电力系统自动装置原理第3章
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改善运行条件③
系统低负荷运行时，发电机的励磁电流不大。若此时 系统发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减， 以致于带时限的继电保护不能正确工作。这时，可增 加励磁，从而增加短路电流，使继电保护正确工作。
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水轮发电机组的强行减励
水轮发电机组发生故障突然跳闸时，调速系统不能迅速 关闭导水叶（惯性作用的结果），致使转速急剧上升， 如不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电 压有可能升高到危及定子绝缘的程度（在励磁电流一定 时，转子转速上升，定子绕组切割磁力线的速度加大， 从而使Eq增大。）
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对励磁功率单元的要求
①具有足够的可靠性和调节容量，以适应各种工况的需要； ②具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。
励磁顶值电压UEFq：强励时励磁功率单元可能提供的最高 输出电压值。 强励倍数：励磁顶值电压UEFq与额定工况时的励磁电压 UEFe之比（视制造和成本，常取1.6~2）。 励磁电压上升速度：衡量励磁功率单元动态行为（快速响 应能力）的指标。具体指标有两种，即励磁电压响应比 和响应时间 。
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励磁电压响应比
UEF(V)
通常，将励磁电压在最初
0.5秒内上升的平均速率定义为 UEFe 励磁电压响应比。具体求法为：
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改善电力系统的运行条件
①加速短路切除后的系统电压恢复过程， 并就此改善异步电动机的自启动条件
②为发电机异步运行和自同期并列创造条 件
③提高继电保护装置工作的正确性
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改善运行条件①
• 电网短路电压降低电动机处于制动状态 • 短路切除后，电动机的自启动需吸收大量无功
功率延缓了电压恢复过程 • 发电机强励加速电压恢复
第3章 同步发电机励磁自动控制系统
小节导航 1 2 3 4 5 小结
第1节 概述
一、同步发电机励磁控制系统的组成
二、同步发电机励磁控制系统的作用或任务
⒈电压控制
⒉控制无功功率的分配
⒊提高同步发电机并联运行的稳定性（①静态稳定②暂态 稳定 ）
⒋改善电力系统的运行条件
⒌水轮发电机组的强行减励
三、对励磁系统的基本要求
PG = EqUsin/x = Pmaxsin
当Eq（与励磁电流相对应）和U固定时，PG是的正弦函数。
因此，调节励磁电流，改变Eq，使发电机的有功功率特性得到改变， 从而改善系统的有功静态传输能力。对于按参数偏差量的比例进行
调节的励磁控制系统，在测量单元无失零区时，功角特性一般只能 近似达到以Eq恒定的特性曲线，此时功率极限角大于90 （参见P47 图3-7）。
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对励磁调节器的要求
①正常运行时，能反映发电机组的电压高低并维持其在给 定水平、能合理分配机组间的无功功率及实现无功功率 的转移；
②对远距离输电的发电机组，为能在人工稳定区域运行 （增加静稳传输能力），要求无失灵区；
③能迅速反映故障，具备强励功能，以提高暂稳水平和改 善系统运行条件；
④时间常数小，反应迅速。
IQ1
IQ2 IQ
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控制无功功率的分配
参考 相位
设机端电压恒定。正常情况下，发电机
Eq jxdIG
机械输入功率Pm和电磁输出功率PG维持 相等，Pm只受调速器的控制，与励磁电
UG
ຫໍສະໝຸດ Baidu
流大小无关。在此可令Pm维持恒定，因
而发电机发出的有功功率也为常数，即： Eqsin = k2线
IG
IGcos = k1线
+ GEW
UEF IEF
G
UG IG
jxd
Eq IG
UG
参考 Eq jxdIG 相位
G UG IQ
IG
UG=EqjxdIGUG=Eqcos -xdIGcos(-)=Eqcos -xdIGsin =Eqcos -xdIQEqxdIQ （当较小时）
无功负荷电流IQ主要造成了Eq与UG间的幅值差，IQ越大， 幅值差越大。
Eq
jxd UG
jxl
U
IG
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P
