物理发电机励磁系统基础理论
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❖《电力系统自动化》 李先彬 主编 中国电力出版社
与励磁系统相关的专业知识
❖《电力系统分析》 ❖《电机学》 ❖《自动控制原理》
第一章 发电机励磁 系统的任务
概述
❖ 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励 磁调节器两部分组成。
❖ 励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流， 即励磁电流。
❖ 励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制 励磁功率单元的输出。
3
提高继电保护工作的准确性
发电机励磁系统的任务
水轮发电机强行减磁
当水轮发电机组发生故障突 然跳闸时，由于它的调速系统具 有较大的惯性，不能迅速关闭导 水叶，因而会使转速急剧上升。 如果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， 所以，在这种情况下，要求励磁 自动控制系统能实现强行减磁。
发电机励磁系统的任务
发电机励磁系统的任务
没有励磁调节器的情况下（Eq保持不变）暂态 过程：
❖线路II发生短路（电压降低，输送功率减小） ❖线路II故障切除（输送功率增加，但仍小于正
常情况） ❖线路I单独供电
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
2、励磁对暂态稳定的影响
图 发电机的暂态稳定等面积法则
Pm Eq，而Eq值与励磁有关。
PG
UGU X'
sin '
此时，可能 大于90度，
但 '仍小于90度
它使发电机能在大于90度范围的人工稳 定区运行，即可提高发电机输送功率极 限或提高系统的稳定储备。另外，当系 统联系较弱时，PSS可以抑制低频振荡。
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
2、励磁对暂态稳定的影响
.
UG = 常数
G.
IG
改变功角 改变无功
发电机励磁系统的任务
二、控制无功功率的分配
由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。
发电机励磁系统的任务
二、控制无功功率的分配 ❖ 在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是
无限大母线，母线电压将随着负荷波动而改变。 电厂输出无功电流与它的母线电压水平有关，改 变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电 压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组 的无功功率。因此同步发电机的励磁自动控制系 统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的 任务。 ❖ 讨论：励磁系统是否完全不影响有功调节？
对励磁系统的基本要求
❖ 对励磁调节器的要求 1、对励磁调节器的要求： 1.1、电压静差率，半导体＜1%。（规程） 1.2、电压调差率，±10%。 1.3、连续调节，没有失灵区。 1.4、能迅速反应系统故障，具备强励等功能。 1.5、具有较小的时间常数。 1.6、长期可靠工作。
对励磁系统的基本要求
进行某种适当的控制，同样可以改善电力系统的暂态 稳定性。 ❖ 要求励磁系统首先必须具备快速响应的条件:
一方面缩小励磁系统的时间常数, 另一方面要尽可能提高强行励磁的倍数（同样的时 间，曲线更陡）.
发电机励磁系统的任务
四、强行励磁以改善电力系统运行条件
1
改善异步电动机的自启动
2
为异步发电机运行创造条件
2、对励磁功率单元的要求 2.1、足够的容量，N-1冗余配置。 2.2、具有足够的励磁顶值电压和电压上升速
度。 强励倍数，励磁电压响应比。 高起始响应励磁系统（励磁电压响应时
发电机励磁系统的任务
三、提高发电机并联运行的稳定性 ❖ 静态稳定: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:电力系统在某一正常方式下突然遭受大 扰动后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.
❖ 动态稳定:电力系统受到小的或大的扰动后,计及 自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定稳 定称为动态稳定.
发电机励磁系统的任务
图1.2 同步发电机的外特性
发电机励磁系统的任务
❖同步发电机的外特性是下降的。 当励磁电流IEF一定时，发电机端 电压UG随着无功负荷增大而下降。
❖同步发电机的励磁控制系统就是 通过不断地调节励磁电流来维持机 端电压为给定水平。
发电机励磁系统的任务
二、控制无功功率的分配
设单机无穷大系统：
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
1、励磁对静态稳定的影响
发电机的输出功率为
PG
EqU X
sin
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
Байду номын сангаас
c
a
b
图 同步发电机的功角特性
最大可能传输的功率极限为
Pm
EqU X
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
内功角特性：无自动励磁调节器，Eq为常数。 外功角特性：有自动励磁调节器，恒Ug，Eq变化。
IQ IG
.
