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1、发电机自动励磁调整系统论述摘 要发电机励磁调整系统对电力系统的牢靠性和稳定性起着重要作 用，随着国内外励磁系统的研制不断取得进展，各型励磁系统不断涌现。本文阐述了同步发电机励磁系统的主要任务及根本要求，争论了同步发电机的不同励磁方式及其性能特点，最终介绍了发电机自动励磁调整系统的相关技术和性能改善。关键词同步发电机，励磁系统，励磁方式，励磁调整器，稳定性ABSTRACTGenerator excitation system reliability and stability of power system plays an important role, with the developmen
2、t of domestic and foreign progress of excitation system, the excitation system constantly. This paper expounds the main tasks of the synchronous generator excitation system and basic requirements, discuss the different excitation mode and characteristics of synchronous generator, finally introduced
3、the improvement of related technology and performance of automatic generator control system.Key Words:Synchronous generator, Excitation system, Excitation mode, Excitationregulator, Stability1、概述励磁系统是供给同步发电机可调励磁电流装置的组合。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调整器两个局部组成，励磁功率单元向同步发电机转子供给直流电流，即励磁电流：励磁调整器依据输入信号和给定的调整准则掌握励
4、磁功率单元的输出。整个励磁自动掌握系统是由励磁调整1器、励磁功率单元、发电机构成的一个反响掌握系统。图 1-1 励磁系统根本构造框图2、同步发电机励磁系统的主要任务和根本要求2.1 同步发电机励磁系统的主要任务励磁系统是同步发电机的重要组成局部，对发电机的运行牢靠性、经济性及其它特性有直接的影响。它的主要作用有：正常运行时供给发电机励磁电源，并依据发电机负载的变化作相应调整，以维持发电机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。当发电机突然甩负荷时，实行强行减磁以限制其端电压，使其不会过度上升。此外，当几台发电机并联运行时，通过励磁系统的作用可使无功功率在机组间得到稳定和合理的安排。通过灵敏而又快
5、速的励磁调整，提高电力系统运行的静态稳定和输电线路的传输力量。当电力系统发生短路或因其它缘由使系统电压严峻下降 时，对发电机实行强行励磁，以提高电力系统的动态稳定。假设发电机内部发生短路故障，则对发电机实行自动灭磁，以降低故障的损坏程度。对同步发电机的励磁进展掌握，是对发电机的运行实行掌握的重要内容之一。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的安排，在某些故障状况下，发电机端电压2降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障的时候，要求发电机快速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性，可见，同步发电机励磁的自动掌握在保证电能质量，无
6、功功率的合理安排和提高电力系统运行的牢靠性方面都起着格外重要的作用。优良的励磁掌握系统不仅可以保证发电机牢靠运行，供给合格的电能，而且还可以有效提高系统的技术指标。2.2 同步发电机对励磁的根本要求首先，对于发电机励磁掌握系统，依据我国的标准，有以下几点要求：运行要高度牢靠、构造要简洁、检修维护要便利。发电机稳态电压精度不低于0510。无功调差范围：汽轮发电机组为10，水轮发电机组为15。发电机端电压随频率的变化要小，当频率变化为 1时，电压变化小于O25。具有良好的动态品质：在 10阶跃信号输入时，发电机端电压的超调量不超过 50(快速励磁系统不超过 30)：振荡次数不超过35 次：调整时间
7、：汽轮发电机组不大于 10s，水轮发电机组不大于 5s。甩额定负荷时， 超调量不大于 1520。发电机在各种运行方式下，灭磁开关应能牢靠灭磁，并且不产生过高的电压。其次，对励磁调整器的要求是：具有较小的时间常数，能快速响应输入信息的变化。能反映发电机电压凹凸，以维持发电机电压在给定水平。励磁掌握系统的自然调差系数一般在 1%以内。10励磁调整器应能合理安排机组的无功功率，应保证同步发电机端电压调差系数可在10%以内调整。对远距离输电的发电机组，要求励磁机没有失灵区。励磁调整器应能快速反响系统故障，具备强行励磁等掌握功能，以提高暂态稳定和改善系统运行条件。最终，对励磁功率单元的要求是：要求励磁功
8、率单元有足够的牢靠性并具有肯定的调整容量。具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。3、同步发电机励磁系统的分类及其性能特点同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。依据励磁电流的供给方式，但凡从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。近年来，我国有关部门在自并励励磁方式的争论方面作了大量而细致的工作，结果说明，自并励励磁系统较其它方式的励磁系统有着以下优点：运行牢靠性高。自并励励磁系统为静态励磁，与励磁机系统相比， 由于没有旋转部件，运行牢靠性高。国内外统计资料说明，自并励励磁系统造成发电
