发电机励磁控制原理
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发电机原理
励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁 场，原动机拖动转子以转速n旋转时， 其磁场切割定子绕组而感应交流电动 势E0。
励磁系统
就是提供发电机磁场电流的装置（包 括励磁变压器、调节与控制元件、灭 磁装置、起励装置、保护装置等）。
发电机励磁系统的作用
主 要 部 硬 硬 硬 作 件 件 件 硬 件 用 技 技 件 技 分 术 术 技 术 类 术
静态稳定性（小而缓慢）：
提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性
实质是运行点的稳定性。灵敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端 电压的恒定，相当于补偿了全部发电机的d轴同步电抗，即达到线路静稳
功率极限。
暂态稳定性（大而突然）： 表现在强励和快速励磁上—减少加速面积，增加减速面积。 动态稳定性 按电压偏差调节的比例式快速励磁会造成系统机电震荡阻尼变弱甚至
他励交流励磁机系统
两机他励励磁系统
两 机 他 励
自动恒 压装置
FLQ ACL F CT
PT
自动励磁 调节器
他励交流励磁机系统
两机一变励磁系统
两 机 一 变
FLQ ACL F
ZB CT
PT
自动励磁调节器
他励交流励磁机系统
静止整流器交流励磁机系 统需通过滑环、碳刷向转子提 供电流。随着巨型发电机组的 出现，转子电流若超过滑环允 许值，可能产生个别滑环过热 和冒火的现象。所以出现了无 刷励磁。 主励磁机（ACL）电枢是 旋转的，它发出的三相交流电 经旋转的二极管整流桥整流后 直接送发电机转子回路，副励 磁机（PMG）是永磁式中频发 电机，与发电机同轴旋转。还 有一种无刷系统：主励磁机的 励磁电源是发电机出口电压经 励磁变来，是交流发电机。
硬 硬 件 件 技 技 术 术
26
入，将有助于减小超调量，克服振荡，但是，微分作用对输入信号的噪 声非常敏感，是系统抗干扰能力变差，降低系统阻尼。
1
发电机励磁系统的作用
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
励磁辅环功能
励磁限制器
低励限制器 过无功限制器
励磁辅环功能
PSS4B/2B PSVR ESS 转子电压反馈 调差功能 甩负荷控制 系统电压跟踪 电制动控制 转子温度计算 负载大阶跃控制
电网影响的优点，但是相比自励系统响应仍然较慢，而 且维护复杂。
自并励励磁机系统
取消了励磁机，采用变压
KZ FLQ F CT
器作为交流励磁电源，励磁变
ZB
PT
接在发电机出口或厂用母线上 。目前常用一台励磁变压器并
自 并 励
自动励磁 调节器
联在机端，来提供励磁电源，
称为自并励方式。
评价：自励系统尤其是自并励系统，结构简单，响应快速。但是长期
.
j IQ xd
.
. 向量图 . I IQ G
发电机励磁系统的作用2
输入的机械功率
输出的有功，励磁电流
输出的无功。
为保证系统的电压质量和无功潮流合理分布,要求合理控制系统中并
联运行发电机输出的无功功率。
合 理 分 配 无 功
所谓“合理控制”包含两层意思：
①每台发电机发出的无功功率数量要合理； ②当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节 ，而且调节量要合理。
各并联发电机间承担的无功功率取决于各发电机的调差特性—可改变
发电机外特性曲线斜率的大小和正负.
