同步发电机励磁系统的任务

的振荡时，有：
Δδ = Δδ M sin γ ⋅ t 式中： Δδ——对平衡点的角度偏移；
ΔδM——角度振荡的偏值； γ——振荡角频率。 发电机转子运动方程为：
(1-6)
H
d2Δδ dt 2
+
D
dΔδ dt
=
ΔP0
−
ΔP
(1-7)
式中： H——发电机的惯性常数；
D——发电机的阻尼系数；
ΔP0——由原动机输入的功率偏移；
图 1-5 无自动电压调节器的发电机功角特性
当发电机的原动机输入功率为 P0 时，发电机存在着两个平衡的工作点 a 和 b。在 a 点，
若发电机因干扰而偏差平衡点，由于 ΔP > 0 ，即角度的偏移Δδ所产生的功率偏移ΔP(和Δδ) Δδ
同号，会使发电机回归平衡点，故 a 点是稳定的；在 b 点，若发电机因干扰而偏差平衡点，
图 1-6 有自动电压调节器时发电机的功角特性 当然，对于那些离系统较近（指电气距离）的发电机来说，在系统电压突然升高时（如 一条重负荷线路因事故跳闸），发电机电压会随之升高，发电机的自动励磁调节器为维持机端 电压恒定，会将励磁电流减得过低，造成发电机进相以致失去静态稳定。为防止这种情况发 生，在发电机的励磁调节器中，必须装有低励限制单元。当发电机的励磁过分降低，以致危
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 (%)
=
UG0 − UGR UGN
× 100%
式中： UG0——发电机空载电压；
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：
i
i
i
Eq = UG + jIG Xd
式中：
Eq——发电机的空载电势； UG——发电机的端电压； IG——发电机的负荷电流。
(1-1)
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 Eq 恒定的情况下，发电机端电压 UG 会随负荷电流 IG 的加大而降低，为保证发电机端电压 UG 恒定，必须随发电机负荷电流 IG 的增加（或减小），
又使发电机产生一个正的有功增量ΔP2，（ ΔP2
= ∂P ∂Eq
δ=cont × ΔEq
），
显然若 ΔP2
>
ΔP1
，因角度偏移Δδ引起的总的功率增量 ΔP
=
ΔP1
+ ΔP2
> 0 ，即 dP dδ
> 0 ，系统变
稳定了。
自动电压调节器按电压偏差调节的放大倍数越大，发电机维持端电压的能力越强，ΔEq 越大，ΔP2 也越大，发电机的稳定极限也就加大。
由于 ΔP < 0 ，即角度的偏移Δδ所产生的功率偏移ΔP(和Δδ)不同号，会使发电机远离平衡点， Δδ
故 b 点是不稳定的。通常将 ΔP 当作电力系统静态稳定的判据，当 ΔP > 0 时，系统是稳定的，
Δδ
Δδ
5
反之是不稳定的。
同步发电机的励磁系统
对无自动励磁调节器的发电机来说，在δ>90°时，系统是不稳定的，即稳定极限角度为 90°。
(1-4)
3
同步发电机的励磁系统
UGR——发电机额定无功负载时的电压； UGN——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 UG 随着发电机 输出无功的变化。 自动励磁调节器调差单元的有正负两种不同作用。一是使发电机端电压 UG 随输出无功电 流 IGR 的加大而降低，即 UG<UG0，称为正的电压调差；也可使发电机端电压 UG 随输出无功 电流 IR 的加大而升高，即 UG >UG0，则称为负的电压调差；若发电机端电压 UG 不随输出无功 电流 IR 的变化而改变，即 UG=UG0，则称发电机没有电压调差，即零调差。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，以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， 这对电力系统的调压，即保持系统的电压水平是不利的。
式中： Eq——发电机空载电势；
UG——无穷大母线电压；
δ——Eq 和 UG 之间的相角差，常称功率角；
Xd∑——系统总电抗，为发电机纵轴同步电抗 Xd，变压器电抗 XT 和线路电抗 XT
之和。
若发电机空载电势 Eq 恒定，则发电机的有功功率 P 将只随功率角δ变化(见图 1-5)，P 和δ 之间的这种正弦关系称为发电机的内功角特性。
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 UG 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 Pf 恒定，则有：
P
=
UGIG
cosϕ
=
EqUG Xd
sin δ
=
C
式中： ϕ——发电机的功率因数角；
(1-3)
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同步发电机的励磁系统
δ——发电机的功率角； C——常数。 UG 恒定、P 恒定即意味着 IGcosϕ和 Eq sinδ均为常数，在发电机相量图（图 1-2）上，这 表示发电机电流 IG 的矢端轨迹为虚线 BB’，空载电势 Eq 的矢端轨迹为虚线 AA’。当改变发 电机的励磁使发电机空载电势 Eq 变化（如 Eq 由 Eq1 变为 Eq2）时，发电机的负载电流 IG 跟 着变化（由 IG1 变为 IG2），但其有功分量 IGa =IG cosϕ恒定，故变化的只是无功电流 IGR。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。
