发电机(含双馈机)励磁控制系统综合实验实验报告

发电机（含双馈机）励磁控制系统综合实验实验报告

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一 概述

励磁控制系统实验接线图如图1可供选择的励磁方式有两种：自并励和他励。当三相全（半）控桥的交流输入电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流输入电源取自380v 市电时，构成他励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，全控时的触发脉冲为双脉冲，具有最大最小a 限制。以下实验操作均针对附录A 中的发电机控制系统实验平台而言。

图1励磁控制系统实验接线图

综合实验台中，微机励磁调节器的控制方式有四种：恒G U （保持机端电压为定值）、恒L I （保持励磁电流为定值）、恒Q （保持发电机无功功率为定值）和恒a （保持控制角恒定）。其中，恒a 方式是一种开环控制方式，只限于他励方式下使用。

同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增、减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增、减按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。

发电机正常运行时，三相全（半）控桥处于整流状态，控制角a 小于90°；当正常停机或事故停机时，调节器的控制角a 大于90°，实现逆变灭磁。

电力系统稳定器——P SS 是提高电力系统动态稳定性能的经济有效方法之一，已成为励磁调节器的基本配置；励磁系统的强励，有助于提高电力系统暂态稳定性；励磁限制器是保障励磁控制系统安全可靠运行的重要环节。

二 实验及思考

实验一 不同a 角（控制角）对应的励磁电压波形观测实验

在不起动机组的状态下，操作“增磁”按钮或“减磁”按钮即可逐渐减小或增加控制角a ，从而改变三相全控桥的电压输出及其波形。

实验时，调节励磁电流为表2-1规定的若干值，通过接在d U +、d U -之间的示波器观测

全控桥输出电压波形，并由电压波形估算出a 角，另外利用数字万用表测出全控桥的直流输出电压fd U 和交流输入电压AC U ，将以上数据计入表，通过fd U ，AC U 和数学计算公式也可计算出一个a 角来；完成此表后，比较两种途径得出的a 角有无不同，分析其原因。

1） 调节控制角大于90°但小于120°，观察全控桥输出电压波形，与理想波形对比。

2） 调节控制角大于120°，观察全控桥输出电压波形，与理想波形对比。

表2-1 控制角a 的对比数据

思考题： 1.励磁电压波形观测实验的目的是什么？

答:了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点；熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形；观察触发脉冲及其相位移动；观察强励现象及其对稳定的影响。

2.本实验通过“倒网压”的方式进行，操作时需要注意那些问题？

答：注意操作顺序，在操作“增磁”按钮或“减磁”按钮减小或增加控制角时，要注意控制角调节范围。

实验二 同步发电机起励实验

同步发电机的起励方式有两种：恒G U （F U ）方式起励、恒a 方式起励。其中，恒a 方式起励只能在他励方式下有效外。恒F U 方式起励，现代励磁调节器通常有“设定电压起励”和“跟踪网压起励”两种起励方式。设定电压起励，是指电压设定值由运行人员手动设定，起励后的发电机电压稳定在手动设定的给定电压水平上；跟踪系统电压起励，是指电压设定值自动跟踪系统电压，人工不能干预，起励后的发电机电压稳定在与系统电压相同的电压水平上，有效跟踪范围为85%--115%额定电压；“跟踪系统电压起励”方式是当励磁控制器检测到装设了电网电压测量变送器且电网电压在85%--115%额定电压的有效范围内，默认的起励方式，可以为准同期并列操作创造电压条件。

恒a方式起励只适用于他励励磁方式，可以做到从零电压或残压开始有人工调节逐渐增加励磁而升压，完成起励建压任务。通常这种励磁方式应用于发电机的特性测试测试实验，正常运行时很少采用。

