励磁培训

励磁系统概述

1.1 励磁系统的任务

同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称为励磁电流，而供给电流的整个系统称为励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子，故励磁电流也叫转子电流。

在电力系统的运行中，同步发电机是电力系统的无功功率主要来源之一，通过调节励磁电流可以改变发电机的无功功率，维持发电机端电压。不论在系统正常运行还是故障情况下，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。励磁系统的安全运行，不仅与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关，而且与发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。同步发电机励磁系统的任务有以下几点：

1 电压控制

在同步发电机空载运行中，转子以同步转速n旋转时，励磁电流产生的主磁通Φ0切割N匝定子绕组感应出频率为f=pn/60的三相基波电势，其有效值E0同f，N, Φ0以及绕组系数k的关系：E0=4.44 fNkΦ0

这样，改变励磁电流If以改变主磁通Φ0，空载电势E0值也将改变，二者的关系就是发电机的空载特性E0=f(If)或发电机的磁化特性Φ0=f(Ff)。在发电机空载状态下，空载电势E0就等于发电机端电压Ut，改变励磁电流也就改变发电机端电压。

完成电压控制的设备是由励磁调节器，励磁电源，发电机等组成，同步发电机励磁控制系统框图的一般形式如图1-1所示。

图1-1 同步发电机励磁控制系统框图

在图1-1中，虚线框内是励磁调节器的基本原理框图。按照调节原理，一个控制调节装置，至少要有三个环节或单元。第一是测量单元，它是一个负反馈环节；第二是给定单元，它是调节中的参考点；第三是比较放大单元，它将测量值同参考值进行比较，并对比较结果的差值进行放大，从而输出控制电压Uk。这里的其他信号，是指调节器中的其他功能的作用信号，比如调差、励磁电流限制、无功限制、PSS等。这里的励磁电源是指可控硅整流装置。

对于一个励磁控制系统来说，电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。为实现这一目的，首先就要设定电压，要有一个给定信号Ug，以便明确电压控制值；其次要测量电压，看发电机端电压是多少，这里由发电机电压互感器PT和调节器中的测量板组成，将Ut变为Uc；最后，由调节器比较给定值和测量值，当测量值小于给定值时，励磁装置增加励磁电流If，使发电机端电压上升，当测量值大于给定值时，励磁装置减少If使发电机端电压下降。

2 无功分配

在发电机负载运行时，根据所带负载的性质，空载电势E0同发电机端电压Ut的关系发生了变化。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，随着负载的增加，Ut越来越小于E0，这时为了维持Ut不变，必须增大励磁电流；当发电机带容性负载时，电枢反应具有助磁性质，随着负载的增加，Ut越来越大于E0，同样为了维持Ut不变，必须减少励磁电流。

在发电机并网运行时，系统母线电压控制着发电机端电压Ut，当调节励磁电流If，使E0发生变化时，发电机的定子电流和功率因数也随之变化，即发电机的无功功率随If变化。同步发电机的V形曲线，就是反映了励磁电流同定子电流的关系。在这一关系中，功率因数等于1的励磁电流称为正常励磁。当励磁电流大于正常励磁时，定子电流滞后于端电压，功率因数滞后，发电机输出滞后无功功率，这种状态我们俗称为发电机带无功运行；当励磁电流小于正常励磁时，定子电流超前于端电压，功率因数超前，发电机输出超前无功功率，这种状态我们俗称为发电机进相运行。

在发电厂中数台发电机并网运行时，调节一台发电机的励磁电流，不仅会改变这台机的无功，还要影响其他发电机的无功稳定性。为此，励磁系统分配并联运行的发电机无功时，还要考虑其稳定性和合理性，这就要求励磁调节器具有调差功能。

母线电压水平及无功功率在机组之间的分配，取决于发电机的电压调节特性即调差特性Ut=f （Q），一般来说，发电机的调差特性是一条发电机端电压Ut随无功Q增加而下降的直线，见图1-2的正调差系数K3，K0和K2分别表示零调差和负调差系数。