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，K0 越大，δJ 便越小。 以上分析的是稳态过程。在电力系统的暂态过程中，维持发电机端电压恒定有利于维持
电力系统的电压水平，从而使电力系统的运行特性得到改善。如自动励磁调节能使短路切除
后，电力系统的电压恢复加快，从而使系统中的异步电动机自启动加速，当电力系统中有大
若发电机具有自动励磁调节器，由于调节器能自动维持发电机端电压的恒定，即能随角
度δ的加大而加大空载电势，使发电机的实际运行曲线是一组内功角特性曲线上的点组成（参 见图 1-6），这时发电机可以运行于δ>90°的区段，通常把这一区段称为人工稳定区。即由于 采用了自动励磁调节器而将原来不稳定的工作区域变为稳定区域，从物理概念上，可以这样
理解：在δ>90°的情况下，当干扰使发电机偏离了原工作点δ0，产生了角度偏移Δδ，一方面
按正弦特性Δδ会产生一个负的有功增量ΔP1，（
ΔP1
=
∂P ∂δ
Eq=cont × Δδ
），另一方面，Δδ加大使Leabharlann Baidu
机端电压降低，自动励磁调节器为使机端电压恒定而加大发电机的励磁电流，使空载电势 Eq
产生一个增量ΔEq，ΔEq
图 1-3 同步发电机的三种调差特性 （三）提高同步发电机并联运行的稳定性 通常把电力系统的稳定性问题分为三类，即静态稳定（Steady state stability）、暂态稳定 （Transient stability）及动态稳定（Dynamic stability）问题。 所谓静态稳定是指电力系统在受到小干扰作用时的稳定性，即受到小干扰作用后恢复原 平衡状态的能力； 暂态稳定是指电力系统在受到大干扰（主要是短路）作用时的稳定性，即在大干扰作用 后系统能否在新的平衡状态下稳定工作； 而动态稳定是指电力系统受干扰后（包括小干扰和大干扰），在考虑了各种自动控制装置 作用的情况下，长过程的稳定性问题。 励磁控制对电力系统的三类稳定的改善都有显著的作用，下面讨论励磁控制对各类稳定 问题的影响。 1．励磁控制对静态稳定的影响 为简化分析，设发电机工作于单机对无穷大母线系统中。发电机 G 经升压变压器 SB 及
同步发电机的励磁系统
同步发电机励磁系统的任务
[摘 要] 本文简要阐述了同步发电机励磁系统的主要功能和任务 [关键词] 同步发电机 励磁系统
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）。
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同步发电机的励磁系统
及它的静态稳定时，低励限制动作，阻止发电机励磁的进一步降低。
2．励磁控制对电力系统动态稳定性的影响 如前所述，为了提高电力系统的稳定性，希望自动励磁调节器有较大的放大系数，而这
却会使系统的动态特性变坏，使系统发生振荡的可能性增加。如何控制励磁才能使系统的动
态稳定性得到提高呢? 设发电机工作于单机对无穷大母线系统（见图 1-4），当发电机相对于系统发生幅值不大
ΔP——发电机输出有功功率偏移。
机发生甩负荷时，其调速器惯性时间常数较大，发电机会产生较严重的过速，对采用同轴励
磁机的发电机来说，它的端电压正比于转速的三次方甚至四次方。因此，甩负荷可能造成发
电机严重过压。为防止这种过电压的发生，要求励磁系统在这种情况下能强行减磁（简称强
减）。
（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
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
1
同步发电机的励磁系统
增加（或减小）发电机的空载电势 Eq ，而 Eq 是发电机励磁电流 IF 的函数（若不考虑饱和， Eq 和 IF 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
型电动机启动、同步发电机自同期并列、同步电机因失磁而转入异步运行或重负荷线路合闸
（或重合闸）时，电力系统都可能造成大量无功缺额，系统电压水平将下降，自动励磁调节
能减小这种下降，使电力系统的运行特性得到改善。
另一方面，当系统中有重负荷线路跳闸或发电机发生甩负荷时，自动励磁调节有助于降
低此时可能产生的系统及发电机电压过分升高，这一点对水轮发电机特别重要，当水轮发电
图 1-2 同步发电机与无穷大母线并联运行向量图
实际运行中，发电机并联运行的母线不会是无穷大母线，这时改变励磁将会使发电机的
端电压和输出无功都发生变化，但一般说来，发电机的端电压变化较小，而输出无功却会有
较大的变化。
所以说，保证并联运行发电机组间合理的无功分配，是励磁系统的重要功能。
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
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，
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
(%)
=
UG0 − UG UGN
× 100%
(1-2)
式中： UG0——发电机空载电压；
UG——发电机额定负荷时的电压；
UGN——发电机的额定电压。
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同步发电机的励磁系统
输电线接到受端母线，由于受端母线为无穷大母线，它的电压幅值 UG 和相位（设为零）都保 持恒定。
图 1-4 表示了系统的接线图及等值电路图。
G
SB
图 1-4
若忽略发电机的凸极效应（即认为 Xd=Xq）及回路电阻，则发电机输出的有功功率为：
P = EqUG sin δ Xd∑
(1-5)