Eq
φ
.
..
UG j IQ xd
相量图
Eq UG jIG Xd
发电机励磁系统的任务
一、电压控制
Eq cos G U G I Q X d
Eq UG IQ X d
同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节 励磁电流来维持机端电压为给定水平的（IEF对应 Eq）。
同步发电机的外特性（图）
本课程主要内容
❖第一章：发电机励磁系统的任务 ❖第二章：同步发电机励磁系统类型 ❖第三章：励磁系统中转子磁场的建立和灭
磁 ❖第四章：励磁控制系统的调节特性和并联
机组间的无 功分配 ❖第五章：励磁调节装置原理 ❖第六章：励磁自动控制系统的动态特性
参考教材
❖《电力系统自动装置原理》 杨冠城 主编 中国电力出版社
❖ 整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功 率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
概述
图1.1 励磁系统结构框图
发电机励磁系统的任务
电
无
提
强
强
压
功
高
行
行
控
分
稳
励
减
制
配
定
磁
磁
发电机励磁系统的任务
❖电压控制
GEW
.
IEF
.
UEF
..
UG
G IG
等值电路
.
xd IG
.
.
Eq
UG
φ
. δG
IP
..
发电机励磁系统的任务
❖ 如果在摆动过程中故障切除，则跳到曲线III上运 行，此时输送的极限功率小于曲线I。
❖ 如果励磁系统装设自动调节器，则在故障II短路时 增加励磁，这时不但减少了加速面积，而且还增 大了减速面积。
❖ 当往回摆动时，调节曲线，减少减速面积，减少 回程振幅。
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性 2、对暂态稳定的影响 ❖ 在一定的条件下,励磁自动控制系统如果能按照要求
与励磁系统相关的专业知识
❖《电力系统分析》 ❖《电机学》 ❖《自动控制原理》
第一章 发电机励磁 系统的任务
概述
❖ 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励 磁调节器两部分组成。
❖ 励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流， 即励磁电流。
❖ 励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制 励磁功率单元的输出。
3
提高继电保护工作的准确性
发电机励磁系统的任务
水轮发电机强行减磁
当水轮发电机组发生故障突 然跳闸时，由于它的调速系统具 有较大的惯性，不能迅速关闭导 水叶，因而会使转速急剧上升。 如果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， 所以，在这种情况下，要求励磁 自动控制系统能实现强行减磁。
发电机励磁系统的任务
发电机励磁系统的任务
没有励磁调节器的情况下（Eq保持不变）暂态 过程：
❖线路II发生短路（电压降低，输送功率减小） ❖线路II故障切除（输送功率增加，但仍小于正
常情况） ❖线路I单独供电
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
2、励磁对暂态稳定的影响
图 发电机的暂态稳定等面积法则
Pm Eq，而Eq值与励磁有关。
PG
UGU X'
sin '
此时，可能 大于90度，
但 '仍小于90度
它使发电机能在大于90度范围的人工稳 定区运行，即可提高发电机输送功率极 限或提高系统的稳定储备。另外，当系 统联系较弱时，PSS可以抑制低频振荡。
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
2、励磁对暂态稳定的影响
.
UG = 常数
G.
