图解发电机励磁原理
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性的振荡）（稳定余度好极限功率问题、安稳切机问题）； ❖ 暂态稳定是大扰动后系统在随后的1－2个周波的稳定性；
（周期性振荡）（安稳切机问题、继电保护问题）； ❖ 动态稳定是微小扰动或者是大扰动1－2周波后（暂稳后期），
因自动调节作用产生的电力稳工定程技性术（稳chi定na-d（ianli励） 磁PSS问题）。
2. 从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级）
提高系统的静态稳定性（小扰动稳定） 提高系统的动态稳定性（小扰动失稳） 提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）
励磁是发电机励磁，也是电系力统工程的技术励（磁chin，a-dia但nli）更重要的还是发电机励磁
励磁控制系统的主要任务
1、同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是 维持发电机电压在给定水平上
电力工程技术（china-dianli）
励磁对暂态稳定的影响
✓(a)单机无限大母线系统
✓(b)短路故障下，功率特性曲线的变化：初
始工作曲线1；短路后3；故障切除2
✓ 暂态稳定性决定于加速面积abedabcd是否
提高暂态稳定性有两种方法
小于或等于减速面积dfed。
1、减小加速面积：加快故障切除时间
2、增大减速面积：提高励磁电压响应比；提
发电机励磁系统原理 电力工程技术（china-
பைடு நூலகம்dianli）
电力工程技术（china-dianli）
水轮发电厂原理
大坝、水电厂、水轮 机、发电机定子、转 子、励磁系统
电力工程技术（china-dianli）
水轮发电厂转子
n=60f/P 励磁绕组（d轴） 阻尼绕组（d轴、 q轴）
电力工程技术（china-dianli）
我国电力系统稳定导则定义
静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动
恢复到起始运行状态的能力。稳定导则还规定，在有防止事故扩大
的相应措施的情况下，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下
允许只按静态稳定储备送电。
暂态稳定是指电力系统受到大扰动后, 各同步电机保持同步运行并
过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。暂态稳定的判据是
交流励磁机系统（三机它励） 同轴
组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同
轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。 也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。
优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响 缺点：调节速度慢，轴系长电力度工长程技，术易（c引hin发a-d轴ianl系i）振荡
励磁的基本概念
什么是励磁？
导体切割磁力线感生电动势e
励磁就是提供一个磁场B
4.44:有效值系数
E=4.44fNΦ
F:励磁条件与影响 N:机端电压影响
Φ:与励磁电流关系
对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ 电力工程技术（china-dianli）
励磁的基本任务
Governor调速 Frequency（f） Active Power（P）
110 V DC
Generator
Main Exciter Voltage Regulator
他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等； 自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措 施保证强励能力。 电力工程技术（china-dianli）
励磁系统的组成与分类
自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器）
100 1 s 1 5s
电力工程技术（china-dianli）
励磁机他励与自并励
Output of Excitation System
Potential Transformers Current Transformers
Uf , If
<
UE , IE AVR
自并励励磁系统 IGBT
For Exa4m00pVleAC
❖(c) Eq’恒定(发电机暂态电
势恒定)
❖(d)当Eq’恒定，Eq及U的变化
❖(e) U恒定(发电机机端电压
恒定)
❖(f)当U恒定，Eq及Eq’的变化
❖(c) 和(e)分别维持Eq’和U为恒
定时，发电机的功角特性曲线
（AVR）
❖0.4、0.77和1.0
电力工程技术（china-dianli）
静稳定破坏举例：华北电网大（同） －房（山）线静稳定破坏事故
和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围
内。
电力工程技术（china-dianli）
励磁对静态稳定的影响
❖(a)Eq恒定(励磁电流恒定)，
内功率特性曲线(Eq=常数) （ECR） ❖(b)当Eq恒定,Eq’及U的变化
✓维持Eq‘近似不变的外功率特性曲线 ✓静态稳定功率达到极限，功角大于900
功角δ
Reactive Power（Q） Terminal Voltage（Ug）
G Excitation励磁