9、机强迫停机率低于励磁机励磁系统。能改善汽轮发电机机组的轴系稳定性。自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度，削减轴承数量。如300MW 及以上的汽轮发电机的轴系长度可削减大约 3 米，因而，可提高轴系的稳定性，改善轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平。可提高电力系统稳定水平。在小干扰方面，自并励励磁系统配置 PSS 后，小干扰稳定水平较励磁机励磁系统有明显提高；在大干扰稳定方面，电力系统计算说明，自并励励磁系统的暂态稳定水平与沟通励磁机系统相近或略有提高。经济性好。主要打算于：1系统造价低；2削减厂房及根底造价； 3调整简洁，维护简洁，故障后修复时间短，可提高发电效益。与沟通励磁机方式比较，因
10、沟通励磁机在短路时电枢反响较大，影响了励磁电压上升速度，发电机端电压在短路期间有较大的跌落，所以从总体上来看，实行强励以提高暂态稳定的效果，自并励方式略优于沟通励磁机方式。争论结果说明，承受自并励方式并配以快速继电保护，假设能在 0.1s 0.15s 内切除故障，则在短路故障期间，短路电流仅衰减百分之几，不会影响高压线路上带时限继电保护的正确动作。同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。为了满足正常运行的要，发电机励磁电源必需具备足够的调整容量，并且要有肯定的强励倍数和励磁电压响应速度。在设计励磁系统方案时，首先应考虑他的牢靠性。为了防止系统电网故障对他的影响，励磁功率单元往往作为发电
11、机的专用电源，另外，它的起励方式也应力求简洁便利。在电力系统进展初期，同步发电机容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的直流发电机供给，既所谓直流励磁机励磁系统。随着发电机容量的提高， 所需励磁电流也相应增大，机械整流在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就承受了沟通发电机和半导体整流元件组成的沟通励磁机励磁系统。不管是直流励磁机励磁系统还是沟通励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转。为了缩短主轴张度，降低价格，削减环节，又消灭用发电机自身作为励磁电源的方法，即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。下面就消灭的这几种励磁方式进展简洁的表达，简洁
12、的介绍优缺点，本文着重介绍沟通励磁机供电的励磁方式。直流励磁机方式直流励磁机励磁系统是承受直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区分是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。承受直流励磁机供电的励磁系统，在过去的
13、十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍承受这种励磁系统。长期的运行阅历证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调整便利，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严峻，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必需停主机，很不便利。近年来，随着电力生产的进展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的构造上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前，在 100MW 及以上发电机上很少承受。沟通励磁机方式沟通励磁机方式用沟通励磁机
14、作为电源，经整流后供给发电机励磁。因励磁电源独立，发电机的励磁不受电力系统运行状况变化的影响；但由于沟通励磁机的电枢反响压降相对于直流励磁机大些，在发电机近端发生短路故障时可能会造成强励力量缺乏。依据是否有副励磁机及整流方式是可控的还是不控的，沟通励磁机方式有很多，常见的有以下几种。他励沟通励磁机励磁系统以下图所示的励磁自动掌握系统是由与主机同轴的沟通励磁机、中频励磁机和调整器等组成。在这个系统中，发电机G 的励磁电流由频率为 100Hz 的沟通励磁机 AE 经硅整流器 VSR 供给，沟通励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给，其电源由副励磁机供给。副励磁机是自励式中频沟通发电机， 用自励恒压
15、调整器保持其端电压恒定。由于副励磁机的起励电压较高，不能象直流励磁机那样能依靠剩磁起励，所以在机组起动时必需外加起励电源， 直到副励磁机的输出电压足以使自励恒压调整器正常工作时，起励电源方可退出，在此励磁系统中，励磁调整器掌握晶闸管元件的掌握角，来转变沟通励磁机的励磁电流，到达掌握发电机励磁的目的。图 3-1 他励沟通励磁机励磁系统原理接线图其性能和特点如下：沟通励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，牢靠性高。同轴沟通励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴长度，使厂房长度增加，因此造价较高。仍有转动部件需要肯定的维护工作量。一旦副励磁机或自励恒压调整器发生故障，均可导致发电机