U方式起励步骤

1.恒

F

1）按显示屏提示将控制方式选择为“恒电压”。

2）在“常规参数”页面设置“起励PT电压”，105V对应额定电压。

3）合上灭磁开关。

4）按下“起励”按钮，发电机随机按设定的电压起励建压。

5）将“开机跟踪电网电压”设置为“打开”。然后重新起励，发电机按“跟踪网压”起励建压。

注意：观察在起励时励磁电流和励磁电压的变化（看励磁电流表和电压表）。对起励过程进行录波、观察起励曲线、测定起励时间、上升速度、超调、振荡次数、稳定时间等指标，记录起励后的稳态电压和系统电压。

改变系统电压，重复起励（无需停机、开机，只需灭磁操作），观察记录发电机电压的跟踪精度和有效跟踪范围以及在有效跟踪范围外起励的稳定电压。

2. 恒a方式起励步骤

1）将励磁控制柜上“他励/自励”转换开关切换至“他励”位置，系统选择他励励磁方式。

2）操作励磁调节器触摸屏切到“恒控制角”方式。

3）合上灭磁开关

5）起动机组。

6）当转速接近额定时（频率≥47Hz），通过减励按钮将角度减小，直到发电机起励建压所需要的电压。

U起励方式有何不同。

7）注意比较恒a方式起励与恒

F

思考题：

1、新安装、大修过后的发电机为何要做参数测定试验（他励空载、短路试验）？

答：他励空载、短路试验都属于发电机的特性和参数试验，是为了了解发电机的运行性能、基本量之间的关系的特性曲线以及被发电机结构确定了的参数。空载特性是指发电机以额定转速空载运行时，其定子电压与励磁电流之间的关系。利用特性曲线，可以断定转子线圈有无匝间短路，也可判断定子铁芯有无局部短路，如有短路，该处的涡流去磁作用也将使励磁电流因升至额定电压而增大。此外，利用空载特性还可以计算发电机的电压变化率、未饱和的同步电抗，分析电压变动时发电机的运行情况及整定磁场电阻等。而短路特性是指在额定转速下，定子绕组三相短路时，这个短路电流与励磁电流之间的关系。利用短路特性，可以判断转子线圈有无匝间短路，因为当转子线圈存在匝间短路时，由于安培匝数减少，同样大的励磁电流，短路电流也会减少。

2、为何要在频率≥47Hz后才投入励磁起励建压？

答：防止机组解列后在低速运行时，过多的增加励磁。致使设备因铁芯密度过大而损坏，也是主变压器的过磁通后备保护。其限制原理是在低速区间（45~47hzHz)时使电压和频率的比

值一定，即：V/H=常数，这样当机组转速降低时，发电机端电压也降低。该保护在47Hz以上不起限制作用。

实验三不同控制方式运行调节及甩负荷实验

U、恒a、三种控制方式，分别具有各自特点，请通过以下该微机励磁调节器具有恒

F

试验自行体会和总结。

U方式

1.恒

F

U方式，开机建压不并网，改变机组转速使频率在45-55Hz范围内变化，选择自励恒

F

记录频率与发电机电压、励磁电流、控制角a的关系数据与表2-2中。

U方式实验数据

表 2-2 转速变化时恒

F

2.恒励流方式

U起励后，切换至恒励流方式，给定一恒定励磁电流，记录频率与发电机电压、用恒

F

励磁电流、控制角a的关系数据与表2-3中。

★这是一种开环控制的运行方式

表2-3 转速变化时恒励流方式实验数据

思考题：

U方式，开机建压并网后，增加给定电压，为何在机端电压不变的情况下，机1、自励恒

F

组还能稳定运行？（请从调差的概念入手分析之）

答：当发电厂中几台发电机并联运行时，母线电压水平和无功功率在机组间的分配决定于各台机组的自动励磁装置的特性，即决定于各台发电机的电压调节特性。机组间无功负荷的分配比例是确定的，并且是可以调节的。

2、甩负荷时为何电压会突然往上升？

答：发电机突然甩负荷导致电枢反应变化而引起的工频电压升高，其原因是由于通常电网负荷为感性，感性负荷的电流对发电机的电枢反应起去磁作用。当突然甩负荷后这一去磁电枢反应也随之消失，但根据磁链守恒原理，穿过励磁绕组的磁通来不及变化，使发电机端电压升高。