提高暂态稳定性
P
m
Ⅰ Ⅲ
Ⅱ
以单机无穷大系统为例分析。 o
δ
图中，曲线III对应于故障后采取强励的功角特性。
（利用等面积法则进行分析）
限制励磁对暂稳作用的因素：
励磁系统的时间常数和强励倍数。只有当励磁系统既有快速响 应特性又有高的强励倍数时，才对改善电力系统的暂态稳定性有明 显的作用。
⒈对励磁调节器的要求
⒉对励磁功率单元的要求
小节导航 1 2 3 4 5 小结
转第2节
同步发电机励磁控制系统的组成
①励磁调节器：根据测量的信息和给定的调节准则控制 下一单元的输出。
②励磁功率单元：向同步发电机转子提供直流励磁电流。 ③发电机：调节对象（控制对象）。
其中，①和②构成励磁系统。
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电 压 控 制
PG = UGIGcos=常数
（为功率因数角） (1)
又，若忽略发电机定子电阻和凸极效应，则发电机发出的有功功率为：
PG = EqUG/xd sin =常数 （为发电机的功率角） (2) 由（1）和（2）知： IGcos = k1（常数） Eqsin = k2（常数）
另，发电机发出的无功功率为：
QG = UGIGsin=UGk1tg 或 QG =[EqUGcosUG2]/xd = k2tg - UG2/xd
由外特性，当励磁电流一定时，UG随IQ UG 的增大而下降。若IQ太大造成UG过小， UGe 满足不了运行条件，则需通过励磁控制 UG2
系统增加励磁电流，从而增大Eq，以使 UG上升到满足运行条件；若IQ太小，造 成UG过大，则需减小励磁电流，从而减 小Eq，使UG下降到满足运行条件。
IEF2 IEF1
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改善运行条件②
A.失磁或低励发电机从系统吸收大量无功功率系统电 压大幅降低严重时危及安全运行。此时，系统其它 机组增加励磁提供足够的无功功率维持系统电压 失磁或低励发电机在一定时间内异步运行（确保系 统安全运行和有利于机组热力设备的运行）。
B.系统有功功率发生缺额时，备用水轮机组自同期投入 吸收大量无功功率系统电压突然降低系统中其 它机组应迅速增加励磁保证电网电压恢复和缩短机 组并列过程。
结论：虽然IEF改变使Eq、及发生了变化，但仍可使PG维持恒定，而QG随之
调节，即在调节励磁时，一方面可以维持PG恒定，另一方面又可改变发电机 承担的无功功率。因此，在多机系统中，可以通过调节励磁电流来实现并联
运行发电机组间无功功率的合理分配。
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提高静态稳定性
以单机无穷大系统为例分析。
发电机输出的有功功率（功率或功角特性）为：
改善运行条件③
系统低负荷运行时，发电机的励磁电流不大。若此时 系统发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减， 以致于带时限的继电保护不能正确工作。这时，可增 加励磁，从而增加短路电流，使继电保护正确工作。
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水轮发电机组的强行减励
水轮发电机组发生故障突然跳闸时，调速系统不能迅速 关闭导水叶（惯性作用的结果），致使转速急剧上升， 如不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电 压有可能升高到危及定子绝缘的程度（在励磁电流一定 时，转子转速上升，定子绕组切割磁力线的速度加大， 从而使Eq增大。）
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对励磁功率单元的要求
①具有足够的可靠性和调节容量，以适应各种工况的需要； ②具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。
励磁顶值电压UEFq：强励时励磁功率单元可能提供的最高 输出电压值。 强励倍数：励磁顶值电压UEFq与额定工况时的励磁电压 UEFe之比（视制造和成本，常取1.6~2）。 励磁电压上升速度：衡量励磁功率单元动态行为（快速响 应能力）的指标。具体指标有两种，即励磁电压响应比 和响应时间 。
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励磁电压响应比
UEF(V)
通常，将励磁电压在最初
0.5秒内上升的平均速率定义为 UEFe 励磁电压响应比。具体求法为：
返回
改善电力系统的运行条件
①加速短路切除后的系统电压恢复过程， 并就此改善异步电动机的自启动条件
②为发电机异步运行和自同期并列创造条 件
③提高继电保护装置工作的正确性
返回
改善运行条件①
• 电网短路电压降低电动机处于制动状态 • 短路切除后，电动机的自启动需吸收大量无功
功率延缓了电压恢复过程 • 发电机强励加速电压恢复