发电机母线电压变化时,发电机外特性曲线的斜率决定发电机发出的 无功功率变化的大小。
发电机励磁系统的作用2
发电机间的无功电流应按照机组容量大小成正比分配，使得母线 电压波动时，各机组无功增量的标幺值相等。通过对调差系数的
合 理 分 配 无 功
调节，可实现这一目的。调差率以发电机额定功率标幺。
调差的设置： 发变组单元高压侧并联： 变压器电抗调差（正调差）+ 发电机调差 （负调差） 长输电线路调差（正调差）+ 发电机调差 （负调差）—（坑口电站） 两机一变扩大单元接线：
发电机正调差，调差率较大
发电机励磁系统的作用3
散 热 器
• 积分调节其控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分项对 误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大可以消除稳态 误差，但是积分作用太强又会使系统快速跟踪能力变差； • 微分调节可以提高控制系统的稳定性，对有较大惯性或滞后的被控对象
，采用微分环节能够改善系统在调节过程中的动态特性。微分作用的引
同步发电机励磁原理
二零一四年十二月
1
发电机励磁系统的作用
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
什么是励磁系统？
物理学：
主 什 要 么 部 硬 硬 是 硬 件 件 件 励 硬 件 技 技 磁 件 技 术 术 系 技 术 统 术 ？
导体在磁场中运动，切割磁力线，在 导体中就会产生电动势。e=Blv
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
PID调节及其算法
PID调节及其算法
• 比例调节其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。可以减小控制系 统惯性时间常数，但相对稳定性降低，当仅有比例控制时系统输出存在
稳态误差，增大比例使系统的动作灵敏、速度加快，调节时间变长；
无 刷 励 磁 系 统
他励交流励磁机系统
无 刷 励 磁 系 统
优点：
彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减 少了机组维护工作量。
缺点：
对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁， 转子电流、电压及温度不便直接测量等。
他励交流励磁机系统
对其评价
评 价
交流他励系统总体说来具有励磁电压稳定，不受
P棒励磁系统 直流励磁机励磁系统 谐波励磁系统
他励交流励磁机系统
三机他励励磁系统
FLQ ACFL ACL F CT
三 机 他 励
PT 自动恒 压装置 自动励磁调节器
交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。
副励磁机可以采用自励恒压式（磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后 供电），也可采用永磁发电机。
变负，容易导致低频振荡。
解决方法：PSS或者现代控制理论的励磁控制器
1
发电机励磁系统的作用
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
励磁系统的基本分类
他励交流励磁机系统
三机他励励磁系统 两机他励励磁系统
两机一变励磁系统
无刷励磁系统
自并励励磁系统（主流） 其它励磁系统
励磁保护功能
开机保护 过压保护
过励反时限限制器
定子电流限制器 过激磁限制器 V/F
PT断线保护
二段限制功能
功率柜限制器
最小励磁电流限制器 励磁电流瞬时限制器
励磁限制与保护的协调配合
励磁限制与保护的协调配合
国网（调/4）457-2014《国家电网公司网源协调管理规定》
第三章，第十二条，第五点规定：
维持发电机或其他控制点电压在给定水平-控制电压
控制并联运行机组无功功率的合理分配 —分配无功 什么是励磁系统？
提高电力系统的稳定性—提高稳定性
发电机励磁系统的作用1
发电机单机带负荷时的电压控制
流经转子的励磁电流If在同步发电机内 建立磁场，使定子绕阻产生空载感应电动势 .
UEF If
.
G
UG IG
..
负 荷
控 Eq，Eq与If成正比。
单机带负荷运行原理图
xd Eq
制 电 压
Eq UG jIG X d
式中 IQ-定子电流的无功分量
.
UG
.
Eq
φ
.
调节励磁电流If可以改变Eq，进而可以改 变 UG源自文库
δ
G
等值电路
.
φ
系统电压水平决定于无功电源发出与无功
负荷消耗的无功功率平衡关系
IP
.