实验四逆变灭磁和跳灭磁开关灭磁实验

灭磁是励磁系统保护不可或缺的部分。由于发电机转子是一个大电感，当正常或故障停机时，转子中储存的能量必须泄放，该能量泄放的过程就是灭磁过程。灭磁只能在同步发电机非并网运行状态下进行（发电机并网状态灭磁将会导致失去同步，造成转子异步运行，产生感应过电压，危及转子绝缘）。三相全控桥当触发控制角大于90°时，将工作在逆变状态下。本实验的逆变灭磁就是利用全控桥的这个特点来完成的。

1.逆变灭磁步骤

1） 通过触摸屏选择“微机”通道工作。

2） 起动机组，投入励磁并起励建压、增磁，使同步发电机进入空载额定运行。

3） 触摸屏上的 “灭磁”按钮，注意观察励磁电流表和励磁电压表的变化以及励磁电压波形的变化。

2. 跳灭磁开关灭磁实验步骤

1） 通过触摸屏选择“微机”通道工作。

2） 起动机组，投入励磁并起励建压，同步发电机进入空载额定运行。

3） 直接跳开励磁开关，注意观察励磁电流表和励磁电压表的变化。

思考题：

1、 既然可以直接跳开灭磁开关灭磁，为何还要逆变灭磁？

答：逆变灭磁能够将转子中的储能迅速地反馈到三相全控桥的交流侧电源中去，不需放电电阻或灭弧栅，而且逆变灭磁无触点、不燃弧、不产生大量热量，因而逆变灭磁可靠。而灭磁开关有寿命次数限制，直接跳开灭磁开关灭磁会减少灭次开关寿命。

2、 半控整流能否实现逆变灭磁？

答：逆变灭磁只适用于全控整流桥，逆变灭磁方式主要是在逆变过程中由可控硅桥把励磁绕组中的能量从直流侧返送到交流侧，利用改变可控硅的控制角度实现的。

实验五 伏/赫限制实验

单元接线的大型同步发电机解列运行时，其机端电压有可能升得较高，而其频率有可能降得较低。如果其机端电压G U 与频率G f 的比值/G G B U f =过高，则同步发电机及其主变压器的铁芯就会饱和，使空载励磁电流加大，造成发电机和主变压器过热。因此有必要对/G G U f 加以限制。伏/赫限制器工作原理就是：根据整定的最大允许伏/赫比max B 和当前频率G f ，计算出当前允许的最高电压max Fh G U B f =，将其与电压给定值g U 比较，取二者中较小值作为计算电压偏差的基准b U ，由此调节的结果必然是发电机电压G Fh U U ≤。伏/赫限制器在解列运行时投入，并网后退出。

实验步骤：

U”。

1）选择“微机、自励”励磁方式励磁控制方式采用“恒

F

2）起动机组，投入励磁起励建压，发电机稳定运行在空载额定电压的1.1倍左右。

3）调节原动机减速按钮，使机组从额定转速下降，使频率从50Hz下降到44Hz。

4）每间隔1Hz记录发电机电压随频率变化的关系数据于表2-10中。

B值。

5）根据实验数据描出电压与频率的关系曲线，并计算设定的

max

6）做本实验时先增磁到一个比较高的机端电压后再慢慢减速。

7）注意比较发电机在频率变化过程中的噪音有何不同。

表2-10 伏/赫限制实验数据

思考题：

1、请运用伏赫限制的知识解释为什么机组的停机流程要先灭磁再减速停机？

答：防止机组解列后在低速运行时，过多的增加励磁。致使设备因铁芯密度过大而损坏，也是主变压器的过磁通后备保护。其限制原理是在低速区间（45~47hzHz)时使电压和频率的比值一定，即：V/H=常数，这样当机组转速降低时，发电机端电压也降低。

