高，受换向器（整流子）的限制，容量不能做得太大。我国生产的、使用直流励磁机励磁系统的汽轮发电机的最大容量为125MW。对于水轮发电机来说，速度较低，直流励磁机的容量可能做得大一些，我国生产的、使用直流励磁机励磁系统的水轮发电机的最大容量达到300MW。随着电力电子技术的发展和在电力工业中的应用，直流励磁机励磁系统，我国新投产的100MW及以上的发电机已不再使用直流励磁机励磁系统了。

1-发电机定子 4-灭磁电阻 7-手动调节电阻

2-发电机励磁绕组 5-直流励磁机 8-强励开关

3-灭磁开关 6-直流励磁机励磁绕组 9-自动励磁调节器

图 2-1 直流励磁机励磁系统原理图

2.2 交流励磁机励磁系统

由交流发电机（交流励磁机）提供励磁电源的励磁系统叫交流励磁机励磁系统。交流励磁机为50～200Hz的三相交流发电机，交流励磁机的三相交流电压经三相全波桥式整流装臵整流后变为直流电压，向同步发电机提供励磁。

交流励磁机的拖动方式为由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式。交流励磁机的励磁方式绝大部分为它励方式，只有极少数采用复励（有串激绕组）方式。

根据整流装臵采用的整流元件的不同，交流励磁机励磁系统可分为交流励磁机不可控整流器励磁系统和交流励磁机可控整流器励磁系统。

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一般由交流励磁机、不可控整流装臵、励磁调节器和交流副励磁机等组成（图2-2）。

同步发电机的励磁电源是交流励磁机的输出。不可控整流装臵将交流励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节交流励磁机的励磁电流和输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。励磁调节器从同轴副励磁机取得电源。副励磁机一般为350～500Hz的中频永磁交流发电机。

有些交流励磁机不可控整流器励磁系统的励磁调节器，不是从同轴副励磁机取得电源，而是通过励磁变压器从发电机机端取得电源，此时，励磁变压器也是主要组成部分（图2-2虚线所示）。

励磁调节器的电源由同轴副励磁机供给时简称为三机系统；励磁调节器的电源通过励磁变压器由发电机供给时简称为两机系统。两机系统中励磁调节器的最大输出电压与发电机的机端电压的大小成正比。

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 7-电压互感器 8-电流互感器 K-灭磁开关 R-灭磁电阻

图2-2交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图

当不可控整流装臵为静止整流装臵时，称为交流励磁机不可控静止整流器励磁系统，一般简称为交流励磁机静止整流器励磁系统。此时，交流励磁机的励磁绕组在转子上，与发电机转子及副励磁机转子同轴同速旋转。交流励磁机的电枢、不可控整流装臵和励磁调节器都是静止的。

交流励磁机静止整流器励磁系统中的交流励磁机和发电机都需要配滑环、炭刷。又称为有刷励磁(系统)。但是交流机本身没有换向问题，因此，其容量不受限制。但是，由于旋转部件较多，励磁系统发生故障的可能性也较多。同时，由于轴系长，轴承座较多。容易引起机组振动超标，轴系稳定问题应引起注意。

当不可控整流装臵采用旋转整流器时，称为交流励磁机不可控旋转整流器励磁系统，一般简称为交流励磁机旋转整流器励磁系统。此时，交流励磁机的励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上。励磁调节器是静止的，交流励磁机的励磁绕组也是静止的。交流励磁机的电枢绕组、副励磁机转子、不可控整流装臵与发电机转子同轴同速旋转。交流励磁机和发电机都不需要配滑环、炭刷，因此，这种励磁系统又称为无刷励磁系统。

无刷励磁系统的主要特点是：

交流励磁机和发电机都没有滑环、炭刷，励磁容量可以不受限制；

没有滑环、炭刷，运行维护方便；

没有滑环、炭刷，不会产生火花，可以使用于有易燃、易爆气体的场合；

没有滑环、炭刷，不会产生炭粉和铜末，因而不会导致电机绕组的绝缘被污染而降低绝缘水平。

三机系统和两机系统都可以是无刷励磁系统。

交流励磁机不可控整流器励磁系统是目前我国电力系统中使用最多的励磁系统。

交流励磁机可控整流器励磁系统交流励磁机可控整流器励磁系统由三相可控整流桥、发电机的励磁调节器、交流励磁机及其自励恒压装臵（系统）组成（图2-3）。

同步电机的励磁电源是交流励磁机的输出。可控整流装臵将交流励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装臵的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。

这种励磁系统也称为它励可控硅励磁系统。