如果励磁调节器具有调差功能，则发电机总的调差系数是发电机（发变组）的自然调差系数与励磁调差系数的代数和。由于自然调差系数不可变，故发电机的总调差系数由励磁调差系数控制。若励磁调差系数为零，比如退出调节器中的调差电路，则发电机的调差特性就是自然调差特性，其大小由发电机和变压器的电磁参数决定，且变压器参数起主导作用；若励磁调差系数为负，如图1-2中的直线K2所示，则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数减励磁调差系数的差；若励磁调差系数为正，如图1-2中的直线K1所示，则发电机调差特性就是发电机的自然调差系数加励磁调差系数的和。在这里之所以有加减之别，其目的是在控制励磁调差系数大小情况下，保证发电机调差特性向下倾斜，因为只有具有正调差特性的发电机才能并联运行。对于单元接线的发电机系统来说，若发变组的自然调差率很大，励磁调差系数应选择负，以补偿无功电流在主变上的压降；若发变组的自然调差率很小，励磁调差系数应选择正。对于扩大单元接线的发电机系统来说，由于发电机的自然调差率很小，为保证数台发电机的并联运行及其无功功率的均衡分配，发电机必须具有基本一致的正调差特性，这就要求励磁调差必须为正极性。图1-3是两台发电机并入电网后，二者调差特性与无功分配关系，图中Uto是两台发电机空载额定电压，Us母线电压，K1和K2是两台发电机各自的调差系数。这两台发电机并网后，调节励磁电流，其K1和K2直线平行上下移动，所对应的无功Q1和Q2也随之改变，并且相互不影响。

0 Q 0 Q1 Q2 Q

图1-2 励磁调差特性图1-3 并联运行机组调差特性

我们知道，无论励磁调节器是何种类型，其工作原理都是将反映发电机端电压Ut的测量电压Uc，与给定电压Ug进行比较，从而得到发电机电压偏差信号即控制电压Uk。对于可控硅整流器

来说，Uk 经移相器产生α角变化的脉冲，以此改变整流桥输出电压，使发电机端电压同给定电压保持一致。如果在测量电压Uc 或者给定电压Ug 上，再叠加一个反映发电机无功变化的附加量U q ，就能使控制电压Uk 和α角产生变化，从而改变发电机的电压调节特性。这个附加量就是励磁调差起作用的量，也称无功补偿量，其极性直接影响励磁调差极性。一般说来，给定为正信号，测量为负信号，图1-4描述了这一过程的基本原理，虚线表示调差单元的输出电平可以有两种接入方式参与励磁调节。

Ug

图1-4 励磁装置调差原理图

如果将调节器中调差单元接入到给定单元上，当调差单元随发电机+Q 增加而输出+Uq 时，就会引起给定电压Ug 增加，控制电压Uk 增加，α角减少，最终使得发电机端电压Ut 增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q 增加而输出-Uq 时，就会引起相反的结果，此时的励磁调差就是正调差。在图1-2中，将给定电压Ug 和控制电压Uk 引入纵坐标，就能根据Ug=f （Q ）和Uk=f （Q ）来判断励磁调差极性。

如果将调节器中调差单元接入到测量单元上，当调差单元随发电机+Q 增加而输出+Uq 时，就会引起测量电压Uc 减少，控制电压Uk 增加，α角减少，最终使得发电机端电压Ut 增加，此时的励磁调差就是负调差。当调差单元随+Q 增加而输出-Uq 时，就会引起相反的结果，此时的励磁调差就是正调差。

3 提高电力系统稳定性

a 提高静态稳定性

静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低，可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断，这也

Pmax’’= UtUc/Xe

Pmax’= Eq ’ Uc/(Xe+Xd’)

Pmax = E 0Uc/(Xe+Xd)

中：Uc 为无穷大系统电压

Xd 为d 轴同步电抗

Xd’为d 轴暂态电抗

Xe 为发电机至无穷大系统间的电抗

图1-5 调节励磁对功率特性的影响

在单机-无穷大系统中，如果发电机没有励磁控制，则正常运行时，发电机的空载电势E 0保持不变，那么该系统的静态极限为Pmax ，其功率特性曲线见图1-5中的曲线1。如果发电机具有