IG
改变功角 改变无功
发电机励磁系统的任务
二、控制无功功率的分配
由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。
发电机励磁系统的任务
二、控制无功功率的分配 ❖ 在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是
无限大母线，母线电压将随着负荷波动而改变。 电厂输出无功电流与它的母线电压水平有关，改 变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电 压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组 的无功功率。因此同步发电机的励磁自动控制系 统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的 任务。 ❖ 讨论：励磁系统是否完全不影响有功调节？
对励磁系统的基本要求
❖ 对励磁调节器的要求 1、对励磁调节器的要求： 1.1、电压静差率，半导体＜1%。（规程） 1.2、电压调差率，±10%。 1.3、连续调节，没有失灵区。 1.4、能迅速反应系统故障，具备强励等功能。 1.5、具有较小的时间常数。 1.6、长期可靠工作。
对励磁系统的基本要求
进行某种适当的控制，同样可以改善电力系统的暂态 稳定性。 ❖ 要求励磁系统首先必须具备快速响应的条件:
一方面缩小励磁系统的时间常数, 另一方面要尽可能提高强行励磁的倍数（同样的时 间，曲线更陡）.
发电机励磁系统的任务
四、强行励磁以改善电力系统运行条件
1
改善异步电动机的自启动
2
为异步发电机运行创造条件
2、对励磁功率单元的要求 2.1、足够的容量，N-1冗余配置。 2.2、具有足够的励磁顶值电压和电压上升速
度。 强励倍数，励磁电压响应比。 高起始响应励磁系统（励磁电压响应时
发电机励磁系统的任务
三、提高发电机并联运行的稳定性 ❖ 静态稳定: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:电力系统在某一正常方式下突然遭受大 扰动后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.
❖ 动态稳定:电力系统受到小的或大的扰动后,计及 自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定稳 定称为动态稳定.
发电机励磁系统的任务
图1.2 同步发电机的外特性
发电机励磁系统的任务
❖同步发电机的外特性是下降的。 当励磁电流IEF一定时，发电机端 电压UG随着无功负荷增大而下降。
❖同步发电机的励磁控制系统就是 通过不断地调节励磁电流来维持机 端电压为给定水平。
发电机励磁系统的任务
二、控制无功功率的分配
设单机无穷大系统：
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
1、励磁对静态稳定的影响
发电机的输出功率为
PG
EqU X
sin
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
Байду номын сангаас
c
a
b
图 同步发电机的功角特性
最大可能传输的功率极限为
Pm
EqU X
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性
内功角特性：无自动励磁调节器，Eq为常数。 外功角特性：有自动励磁调节器，恒Ug，Eq变化。
IQ IG
.
Eq
φ
.
..
UG j IQ xd
相量图
Eq UG jIG Xd
发电机励磁系统的任务
一、电压控制
Eq cos G U G I Q X d
Eq UG IQ X d
同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节 励磁电流来维持机端电压为给定水平的（IEF对应 Eq）。
同步发电机的外特性（图）
本课程主要内容
❖第一章：发电机励磁系统的任务 ❖第二章：同步发电机励磁系统类型 ❖第三章：励磁系统中转子磁场的建立和灭
磁 ❖第四章：励磁控制系统的调节特性和并联
机组间的无 功分配 ❖第五章：励磁调节装置原理 ❖第六章：励磁自动控制系统的动态特性
参考教材
❖《电力系统自动装置原理》 杨冠城 主编 中国电力出版社
❖ 整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功 率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
概述
图1.1 励磁系统结构框图
发电机励磁系统的任务
电
无
提
强
强
压
功
高
行
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控
分
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减
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配
定
磁
磁
发电机励磁系统的任务
❖电压控制
GEW
.
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.
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..
UG
G IG
等值电路
.
xd IG
.
.
Eq
UG
φ
. δG
IP
..
发电机励磁系统的任务
❖ 如果在摆动过程中故障切除，则跳到曲线III上运 行，此时输送的极限功率小于曲线I。
❖ 如果励磁系统装设自动调节器，则在故障II短路时 增加励磁，这时不但减少了加速面积，而且还增 大了减速面积。
❖ 当往回摆动时，调节曲线，减少减速面积，减少 回程振幅。
发电机励磁系统的任务
三、提高并联运行的稳定性 2、对暂态稳定的影响 ❖ 在一定的条件下,励磁自动控制系统如果能按照要求