功角含义（电气量与空间量）、静稳极 限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、
电功力工角程技范术（围ch（ina-d机ianl组i） 小于系统）
励磁重要概念
Synchronous Machine Regulator
高强励电压倍数，使故障切除后的发电机内电
势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到增加减
速面积的目的。
正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特性
曲线增加到bc‘段（减少了加速面积）；δ2时
故 障 切 除 ； 强 励 使 曲 线 2 的 dehg 增 加 到 de’h’g
（增大减速面积）；转子功角最大值由δm’降
开关励磁
可控硅励磁原理
三相全控桥电路 α=00:强励状态，AC变DC α=α0:整流状态，AC变DC α=1500:逆变状态，D电C力变工程A技C术（china-dianli）
全控桥与半控桥
全控桥：
整流与逆变 整流特征相同 能够逆变也能续流 Uf反相恒定
If线性衰减 灭磁快
半控桥：
整流与续流 整流特征相同 不能逆变只能续流
自幷励
静止
电力工程技术（china-dianli）
有刷励磁
静止
电力工程技术（china-dianli）
无刷励磁系统
旋转
电力工程技术（china-dianli）
自并励磁系统
励磁装置就是提 供发电机磁场电流 的装置，包括所有 调节与控制元件， 还有磁场放电或灭 磁装置及保护装置
励磁控制系统是 包括控制对象的反 馈控制系统
完全柔性制动系统
调 辅助 节 控制 器柜
整流柜（功率柜） 直流灭磁 灭磁
制动整流柜
开关柜 电阻柜
（柔性制动）电力工程技术（Sc1hi0na1-dianli） S106+S107
直流励磁机系统（开关励磁）
FMK
*
FLQ
F
CT
L
PT
Rc LLQ
同轴
自动励磁调节器
开关式励磁调节器的优点是： 结构紧凑，体积小，且励磁电 源可靠，不受电力系统电压波 动的影响。另外，不存在可控 整流桥的触发同步问题，控制 简便，运行可靠性高。 电力工程技术（china-dianli）
非线性最优控制NO－PSS （Nonlinear Optimal Control）
非线性鲁棒控制NR－PSS （Nonlinear Robust Control）
电力工程技术（china-dianli）
PID励磁控制理念
ΔVG
K
控制 1
K
如K=100 ΔVG
20
80 1 5s
G(s) 20 80 1 5s
三相全控桥实际电路波形
因电感引起换弧角 带来的过电压尖峰， 逆变颠覆 实际电路器件介绍： 快熔、阻容、分流器、 表记、均流、开关、 脉冲变等
电力工程技术（china-dianli）
同步发电机励磁的作用
1. 从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级）
调节发电机电压（空载） 调节发电机无功功率（负载） 多台发电机无功功率分配（调差） 安全可靠运行（关键）
1.1、第一，保证电力系统运行设备的安全。 1.2、第二，保证发电机运行的经济性 1.3、第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳 定的要求在许多方面是一致的。
2、同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的 稳定性
尽管励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善， 都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为 简单、经济而有效的措施。但是，稳定问题还是各有重点，各 有分工：静稳由自动电压调节器和系统结构及运行调度负责； 暂稳主要由继电保护负电力责工程，技术动（稳chin主a-di要anli）由励磁PSS负责。
Uf＝0 If非线性衰减
灭磁慢 续流二极管
电力工程技术（china-dianli）
三相全控桥电路要点
SCR导通顺序：
1234561234561234……
整流状态
•交流变直流，能量供给 •00<a<900 •Ud>0
逆变状态
•直流变交流，能量反送
•900<a<1500 (1800-0)
•Ud<0
Ud=1.35U2cosa I2＝0.816Id 电力工程技术（china-dianli）
到δm。
励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节
电力工程技术（china-dianli）
励磁控制系统新科技
现在励磁控制系统规律大多采用传统经典控制理论：PID+PSS 励磁控制系统科研主要内容：电力系统稳定器PSS；线性最优控 制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律（清华大学 ） 。
电力系统励磁控制发展过程：
PID 控制；
PSS 控制
线性最优控制LO－PSS （Linear Optimal Control）
电力系统稳定简介
❖ 电力系统稳定分为三个电量的稳定： ❖ 电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q） ❖ 频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载） ❖ 功角稳定（P、Q变化）。 ❖ 励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定，其次