UG
励磁限制与保护的协调配合
过励反时限限制器
反时限特性符合以下公式：
T
A I 1 IP
a
其中， • I为转子电流标幺值； • Ip为长期运行值，默认为1； • a为2； • A为反时限常数，国标GB7064要求发电机满足33.75； • 启动值一般设置为1.05-1.1，高于该值才开始热量累积。
以来被认为在电力系统短路故障时尤其是三相短路时无法支撑起电网电
压—动模实验表明，在发电机端三相短路时,自励方式与他励方式的发
电机短路电流上升速度和最大值基本一致,只是在0.5s后两者差别才明
福安元器件 显起来。随着近年来随着封闭母线的大规模运用和控制理论的成熟，已
经成为主流励磁机型。
1
发电机励磁系统的作用
励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁 场，原动机拖动转子以转速n旋转时， 其磁场切割定子绕组而感应交流电动 势E0。
励磁系统
就是提供发电机磁场电流的装置（包 括励磁变压器、调节与控制元件、灭 磁装置、起励装置、保护装置等）。
发电机励磁系统的作用
主 要 部 硬 硬 硬 作 件 件 件 硬 件 用 技 技 件 技 分 术 术 技 术 类 术
静态稳定性（小而缓慢）：
提 高 电 力 系 统 的 稳 定 性
实质是运行点的稳定性。灵敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端 电压的恒定，相当于补偿了全部发电机的d轴同步电抗，即达到线路静稳
功率极限。
暂态稳定性（大而突然）： 表现在强励和快速励磁上—减少加速面积，增加减速面积。 动态稳定性 按电压偏差调节的比例式快速励磁会造成系统机电震荡阻尼变弱甚至
他励交流励磁机系统
两机他励励磁系统
两 机 他 励
自动恒 压装置
FLQ ACL F CT
PT
自动励磁 调节器
他励交流励磁机系统
两机一变励磁系统
两 机 一 变
FLQ ACL F
ZB CT
PT
自动励磁调节器
他励交流励磁机系统
静止整流器交流励磁机系 统需通过滑环、碳刷向转子提 供电流。随着巨型发电机组的 出现，转子电流若超过滑环允 许值，可能产生个别滑环过热 和冒火的现象。所以出现了无 刷励磁。 主励磁机（ACL）电枢是 旋转的，它发出的三相交流电 经旋转的二极管整流桥整流后 直接送发电机转子回路，副励 磁机（PMG）是永磁式中频发 电机，与发电机同轴旋转。还 有一种无刷系统：主励磁机的 励磁电源是发电机出口电压经 励磁变来，是交流发电机。
硬 硬 件 件 技 技 术 术
26
入，将有助于减小超调量，克服振荡，但是，微分作用对输入信号的噪 声非常敏感，是系统抗干扰能力变差，降低系统阻尼。
1
发电机励磁系统的作用
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
励磁辅环功能
励磁限制器
低励限制器 过无功限制器
励磁辅环功能
PSS4B/2B PSVR ESS 转子电压反馈 调差功能 甩负荷控制 系统电压跟踪 电制动控制 转子温度计算 负载大阶跃控制
电网影响的优点，但是相比自励系统响应仍然较慢，而 且维护复杂。
自并励励磁机系统
取消了励磁机，采用变压
KZ FLQ F CT
器作为交流励磁电源，励磁变
ZB
PT
接在发电机出口或厂用母线上 。目前常用一台励磁变压器并
自 并 励
自动励磁 调节器
联在机端，来提供励磁电源，
称为自并励方式。
评价：自励系统尤其是自并励系统，结构简单，响应快速。但是长期
.
j IQ xd
.
. 向量图 . I IQ G
发电机励磁系统的作用2
输入的机械功率
输出的有功，励磁电流
输出的无功。
为保证系统的电压质量和无功潮流合理分布,要求合理控制系统中并
联运行发电机输出的无功功率。
合 理 分 配 无 功
所谓“合理控制”包含两层意思：
①每台发电机发出的无功功率数量要合理； ②当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节 ，而且调节量要合理。
各并联发电机间承担的无功功率取决于各发电机的调差特性—可改变
发电机外特性曲线斜率的大小和正负.