第3章 同步发电机励磁自动控制系统
小节导航 1 2 3 4 5 小结
第1节 概述
一、同步发电机励磁控制系统的组成
二、同步发电机励磁控制系统的作用或任务
⒈电压控制
⒉控制无功功率的分配
⒊提高同步发电机并联运行的稳定性（①静态稳定②暂态 稳定 ）
⒋改善电力系统的运行条件
⒌水轮发电机组的强行减励
三、对励磁系统的基本要求
PG = EqUsin/x = Pmaxsin
当Eq（与励磁电流相对应）和U固定时，PG是的正弦函数。
因此，调节励磁电流，改变Eq，使发电机的有功功率特性得到改变， 从而改善系统的有功静态传输能力。对于按参数偏差量的比例进行
调节的励磁控制系统，在测量单元无失零区时，功角特性一般只能 近似达到以Eq恒定的特性曲线，此时功率极限角大于90 （参见P47 图3-7）。
返回
对励磁调节器的要求
①正常运行时，能反映发电机组的电压高低并维持其在给 定水平、能合理分配机组间的无功功率及实现无功功率 的转移；
②对远距离输电的发电机组，为能在人工稳定区域运行 （增加静稳传输能力），要求无失灵区；
③能迅速反映故障，具备强励功能，以提高暂稳水平和改 善系统运行条件；
④时间常数小，反应迅速。
IQ1
IQ2 IQ
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控制无功功率的分配
参考 相位
设机端电压恒定。正常情况下，发电机
Eq jxdIG
机械输入功率Pm和电磁输出功率PG维持 相等，Pm只受调速器的控制，与励磁电
UG
ຫໍສະໝຸດ Baidu
流大小无关。在此可令Pm维持恒定，因
而发电机发出的有功功率也为常数，即： Eqsin = k2线
IG
IGcos = k1线
+ GEW
UEF IEF
G
UG IG
jxd
Eq IG
UG
参考 Eq jxdIG 相位
G UG IQ
IG
UG=EqjxdIGUG=Eqcos -xdIGcos(-)=Eqcos -xdIGsin =Eqcos -xdIQEqxdIQ （当较小时）
无功负荷电流IQ主要造成了Eq与UG间的幅值差，IQ越大， 幅值差越大。
Eq
jxd UG
jxl
U
IG
返回
P
提高暂态稳定性
P
m
Ⅰ Ⅲ
Ⅱ
以单机无穷大系统为例分析。 o
δ
图中，曲线III对应于故障后采取强励的功角特性。
（利用等面积法则进行分析）
限制励磁对暂稳作用的因素：
励磁系统的时间常数和强励倍数。只有当励磁系统既有快速响 应特性又有高的强励倍数时，才对改善电力系统的暂态稳定性有明 显的作用。
⒈对励磁调节器的要求
⒉对励磁功率单元的要求
小节导航 1 2 3 4 5 小结
转第2节
同步发电机励磁控制系统的组成
①励磁调节器：根据测量的信息和给定的调节准则控制 下一单元的输出。
②励磁功率单元：向同步发电机转子提供直流励磁电流。 ③发电机：调节对象（控制对象）。
其中，①和②构成励磁系统。
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电 压 控 制
PG = UGIGcos=常数
（为功率因数角） (1)
又，若忽略发电机定子电阻和凸极效应，则发电机发出的有功功率为：
PG = EqUG/xd sin =常数 （为发电机的功率角） (2) 由（1）和（2）知： IGcos = k1（常数） Eqsin = k2（常数）
另，发电机发出的无功功率为：
QG = UGIGsin=UGk1tg 或 QG =[EqUGcosUG2]/xd = k2tg - UG2/xd
由外特性，当励磁电流一定时，UG随IQ UG 的增大而下降。若IQ太大造成UG过小， UGe 满足不了运行条件，则需通过励磁控制 UG2
系统增加励磁电流，从而增大Eq，以使 UG上升到满足运行条件；若IQ太小，造 成UG过大，则需减小励磁电流，从而减 小Eq，使UG下降到满足运行条件。
IEF2 IEF1
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改善运行条件②
A.失磁或低励发电机从系统吸收大量无功功率系统电 压大幅降低严重时危及安全运行。此时，系统其它 机组增加励磁提供足够的无功功率维持系统电压 失磁或低励发电机在一定时间内异步运行（确保系 统安全运行和有利于机组热力设备的运行）。
B.系统有功功率发生缺额时，备用水轮机组自同期投入 吸收大量无功功率系统电压突然降低系统中其 它机组应迅速增加励磁保证电网电压恢复和缩短机 组并列过程。
结论：虽然IEF改变使Eq、及发生了变化，但仍可使PG维持恒定，而QG随之
调节，即在调节励磁时，一方面可以维持PG恒定，另一方面又可改变发电机 承担的无功功率。因此，在多机系统中，可以通过调节励磁电流来实现并联
运行发电机组间无功功率的合理分配。
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提高静态稳定性
以单机无穷大系统为例分析。
发电机输出的有功功率（功率或功角特性）为：