是提高功角稳定。频率稳定由调速器负责。 ❖ 功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 ❖ 静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性（不发生非周期
1985年10月，大同电厂＃2机（额定有功200MW）通过220kV大 房线向比较送电。因励磁调节器自动通道有问题，发电机处 于手动调节励磁的状态下运行。发电机于130MW状态下已稳 定运行很长时间，发电机励磁电流（转子电流）约为1000A。 当电厂运行人员根据调度要求把发电机有功出力增加到 170MW后，发电机与系统失去同步，发电机失步保护动作后， 由于种种原因，造成机组超速，汽轮机严重损坏而报废。事 故调查得知，运行人员在增加发电机的有功时（直到失步） 没有同时增加发电机的励磁电流，事故后的仿真研究证明， （1）发电机为1000A时的静稳定极限就是170MW，（2）如 果发电机是在自动励磁调节的状态下运行，其静稳定极限大 于200MW，（3）即使发电机处于手动调节励磁的状态下运行， 如果在增加有功出力的同时，运行人员能适当增加发电机的 励磁，也可以避免发电机与系统失步的事故发生。
电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，
在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中
枢点电压逐渐恢复。
动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控
制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的判
据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角
整流器输入开关
的定义：灭磁开关 &隔离开关：按是 否投灭磁电阻而定 电力工程技术（china-dianli）
现代励磁基础
同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小）
电力电子器件：二极管、晶闸管（可控硅）、IGBT等
PN结、单相导通特性、可控硅伏安特性
可控硅导通条件：正向电压、正向脉冲
可控硅关断条件：反向电压 同步电压、触发脉电冲力工、程技脉术宽（ch调ina-制dianli）
Exciter
Synchronous Machine
Power System
励磁系统
Excitation System
Excitation Control System
励磁控制系统
Blockdiagra电m力工m程技a术c（ccohinrad-diiannli）g IEEE
励磁系统新科技
现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁； 发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁；
励磁电源（励磁机、励磁变压器）
整流器（AC/DC变换，SCR、二极管）
灭磁与转子过电压保护
按励磁电源分类：
直流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统 无刷励磁系统 自并励励磁系统
按响应速度分类：
慢速励磁系统 快速励磁系统 高起始励磁系统
电力工程技术（china-dianli）
三峡电厂右岸励磁系统
THYRIP OL
（周期性振荡）（安稳切机问题、继电保护问题）； ❖ 动态稳定是微小扰动或者是大扰动1－2周波后（暂稳后期），
因自动调节作用产生的电力稳工定程技性术（稳chi定na-d（ianli励） 磁PSS问题）。
2. 从电力系统角度研究励磁（励磁技术高级）
提高系统的静态稳定性（小扰动稳定） 提高系统的动态稳定性（小扰动失稳） 提高系统的暂态稳定性（大扰动稳定）
励磁是发电机励磁，也是电系力统工程的技术励（磁chin，a-dia但nli）更重要的还是发电机励磁
励磁控制系统的主要任务
1、同步发电机励磁控制系统的最基本和最主要的任务是 维持发电机电压在给定水平上
电力工程技术（china-dianli）
励磁对暂态稳定的影响
✓(a)单机无限大母线系统
✓(b)短路故障下，功率特性曲线的变化：初
始工作曲线1；短路后3；故障切除2
✓ 暂态稳定性决定于加速面积abedabcd是否
提高暂态稳定性有两种方法
小于或等于减速面积dfed。
1、减小加速面积：加快故障切除时间
2、增大减速面积：提高励磁电压响应比；提
发电机励磁系统原理 电力工程技术（china-
பைடு நூலகம்dianli）
电力工程技术（china-dianli）
水轮发电厂原理
大坝、水电厂、水轮 机、发电机定子、转 子、励磁系统
电力工程技术（china-dianli）
水轮发电厂转子
n=60f/P 励磁绕组（d轴） 阻尼绕组（d轴、 q轴）
电力工程技术（china-dianli）
我国电力系统稳定导则定义
静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步，自动
恢复到起始运行状态的能力。稳定导则还规定，在有防止事故扩大
的相应措施的情况下，水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下
允许只按静态稳定储备送电。
暂态稳定是指电力系统受到大扰动后, 各同步电机保持同步运行并
过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。暂态稳定的判据是
交流励磁机系统（三机它励） 同轴
组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同
轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。 也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。
优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响 缺点：调节速度慢，轴系长电力度工长程技，术易（c引hin发a-d轴ianl系i）振荡
励磁的基本概念
什么是励磁？
导体切割磁力线感生电动势e
励磁就是提供一个磁场B
4.44:有效值系数
E=4.44fNΦ
F:励磁条件与影响 N:机端电压影响
Φ:与励磁电流关系
对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ 电力工程技术（china-dianli）
励磁的基本任务
Governor调速 Frequency（f） Active Power（P）
110 V DC
Generator
Main Exciter Voltage Regulator
他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等； 自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措 施保证强励能力。 电力工程技术（china-dianli）
励磁系统的组成与分类
自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器）
100 1 s 1 5s
电力工程技术（china-dianli）
励磁机他励与自并励
Output of Excitation System
Potential Transformers Current Transformers
Uf , If
<
UE , IE AVR
自并励励磁系统 IGBT
For Exa4m00pVleAC
❖(c) Eq’恒定(发电机暂态电
势恒定)
❖(d)当Eq’恒定，Eq及U的变化
❖(e) U恒定(发电机机端电压
恒定)
❖(f)当U恒定，Eq及Eq’的变化
❖(c) 和(e)分别维持Eq’和U为恒
定时，发电机的功角特性曲线
（AVR）
❖0.4、0.77和1.0
电力工程技术（china-dianli）
静稳定破坏举例：华北电网大（同） －房（山）线静稳定破坏事故
和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围
内。
电力工程技术（china-dianli）
励磁对静态稳定的影响
❖(a)Eq恒定(励磁电流恒定)，
内功率特性曲线(Eq=常数) （ECR） ❖(b)当Eq恒定,Eq’及U的变化
✓维持Eq‘近似不变的外功率特性曲线 ✓静态稳定功率达到极限，功角大于900
功角δ
Reactive Power（Q） Terminal Voltage（Ug）
G Excitation励磁
功角含义（电气量与空间量）、静稳极 限Pmax、系统稳定余度（Pmax/P）、
电功力工角程技范术（围ch（ina-d机ianl组i） 小于系统）
励磁重要概念
Synchronous Machine Regulator
高强励电压倍数，使故障切除后的发电机内电
势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到增加减
速面积的目的。
正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特性
曲线增加到bc‘段（减少了加速面积）；δ2时
故 障 切 除 ； 强 励 使 曲 线 2 的 dehg 增 加 到 de’h’g
（增大减速面积）；转子功角最大值由δm’降
开关励磁
可控硅励磁原理
三相全控桥电路 α=00:强励状态，AC变DC α=α0:整流状态，AC变DC α=1500:逆变状态，D电C力变工程A技C术（china-dianli）
全控桥与半控桥
全控桥：
整流与逆变 整流特征相同 能够逆变也能续流 Uf反相恒定
If线性衰减 灭磁快
半控桥：
整流与续流 整流特征相同 不能逆变只能续流
自幷励
静止
电力工程技术（china-dianli）
有刷励磁
静止
电力工程技术（china-dianli）
无刷励磁系统
旋转
电力工程技术（china-dianli）
自并励磁系统
励磁装置就是提 供发电机磁场电流 的装置，包括所有 调节与控制元件， 还有磁场放电或灭 磁装置及保护装置
励磁控制系统是 包括控制对象的反 馈控制系统
完全柔性制动系统
调 辅助 节 控制 器柜
整流柜（功率柜） 直流灭磁 灭磁
制动整流柜
开关柜 电阻柜
（柔性制动）电力工程技术（Sc1hi0na1-dianli） S106+S107
直流励磁机系统（开关励磁）
FMK
*
FLQ
F
CT
L
PT
Rc LLQ
同轴
自动励磁调节器
开关式励磁调节器的优点是： 结构紧凑，体积小，且励磁电 源可靠，不受电力系统电压波 动的影响。另外，不存在可控 整流桥的触发同步问题，控制 简便，运行可靠性高。 电力工程技术（china-dianli）
非线性最优控制NO－PSS （Nonlinear Optimal Control）
非线性鲁棒控制NR－PSS （Nonlinear Robust Control）
电力工程技术（china-dianli）
PID励磁控制理念
ΔVG
K
控制 1
K
如K=100 ΔVG
20
80 1 5s
G(s) 20 80 1 5s
三相全控桥实际电路波形
因电感引起换弧角 带来的过电压尖峰， 逆变颠覆 实际电路器件介绍： 快熔、阻容、分流器、 表记、均流、开关、 脉冲变等
电力工程技术（china-dianli）
同步发电机励磁的作用
1. 从发电厂角度学习励磁（励磁技术初级）