16、组失磁。假设承受永磁发电机作为副励磁机，不但可以简化调整设备，而且励磁系统的牢靠性也可大为提高。无刷励磁沟通励磁机励磁系统是国内运行阅历最丰富的一种励磁系统，但它有一个薄弱环节滑环。滑环是一种滑动接触元件、随着发电机容量的增大，转子电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。为了提高励磁系统的牢靠性，就必需设法取消滑环，使整个励磁系统都无滑动接触元件， 即所谓无刷励磁系统。其原理接线图如以下图所示：图 3-2 无刷励磁系统原理接线图这种发电机的直流励磁绕组和三相沟通绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件， 转子电流不再受接触部件技术
17、条件的限制，因此特别适合于大容量发电机 组。此种励磁系统的性能和特点为：（1） 炭刷和滑环，维护工作量可大为削减。（2） 电机励磁由励磁机独立供电，供电牢靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统牢靠性更高。（3） 要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。（4） 由于没有接触部件的磨损，所以也没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。（5） 其缺点是由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压、电流都不能用一般的直流电压表、直流电流表进展监视，转子绕组的绝缘状况也不便监视，旋转二极管的运行状况、接线是否开脱、熔丝是否熔断等等也都不便于监视。
18、因而在运行维护上是不便利的。同时噪音较大，沟通电势的谐波重量也较大。静止励磁静止励磁系统中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装置。这类励磁装置承受大功率晶闸管元件，没有转动局部，故称静止励磁系统。由于励磁电流是发电机本身供给，故又称为发电机自并励系统。它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控桥整流桥直接掌握发电机的励磁。其原理接线图如以下图所示:图 3-3 静止励磁系统原理接线图静止励磁系统的主要优点是：（1） 励磁系统接线和设备比较简洁，无转动局部，维护费用省，牢靠性高。（2） 需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可削减基建投资。（3） 直接用晶闸管掌握转子电压，可
19、获得很快的励磁电压响应速度（4） 由发电机机端取得励磁能量。当机组甩负荷时静态励磁机组的过电压低。电力系统中发生短路故障时，故障切除得越快，则电压恢复也越快。综上所述，只有在发电机近端发生短路，而且故障切除又慢的状况下，自并励方式的缺点才能表现比较突出。对于励磁系统的强励力量来说，由于强励动作后，要经过 Td时间后，才能使转子励磁电流得到明显增长，所以不管哪一种励磁方式，在短路故障被切除之前的这段时间里如0.1s 0.5s。强励动作都是有限的。假设短路故障能快速例如 0.15s切除，即使承受自并励方式，电压也将快速恢复，其强励力量也就跟着恢复了。对于保证电力系统的暂态稳定来说，承受快速继电保护
20、和快速断路器，比励磁系统有更加重要的作用。4、励磁调整器无论是何种励磁调整器，其核心局部的构成都是很相像的。它由根本控制和关心掌握两大局部组成。根本掌握由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调整和无功功率安排等根本调整功能。测量比较单元的作用是测量发电机的端电压，综合无功调差信号后与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。测量比较电路应具有足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量准确、反响快速、电路的时间常数要小。测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调整精度与励磁系统的动态性能。综合放大单元对测量单元输出的电压偏差起综合和放大的作用。为了得到调整系
21、统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还依据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号、最大、最小励磁限制信号等。放大的作用是为了消退电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。综合放大后的掌握信号输出到移相触发单元。移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。移相触发环节依据输入掌握信号(U)的大小，转变输送到晶闸管的脉冲触发角 a，以掌握晶闸管整流电路的输出，从而调整发电机的励磁电流。为了使触发脉冲能牢靠地工作，还需承受脉冲放大环节。移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及掌握器的执行机构。关心掌握是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改
22、善励磁掌握系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。5、电力系统稳定性电力系统的稳定性一般划分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定三种方式。静态稳定静态稳定是指电力系统患病小扰动后，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力量。此期间表现出的是电力系统不受掌握作用的自然特性。其稳定性主要取决于系统的同步力距。暂态稳定暂态稳定是指电力系统患病大的扰动后，各个同步电极保持同步运行并过渡到的或者恢复到原来状态运行的力量通常指保持第一个或其次个摇摆周期不失步。在这期间，系统中的短路故障性质、主保护动作状况、重合闸成功与否的影响最大。动态稳定动态稳定是指电