2、某机组经常出现正常停机后不能起励建压，经查励磁变压器和电压互感器高压侧保险熔断，请分析可能出现这种现象的原因？

答：当电网产生铁磁谐振时，会引起电压互感器的相电流过流，从而造成电压互感器高压保险熔断；在现有中性点经消弧线圈接地方式下，分频谐振容易造成励磁电流的激增，从而对电压互感器高压保险熔断造成影响。

实验六同步发电机强励实验（不做）

强励是励磁控制系统基本功能之一，当电力系统由于某种原因出现短时低压时，励磁系统应以足够快的速度提供足够高的励磁电流顶值，借以提高电力系统暂态稳定性和改善电力系统运行条件。在并网运行时，模拟单相接地和两相相间短路故障可以观察强励过程。

实验步骤：

U。

1）选择“自励”励磁方式和“微机”方式，励磁控制方式采用”恒

F 2）起动机组，投入励磁，满足条件后并网。

3） 在发电机有功功率和无功功率输出为50%额定负载时，进行单相接地和两相相间短路实验，注意观察发电机端电压和励磁电流、励磁电压的变化情况及观察强励时的励磁电压波形。

实验七 欠励限制实验

欠励限制器的作用是用来防止发电机因励磁电流过度减小而引起失步或因机组过度进相引起定子端部过热。欠励限制器的任务是：确保机组在并网运行时，将发电机的功率运行点（Q P 、）限制在欠励限制曲线上方。

欠励限制器的工作原理：根据给定的欠励限制方程和当前有功功率P 计算出对应的无功功率下限：min Q aP b =+。将min Q 与当前无功功率Q 比较，若：min Q Q <，欠励限制器不动作；min Q Q >欠励限制器动作，自动增加无功输出，使min Q Q <。

实验步骤：

1） 选择“自励”励磁方式和“恒电压”运行方式。

2） 起动机组，投入励磁。

3） 满足条件后并网。

4） 调节有功功率输出分别为0、50%、100%的额定负载，用减小励磁电流（按“减磁“按钮）或升高系统电压的方法使发电机进相运行，直到欠励限制器动作（欠励限制指示灯亮），记下此时的有功功率P 和无功功率Q 填入表2-12中。

5） 根据表试验数据作出欠励限制线()P f Q =，并计算出该直线的斜率和截距。

表2-12 欠励限制实验数据

思考题：

用同步电机的功角特性曲线说明发电机励磁为何要设置欠励限制，且运行允许进相深度

随着输出有功功率的增加而减小？

答

凸极机功角特性曲线 隐极机功角特性曲线 发电机欠励运行期间，其定、转子间磁场联系减弱，发电机易失去静态稳定。为了确保一定的静态稳定裕度，励磁控制系统(AVR)在设计上均配置了欠励限制回路，即发电机输出一定的有功功率时，受到定子端部铁芯发热的限制，以及功角不能越过稳定极限的限制，为保证发电机设备的安全，必须保证发电机运行在功率限制圆和热稳定限制线以内，具体设置以试验和机组提供的进相能力极限数据为参考，同时必须与发电机失磁保护配合。

发电机端电压恒定时，功率因数角与励磁电流之间的关系是：功率因数角越大，励磁电流越大。因而进相运行时，励磁电流要比相同负荷下迟相运行时小，且进相程度越深，励磁电流越小。甚至会出现零励磁现象，此时如不加以控制发电机将会从系统吸收有功，由发电方式转为电动机运行方式，这是很危险的。

实验八 调差实验

1. 调差系数的测定

在微机励磁调节器中使用的调差公式为（按标幺值计算）B g Q U U K Q =±，它是将无功功率的一部分叠加到电压给定值上（模拟式励磁调节器通常是将无功电流的一部分叠加在电压测量值上，效果等同。）

