第二章 同步发电机励磁控制系统

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
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。
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。
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
静止励磁方式的主要优点是： 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不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资。
③直接利用晶闸管取得励磁能量，机端电压与机组转速的一次方 成正比，故静止励磁输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例 。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。 这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。
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
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
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）
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
这样，切换对励磁系统的影响最小。
三、励磁调节器的静态工作特性
1、静态工作特性的合成
2、发电机励磁控制系统静态特性 发电机励磁自动控制系统=励磁系统+发电机 发电机的调节特性是发电机转子电流IEF与无功负荷电流IQ之间 的关系。
调节特性稍有下倾，下倾的程度表征了发电机励磁控制系统运 行特性的一个重要参数：调差系数 调差系数用δ 表示，其定义为
3、移相触发单元 移相触发单元是励磁调节器的输出单元，它根据综合放大单 元送来的综合控制信USM的变化，产生触发脉冲，用以触发功率整 流单元的晶闸管，从而改变可控整流柜的输出，达到调节发电机 励磁的目的。
余弦波移相触发单元（具体电路从略）的输入电压USM与控制 角α具有下述关系：
U arcco s - S M U sym
时无功负荷的稳定分配。因此，发电机的调差系数δ需要根据运行 的需要，认为地加以调整，使调差系数加大到3%～5%。 ①调差系数的分布和应用 当调差系数δ > 0，即为正调差系数，表示发电机外特性下倾；
当调差系数δ < 0，即为负调差系数，表示发电机外特性上翘； 当调差系数δ = 0，即为无差调节。 在实际运行中，发电机 一般采用正调差系数。负调 差系数主要是用来补偿变压 器阻抗上的压降，使发电机变压器组的外特性下倾度不 致太厉害，这对于大型机组 是必要的。
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
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
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。
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
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Fra Baidu bibliotek磁机励磁系统
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。
U se K U G
2、综合放大 综合放大单元是沟通测量比较单元及调差单元与移相触发单 元的一个中间单元。来自测量比较单元及调差单元的电压信号在 综合放大单元与励磁限制、稳定控制及反馈补偿等其他辅助调节 信号加以综合放大，用来得到满足移相触发单元相位控制所需的 控制电压。 综合放大单元输入信号中 ，除基本控制部分电压偏差信 号Ude外，为适应发电机各种 工况的工作，还需要多种辅助 控制信号，如最大、最小励磁 限制信号，为改善励磁系统动 态性能而增设的微分反馈信号 （即励磁系统稳定信号）及提 高电力系统稳定的（电力系统 稳定器）信号等。
U sym — 同 步 电 压 幅 值
U d 2 .3 4U 2 co s
2 .3 4U 2 U sym
U S M K 3 K 4U S M
U 2—全控整流桥输入相电压有效值
4、自动－手动的自动切换 自动（AC）与手动（DC）切换的 原则是切换瞬间满足：
U S' M U S M
四、励磁调节器静态工作特性的调整
对自动励磁调节器工作特性进行调整，主要是为了满足运行 方面的要求：
① 保证并列运行发电机组间无功电流的合理分配，即改变调差系 数； ② 保证发电机能平稳的投入和退出工作，平稳的改变无功负荷， 而不发生无功功率的冲击现象，即上下平移无功调节特性。 1、调差系数的调整 由图2.4-12和图2.4-14可知，
=
U G1 U G 2 U GN
U
G 1*
U G 2*
式中 UGe —发电机额定电压； UG1、UG2 —分别为空载运行 和带额定无功电流时的发电机电压 （见图2.4-14）,一般取UG2 =UGe 。 调差系数也可用百分数表示：
%=
U G1 U G 2 U GN
100%
调差系数δ表示了无功电流从零增加到额定值时，发电机电压 的相对变化。调差系数越小，无功电流变化时发电机电压变化越小 。所以，调差系数δ表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。
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。
U
AVR
K (U se U R E F ) K ( K U G U R E F )
'
UG
1 KK
'
U
AVR

1 K
'
U REF
1 KK K
' ''
IQ
1 K
'
U REF
由于K’和K’’都为常数，而一般自动励磁调节系统的总放大倍数 K是足够大的，因此，发电机带有励磁调节器时的调差系数一般都 小于1%，近似为误差调节。这种特性不利于发电机组在并列运行
§2.4 励磁调节器原理
一、励磁调节器的功能和基本框图
励磁调节器是一个闭环比例调节器。 输入量：发电机电压UG 输出量：励磁机的励磁电流或是转子电流，通称为IAVR 功能：一是保持发电机的端电压不变；其次是保持并联机组间无功 电流的合理分配。
二、励磁调节器原理
构成励磁调节器的形式很多，但自动控制系统的核心部分却 很相似。基本的控制由测量比较、综合放大、移相触发单元组成 。 1、测量比较单元 作用：测量发电机电压并变换为直流电压，与给定的基准电压相 比较，得出电压的偏差信号。 ①电压测量 电压测量是将机 端三相合成电压降压 、整流、滤波后转换 成一正比于发电机电 压UG的直流电压Use。