调节发电机电压（空载） 调节发电机无功功率（负载） 多台发电机无功功率分配（调差） 安全可靠运行（关键）
1.1、第一，保证电力系统运行设备的安全。 1.2、第二，保证发电机运行的经济性 1.3、第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳 定的要求在许多方面是一致的。
2、同步电机励磁系控制统的重要任务是提高电力系统的 稳定性
尽管励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善， 都有显著的作用，而且也是改善电力系统稳定的措施中，最为 简单、经济而有效的措施。但是，稳定问题还是各有重点，各 有分工：静稳由自动电压调节器和系统结构及运行调度负责； 暂稳主要由继电保护负电力责工程，技术动（稳chin主a-di要anli）由励磁PSS负责。
Uf＝0 If非线性衰减
灭磁慢 续流二极管
电力工程技术（china-dianli）
三相全控桥电路要点
SCR导通顺序：
1234561234561234……
整流状态
•交流变直流，能量供给 •00<a<900 •Ud>0
逆变状态
•直流变交流，能量反送
•900<a<1500 (1800-0)
•Ud<0
Ud=1.35U2cosa I2＝0.816Id 电力工程技术（china-dianli）
到δm。
励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节
电力工程技术（china-dianli）
励磁控制系统新科技
现在励磁控制系统规律大多采用传统经典控制理论：PID+PSS 励磁控制系统科研主要内容：电力系统稳定器PSS；线性最优控 制规律（华中科技大学）；非线性最优控制规律（清华大学 ） 。
电力系统励磁控制发展过程：
PID 控制；
PSS 控制
线性最优控制LO－PSS （Linear Optimal Control）
电力系统稳定简介
❖ 电力系统稳定分为三个电量的稳定： ❖ 电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q） ❖ 频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载） ❖ 功角稳定（P、Q变化）。 ❖ 励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定，其次
是提高功角稳定。频率稳定由调速器负责。 ❖ 功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 ❖ 静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性（不发生非周期
1985年10月，大同电厂＃2机（额定有功200MW）通过220kV大 房线向比较送电。因励磁调节器自动通道有问题，发电机处 于手动调节励磁的状态下运行。发电机于130MW状态下已稳 定运行很长时间，发电机励磁电流（转子电流）约为1000A。 当电厂运行人员根据调度要求把发电机有功出力增加到 170MW后，发电机与系统失去同步，发电机失步保护动作后， 由于种种原因，造成机组超速，汽轮机严重损坏而报废。事 故调查得知，运行人员在增加发电机的有功时（直到失步） 没有同时增加发电机的励磁电流，事故后的仿真研究证明， （1）发电机为1000A时的静稳定极限就是170MW，（2）如 果发电机是在自动励磁调节的状态下运行，其静稳定极限大 于200MW，（3）即使发电机处于手动调节励磁的状态下运行， 如果在增加有功出力的同时，运行人员能适当增加发电机的 励磁，也可以避免发电机与系统失步的事故发生。
电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，
在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中
枢点电压逐渐恢复。
动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控
制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的判
据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角
整流器输入开关
的定义：灭磁开关 &隔离开关：按是 否投灭磁电阻而定 电力工程技术（china-dianli）
现代励磁基础
同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小）
电力电子器件：二极管、晶闸管（可控硅）、IGBT等
PN结、单相导通特性、可控硅伏安特性
可控硅导通条件：正向电压、正向脉冲
可控硅关断条件：反向电压 同步电压、触发脉电冲力工、程技脉术宽（ch调ina-制dianli）
Exciter
Synchronous Machine
Power System
励磁系统
Excitation System
Excitation Control System
励磁控制系统
Blockdiagra电m力工m程技a术c（ccohinrad-diiannli）g IEEE
励磁系统新科技
现在发电机励磁系统采用单轴直流电励磁； 发电机励磁系统科研主要内容：双轴励磁；交流励磁；
励磁电源（励磁机、励磁变压器）
整流器（AC/DC变换，SCR、二极管）
灭磁与转子过电压保护
按励磁电源分类：
直流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统 无刷励磁系统 自并励励磁系统
按响应速度分类：
慢速励磁系统 快速励磁系统 高起始励磁系统
电力工程技术（china-dianli）
三峡电厂右岸励磁系统
THYRIP OL