第一章 同步发电机励磁系统概述

第一章 同步发电机励磁系统概述

[ 摘 要 ] 本文阐述了同步发电机励磁系统的任务及发展，讨论了同步发电机的不同励磁方式及其特点，最后介绍了在发电机励磁控制系统的基本要求和相关技术。

[ 关键词 ] 同步发电机 励磁系统

第一节 同步发电机励磁系统的任务和发展

同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场,通常称为励磁功率输出部分（或称为功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流,以满足运行的需要。这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等,一般称为励磁控制部分(或称为控制单元)。

不论在系统正常还是在故障情况下,同步发电机的直流励磁电流都需要控制，因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统不但与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关,而且与发电机及其电力系统的运行稳定性能密切相关。

一．同步发电机励磁系统的任务

（一)控制发电机的端电压

维持发电机的端电压等于给定值是电力系统调压的主要手段之一，在负荷变化的情况下，要保证发电机的端电压为给定值则必须调节励磁。

由发电机的简化相量图(图1-1)可得:

E U jI X q f f d

=+ ﻩﻩ（1-1)

式中：ﻩﻩE ｑ——发电机的空载电势；

U ｆ——发电机的端电压；

I f ——发电机的负荷电流比例。

图１-1 同步发电机简化向量图

式(1-1）说明，在发电机空载电势E q 恒定的情况下，发电机端电压U f 会随负荷电流Ｉf 的加大而降低，为保证发电机端电压U f 恒定,必须随发电机负荷电流I f 的增加（或减小)，增加(或减小)发电机的空载电势E q ,而E ｑ 是发电机励磁电流Ｉfq 的函数(若不考虑饱和,Ｅｑ 和Ｉfq 成正比），故在发电机运行中,随

着发电机负荷电流的变化,必须调节励磁电流来使发电机端电压恒定。

为了表示励磁系统维持发电机端电压恒定的能力，采用了调压精度的概念。所谓调压精度是指在自动励磁调节器投入运行,调差单元退出，电压给定值不进行人工调整的情况下,发电机负载从零变化到视在功率额定值以及环境温度、频率、电源电压波动等在规定的范围内变化时,所引起的发电机端电压的最大变化，常用发电机额定电压的百分数表示。

一般来说,发电机在运行中引起端电压变化的主要因素是负荷电流的变化,通常用发电机调压静差率δＪ来表示这种变化。调压静差率是指自动励磁调节器的调差单元退出,电压给定值不变，负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压的变化率,它可由下式计算：

δJ f f fe U U U (%)=

-⨯0100%ﻩ ﻩﻩ ﻩ ﻩ(1-２)

式中： ﻩU f0——发电机空载电压；

U ｆ——发电机额定负荷时的电压；

U fe ——发电机的额定电压。 通过发电机甩负荷试验可测量发电机的调压静差率，它主要取决于励磁系统的稳态开环放大系数Ｋ0，K ０越大,δJ 便越小。

（二)控制无功功率的分配

当发电机并联于电力系统运行时,它输出的有功决定于从原动机输入的功率,而发电机输出的无功则和励磁电流有关。为分析方便，假定发电机并联在无穷大母线运行，即其机端电压U f 恒定。

设发电机从原动机输入的机械功率不变,即发电机输出的有功功率P f 恒定,则有:

P U I E U X f f f q f d ==

=cos sin ϕδ常数ﻩ ﻩﻩ ﻩ (1-3）

式中： ϕ——发电机的功率因数角;

δ——发电机的功率角。 U ｆ恒定、P f 恒定即意味着I f ｃｏs ϕ和E q sin δ均为常数,在发电机相量图（图1-2）上,这表示发电机电流I f 的矢端轨迹为虚线BB ’,空载电势Ｅq 的矢端轨迹为虚线A Ａ’。当改变发电机的励磁使发电机空载电势E q 变化(如E q 由E q1 变为Ｅq2)时,发电机的负载电流Ｉf 跟着变化(由Ｉf1 变为I f ２),但其有功分量I a =I f c ｏs ϕ恒定,故变化的只是无功电流I Ｒ。所以,在无穷大母线的情况下,调节励磁将改变发电机输出的无功。

图1-2 同步发电机与无穷大母线并联运行向量图

在研究并联运行发电机组间的无功分配问题时所涉及的主要概念之一是发电机机端电压调差率。所谓发电机机端电压调差率是指在自动励磁调节器的调差单元投入,电压给定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机无功负载从零变化到额定值时，用发电机额定电压百分数表示的发电机机端电压变化率δT ，通常由下式计算:

δT f fr fe U U U (%)=

-⨯0100% ﻩ ﻩﻩ ﻩﻩ(1－４）

式中: U f0——发电机空载电压；

U fr ——发电机额定无功负载时的电压;

U fe ——发电机的额定电压。 发电机的端电压调差率，反映了在自动励磁调节器的作用下发电机端电压U f 随着发电机输出无功的变化。自动励磁调节器调差单元的接法不同。发电机端电压U f 可能随发电机输出无功电流I R 的加大而降低，即U f ＜U ｆ0，这时，称发电机有正的电压调差；也可能发电机端电压Ｕｆ随发电机输出无功电流I R 的加大而升高,即U f ＞U f0,则称发电机有负的电压调差；若发电机端电压Ｕf 不随发电机输出无功电流I R 的变化而改变，即U f =U f0,则称发电机没有电压调差，即无差调节。图1-3表示了发电机的三种调差特性。

当多台发电机机端直接并联在一起工作时,为了使并联机组间能有稳定的无功分配,这些发电机都必须有正的电压调差,且要求调差率δT =3％~5%。若发电机是单元接线,即它们是通过升压变压器在高压母线上并联,则要求发电机有负的调差,负调差的作用是部分补偿无功电流在升压变压器上形成的压降(国外常把调差单元称为负荷补偿器），从而使电厂高压母线电压更加稳定。有些电厂为了减小系统电压波动所引起的发电机无功的波动，常常不投入调差单元,而这对电力系统的调压,即保持系统的电压水平是不利的。