23、力系统患病扰动后，在自动调整装置和附加掌握的作用下，保持较长过程稳定运行的力量通常指不发生周期性振荡失步，在这期间电力系统阻尼特性影响较大。通过励磁掌握改善电力系统稳定性的措施：改善静态稳定性由前面的分析可知，对于汽轮发电机，其功角特性为其最大输出功率为Pm，称为静态稳定极限，其值等于12假设发电机在运行中可自动调整励磁，则此时 Eq 为变值，相应的传输功率可得到显著的提高。所以要改善其静态稳定性，就是通过转变 Eq 到达提高其稳定极限Pm。改善暂态稳定性暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性主要是指事故后转子第一个振荡周期内的稳定性，就励磁掌握系统而言，其作用由三个因素打算：1) 励磁系统强励
24、顶值倍数。提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。但是提高强励倍数将使励磁系统的造价增加及对发电机的绝缘要求提高。因此，在当前故障切除时间极短的状况下，过分强调提高强励倍数是没有必要的。2) 励磁系统顶值电压响应比。励磁系统顶值电压响应比又称励磁电压上升速度。响应比超大励磁系统输出电压到达顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利。励磁系统项值电压响应比，由励磁系统的性能所打算。3) 励磁系统强励倍数的利用程度。充分利用励磁系统强励倍数，也是励磁系统改善暂态稳定的一个重要因素。假设电力系统在发电厂四周发生故 障，励磁系统的输出电压达不到顶值，或者到达顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障
25、前的水寻常已停顿强励，使励磁系统的强励作未充分发挥，降低了改善暂态稳定的效果。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一是提高励磁掌握系统的开环增益，开环增益越大，调压精度超高强励倍数利用越充分，也就越有利于改善电力系统暂态稳定。改善动态稳定性电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。13当阻尼为正时，动态是稳定的；阻尼为负时，动态是不稳定的；阻尼为零时， 是临界状态。对于零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的担忧全因素，应实行措施提高阻尼。分析说明，励磁掌握系统中的自动电压调整作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的缘由之一。在肯定的运行方式及励磁系统参数下
26、，电压调整作用，在维持发电机电压恒定的同时也将产生负的阻尼作用。而电力系统稳定器(Power System Stabilizer，PSS)一般是以励磁调整器电压掌握环的附加掌握形式消灭，其借助于励磁调整器的励磁掌握输出来阻尼同步电机的功率振荡。PSS 输出的附加掌握信号加到励磁系统上，经过励磁调整器滞后产生附加力矩，该滞后特性称励磁系统无补偿特性。附加力矩方向与发电机 Eq全都，但是无法实际测量Eq，而用测量发电机电压Vt 代替。试验时要求调整发电机无功在零四周，有功在满负荷四周。依据测得的励磁系统无补偿特性，依据预先设计的PSS 环节相位补偿特性，初选PSS 参数。目标是在低频振荡的频率范围
27、内，PSS 产生的附加力矩向量Te 对应转速轴在超前10 滞后 45以内，并使本机振荡频率力矩向量对应转速轴0 滞后 30以内。PSS 的输入信号转速，电气功率Pe 或机械功率 Pm 与相位关系如下：转速和频率 f 与轴同相，电气功率 Pe 滞后 轴 90，机械功率Pm 领先轴 90。依据不同的输入信号，PSS 环节相位补偿特性的相位pss 加上励磁系统无补偿特性的相位，可以获得所需的PSS 附加力矩与轴的关系。在有PSS 参与调整的工况下，功率振荡会有明显的收敛，可以提高遏制系统低频振荡的力量，这样，从根本上说，由于PSS 的原理是通过励磁来是现代，所以可以通过励磁来提高电力系统的稳定性，这
28、是格外必要的。总之，由于自并励方式的快速响应，再配以PSS，几乎可以保持发电机的端电压不变，因此静态稳定极限有较大提高，并有较好的抑制低频振荡的力量，有利于动态稳定。对于暂态稳定来说，自并励方式协作快速切除故障， 短路故障期间，励磁电流衰减不大，从发生短路到故障切除这段时间内，其强励力量虽略有下降，但适当提高励磁顶值电压后，可有所弥补。随着科学技术的不断进展，同步发电机的励磁系统在不断地更换代， 也在不断地进步和完善，而各种励磁系统有其不同的特点，只有依据实际状况进展正确的选择，才能保证励磁系统的牢靠性和稳定性，从而保证发电机组的安全运行和电网的稳定。对于励磁，是电学中，或者说是生活中常见的现
29、象，也广为我们所利用， 但是同样也带来了不少危害，在电力系统中，既要利用励磁来稳定系统，也要乐观的消退励磁所带来的不稳定因素，这是把双刃剑，我们要好好利用， 科学同样如此。参考文献1 王葵，孙莹,等.电力系统自动化M.北京:中国电力出版社,20232 陈智发. 同步发电机励磁掌握系统争论与开发M,武汉:华中科技大学,20233 李基成现代同步发电机励磁系统设计及应用J中国电力出版社版4 程林，孙元章，贾宇，等发电机励磁掌握中负荷补偿对系统稳定性的影响J中国电机工程学报5 崔文进,谢小荣，韩英铎同步发电机励磁掌握争论的现状与走向J清华大学学报(自然科学版)2023-4：142-1466 李小腾，张小庆安康水电厂 PSS 投运对改善系统阻尼特性的争论J陕西电力， 2023，37(10)：3740