发电机母线电压变化时,发电机外特性曲线的斜率决定发电机发出的 无功功率变化的大小。
发电机励磁系统的作用2
发电机间的无功电流应按照机组容量大小成正比分配，使得母线 电压波动时，各机组无功增量的标幺值相等。通过对调差系数的
合 理 分 配 无 功
调节，可实现这一目的。调差率以发电机额定功率标幺。
调差的设置： 发变组单元高压侧并联： 变压器电抗调差（正调差）+ 发电机调差 （负调差） 长输电线路调差（正调差）+ 发电机调差 （负调差）—（坑口电站） 两机一变扩大单元接线：
发电机正调差，调差率较大
发电机励磁系统的作用3
散 热 器
• 积分调节其控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分项对 误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大可以消除稳态 误差，但是积分作用太强又会使系统快速跟踪能力变差； • 微分调节可以提高控制系统的稳定性，对有较大惯性或滞后的被控对象
，采用微分环节能够改善系统在调节过程中的动态特性。微分作用的引
同步发电机励磁原理
二零一四年十二月
1
发电机励磁系统的作用
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
什么是励磁系统？
物理学：
主 什 要 么 部 硬 硬 是 硬 件 件 件 励 硬 件 技 技 磁 件 技 术 术 系 技 术 统 术 ？
导体在磁场中运动，切割磁力线，在 导体中就会产生电动势。e=Blv
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
PID调节及其算法
PID调节及其算法
• 比例调节其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。可以减小控制系 统惯性时间常数，但相对稳定性降低，当仅有比例控制时系统输出存在
稳态误差，增大比例使系统的动作灵敏、速度加快，调节时间变长；
无 刷 励 磁 系 统
他励交流励磁机系统
无 刷 励 磁 系 统
优点：
彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减 少了机组维护工作量。
缺点：
对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁， 转子电流、电压及温度不便直接测量等。
他励交流励磁机系统
对其评价
评 价
交流他励系统总体说来具有励磁电压稳定，不受
P棒励磁系统 直流励磁机励磁系统 谐波励磁系统
他励交流励磁机系统
三机他励励磁系统
FLQ ACFL ACL F CT
三 机 他 励
PT 自动恒 压装置 自动励磁调节器
交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。
副励磁机可以采用自励恒压式（磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后 供电），也可采用永磁发电机。
变负，容易导致低频振荡。
解决方法：PSS或者现代控制理论的励磁控制器
1
发电机励磁系统的作用
2
3
主 要 内 容
发电机励磁系统的分类
励磁系统的控制原理
励磁系统辅环与保护的配合
4
励磁系统的基本分类
他励交流励磁机系统
三机他励励磁系统 两机他励励磁系统
两机一变励磁系统
无刷励磁系统
自并励励磁系统（主流） 其它励磁系统
励磁保护功能
开机保护 过压保护
过励反时限限制器
定子电流限制器 过激磁限制器 V/F
PT断线保护
二段限制功能
功率柜限制器
最小励磁电流限制器 励磁电流瞬时限制器
励磁限制与保护的协调配合
励磁限制与保护的协调配合
国网（调/4）457-2014《国家电网公司网源协调管理规定》
第三章，第十二条，第五点规定：
维持发电机或其他控制点电压在给定水平-控制电压
控制并联运行机组无功功率的合理分配 —分配无功 什么是励磁系统？
提高电力系统的稳定性—提高稳定性
发电机励磁系统的作用1
发电机单机带负荷时的电压控制
流经转子的励磁电流If在同步发电机内 建立磁场，使定子绕阻产生空载感应电动势 .
UEF If
.
G
UG IG
..
负 荷
控 Eq，Eq与If成正比。
单机带负荷运行原理图
xd Eq
制 电 压
Eq UG jIG X d
式中 IQ-定子电流的无功分量
.
UG
.
Eq
φ
.
调节励磁电流If可以改变Eq，进而可以改 变 UG源自文库
δ
G
等值电路
.
φ
系统电压水平决定于无功电源发出与无功
负荷消耗的无功功率平衡关系
IP
.
UG
励磁限制与保护的协调配合
过励反时限限制器
反时限特性符合以下公式：
T
A I 1 IP
a
其中， • I为转子电流标幺值； • Ip为长期运行值，默认为1； • a为2； • A为反时限常数，国标GB7064要求发电机满足33.75； • 启动值一般设置为1.05-1.1，高于该值才开始热量累积。
以来被认为在电力系统短路故障时尤其是三相短路时无法支撑起电网电
压—动模实验表明，在发电机端三相短路时,自励方式与他励方式的发
电机短路电流上升速度和最大值基本一致,只是在0.5s后两者差别才明
福安元器件 显起来。随着近年来随着封闭母线的大规模运用和控制理论的成熟，已
经成为主流励磁机型。
1
发电机励磁系统的作用