励磁调节器的给定电压按实际值计算公式如下：

**g

ref g Q N N Q U U K U S =±

式中，Uref 为给定电压；g U 为发电机实测电压；Q K 为调差系数；g Q 为实测无功功率；N S 为发电机视在功率。由公式 推导出调差系数的计算公式。

实验步骤：

1）励磁控制方式采用“恒电压”。

2）起动机组，投入励磁。

3）满足条件后并网，稳定运行。

4）通过不断增加励磁电流，记录一系列数据于表2-12中，

5）计算出调差值，检验是否与设置值一致。

表2-12 调差系数的测定

2.零调差实验

K=，实验步骤同上所述。

设置调差系数0

Q

3.正调差实验

K=，实验步骤同上所述。

设置调差系数4%

Q

4.负调差实验

K=-，实验步骤同上所述。

设置调差系数4%

Q

思考题：

1、一台调差系数为负数的机组直接与电网并联运行，当增大给定电压时，无功会如何

变化？机组能否正常运行？

答：

2、孤立带负荷运行的机组，如果投入调差单元，机端电压是否能稳定在给定电压的水

平上？为什么？

答：可以，发电机的交流励磁调节器一般设有调差系数环节,调差系数的值可以依据发电机参数及调差单元的参数计算并进行实测检验。其原理是接入测量回路中每相电阻上的电流所产生的压降形成调差，根据电流方向确定极性。与原测量电压相加为正调差，反之则为负。发电机组的调差一般用于发电机组的多机同步中使用，单机运行无须启用。

实验九 PSS实验（试验不做，但要回答思考）

PSS（电力系统稳定器）的主要作用是抑制电力系统的低频振荡。它的投入对提高电力系统的动态稳定性有非常重要的意义。

实验步骤：

U“。

1）选择“微机自励”励磁方式，励磁控制方式采用”恒

F

2）起动机组，投入励磁。

3）满足条件后并网，稳定运行。

4）在不投入PSS的条件下，增加发电机有功输出，直到系统开始震荡或失步，记下此时的机端电压、有功输出和功率角（由调速器的显示器读数）

5）在投入PSS的条件下，增加发电机有功输出，直到系统开始震荡或失步，记下此时的机端电压、有功输出和功率角。

6）比较PSS投和不投两种情况下的功率极限和功率角极限有何不同。

思考题：

1、你知道的PSS都有哪几种控制模型，我国目前投入使用的主要有哪几种？

答：PSS1A,PSS2B,PSS3B.PSS4B；我国目前投入使用的主要有PSS1A,PSS2B,PSS3B

实验九双馈风力发电机交流励磁认识实验

一、双馈机基本知识

1.双馈风力发电机实质上是一台异步化的同步发电机

2.励磁电源为三相交流，可通过改变交流励磁电流的频率、相位、幅值，实现对电网电压的频率、相位、幅值的跟踪，从而实现无冲击的柔性并网控制。

3.并网后，通过控制交流励磁的相位和幅值实现有功和无功功率的解耦控制。

二、实验内容

通过控制背靠背双向变流器，实现对电网电压、相位、频率的跟踪试验，测取电网电压及发电机电压的波形，并对波形进行分析。

思考题

1、请从转子机械转速、转子旋转磁场转速及方向、电网电压频率三者之间的关系说明双馈风力发电机如何实现对电网频率的跟踪？

答：发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器相连。变流器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时变流器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术。变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同并且可根据需要进行有功和无功的独立控制。

三实验总结

通过此次综合实验，让我们能够把这几年所学到的知识融会贯通，丰富了大脑，同时在实验的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野。更深入理解了同步发电机准同期并列原理和准同期并列条件以及同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务，掌握了微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法和励磁调节器的基本使用方法以及常用励

磁限制器的作用，我还了解了同步发电机准同期并列过程和自并励励磁方式和它励励磁方式的特点、微机励磁调节器的基本控制方式以及电力系统稳定器的作用；观察强励现象及其对稳定的影响。

此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。这在我们做综合实验的过程中得到了体现。在此要感谢我们的指导老师们对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。在实验过程中，通过与同学交流经验和自学，向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，收获巨大。在实验过程中所学到的东西是这次综合实验的最大收获和财富，使我终身受益。