第一章同步发电机励磁系统概述

同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司1第一章同步发电机励磁系统概述[摘要]本文阐述了同步发电机励磁系统的任务及发展，讨论了同步发电机的不同励磁方式及其特点，最后介绍了在发电机励磁控制系统的基本要求和相关技术。[关键词]同步发电机励磁系统第一节同步发电机励磁系统的任务和发展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）。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，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：EUjIXqffd(1-1)式中：Eq——发电机的空载电势；Uf——发电机的端电压；If——发电机的负荷电流比例。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Uf会随负荷电流If的加大而降低，为保证发电机端电压Uf恒定，必须随发电机负荷电流If的增加（或减小），增加（或减小）发电机的同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司2空载电势Eq，而Eq是发电机励磁电流Ifq的函数（若不考虑饱和，Eq和Ifq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，通常用发电机调压静差率J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：JfffeUUU(%)0100%(1-2)式中：Uf0——发电机空载电压；Uf——发电机额定负荷时的电压；Ufe——发电机的额定电压。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，J便越小。（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Uf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：PUIEUXfffqfdcossin常数(1-3)式中：——发电机的功率因数角；——发电机的功率角。Uf恒定、Pf恒定即意味着Ifcos和Eqsin均为常数，在发电机相量图（图1-2）上，这表示发电机电流If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If跟着变化（由If1变为If2），但其有功分量Ia=Ifcos恒定，故变化的只是无功电流IR。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。同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司3图1-2同步发电机与无穷大母线并联运行向量图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T，通常由下式计算：TffrfeUUU(%)0100%(1-4)式中：Uf0——发电机空载电压；Ufr——发电机额定无功负载时的电压；Ufe——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Uf随着发电机输出无功的变化。自动励磁调节器调差单元的接法不同。发电机端电压Uf可能随发电机输出无功电流IR的加大而降低，即UfUf0，这时，称发电机有正的电压调差；也可能发电机端电压Uf随发电机输出无功电流IR的加大而升高，即UfUf0，则称发电机有负的电压调差；若发电机端电压Uf不随发电机输出无功电流IR的变化而改变，即Uf=Uf0，则称发电机没有电压调差，即无差调节。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T=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，负调差的作用是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，而这对电力系统的调压，即保持系统的电压水平是不利的。同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司4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（Steadystatestability）、暂态稳定（Transientstability）及动态稳定（Dynamicstability）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;而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F经升压变压器SB及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U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。FSB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：PEUXfqdsin(1-5)式中：Eq——发电机空载电势；U——无穷大母线电压；——Eq和U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Pf将只随功率角变化(见图1-5)，Pf和之间的这种正弦关系称为发电机的内功角特性。同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司5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0P，即角度的偏移所产生的功率偏移P(和)同号，会使发电机回归平蘅点，故a点是稳定的；在b点，若发电机因干扰而偏差平衡点，由于0P，即角度的偏移所产生的功率偏移P(和)不同号，会使发电机远离平蘅点，故b点是不稳定的。通常将dPdt当作电力系统静态稳定的判据，当0P时，系统是稳定的，反之是不稳定的。对无自动励磁调节器的发电机来说，在90°时，系统是不稳定的。即稳定极限角为90°。图1-6有自动电压调节器时发电机的功角特性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的加大而同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司6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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90°的情况下，当干扰使发电机偏离了原工作点0，产生了角度偏移，一方面按正弦特性会产生一个负的有功增量Pf1，（PPffEqcont1），另一方面，加大使机端电压降低，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Eq，Eq又使发电机产生一个正的有功增量Pf2，（PPEqEqffcont2），显然若PPff21，因角度偏移引起的总的功率增量PPPfff120，即dPdf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，Eq越大，Pf2也越大，发电机的稳定极限也就加大。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的振荡时，有：tMsin(1-6)式中：——对平衡点的角度偏移；M——角度振荡的偏值；——振荡角频率。发电机转子运动方程为：HddtDddtPPf220(1-7)式中：H——发电机的惯性常数；D——发电机的阻尼系数；P0——由原动机输入的功率偏移；Pf——发电机输出有功功率偏移。对水轮机来说，由于其调速器的时间常数很大，故可近似认为振荡过程中P0=0，则式（1-7）可写成：同步发电机的励磁系统武汉洪山电工科技有限公司7HddtDddtPf220(1-8)由式（1-5）可得：PKKEfq12(1-9)式中：KPfEconstq1及KPfconst2将式（1-9）代入式（1-8）可得：HddtDddtKKEq22120(1-10)当系统发生振荡时，所有的量都以相同的角频率变化，由于发电机励磁绕组及励磁机（若有的话）惯性的影响，在按电压偏差调节励磁的情况下，励磁电流变化的相位总是滞后于变化的相位，故空载电势Eq可表示为：EEtqqMsin()(1-11)式中：EqM——空载电势的振荡幅值；——Eq和之间的夹角。上式展开可得：EEtEtqqMqMcossinsincos(1-12)考虑到：Mtsin及ddttMcos可得：EKKddtq34(1-13)式中：KEqMM3cos将式(1-13)代入式(1-10)可得：HddtDKKddtKKK22241230()()(1-14)由式(1-14)可见，励磁电流的变化即Eq的变化对发电机转子运动方程的影响有两个，其一是使自由的系数由K1变为（K1+K2K3），即产生了附加的自由项（K2