第7讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(5)
同步发电机励磁控制系统分析
同步发电机励磁控制系统分析摘要：励磁控制系统承担电力系统电压控制、无功分配和提高同步发电机并列运行的稳定性的任务，其是否可靠直接影响发电机的安全运行和电网的稳定，而根据实际情况选择正确的励磁系统是其可靠和稳定的前提。
关键词：励磁系统；继电保护装置；1.励磁系统的主要作用励磁系统的主要作用有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态、暂态稳定性；4）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；5）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承担如下的任务：1.1.维持发电机端或系统指定控制点的电压在给定水平上。
满足这一要求首先考虑的是保证电力系统运行设备的安全性，其次保证发电机运行的经济性。
此外，维持发电机电压与提高电力系统稳定性方面的要求也是一致的。
1.2.合理分配并联运行发电机间的无功功率。
电力系统中有许多台发电机并联运行。
为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分布，要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。
1.3.提高电力系统的静态稳定性。
当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的静态稳定性。
现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率，自动励磁的调节装置的出现，使许多技术问题得到了圆满的解决。
1.4. 提高电力系统的暂态稳定性。
电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰，在各种干扰后，发电机组能够恢复到原来的运行状态或者过渡到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的。
励磁自动控制系统是通过改变励磁电流If从而改变Eq值来改善系统稳定性的。
1.5.提高电力系统动态稳定性。
当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性。
增加励磁调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。
同步发电机励磁控制系统分析
同步发电机励磁控制系统分析摘要：发电机励磁体系是供给同步发电机励磁电流的电源和别的附加控制设备的统称。
它通常由励磁功率单元与励磁调节器2大部分组成，而励磁调节器是依据控制需求的输入信号与给定的调节原则控制励磁功率单元输出的装置。
同步发电机励磁体系是电力系统控制的关键构成部分，它除了保持发电机端电压的恒定与实施无功功率分配外，还一定要确保电力系统的静态、暂态与动态稳定性。
关键词：励磁系统；继电保护装置1.同步发电机励磁系统概述由励磁调节器、励磁功率单元、灭磁过电压保护与发电机自身共同构成的整个体系称为同步发电机励磁系统。
控制发电机端电压与无功功率的关键构成部分就是同步发电机励磁系统，关键的实时持续控制系统，对保持电力系统固定性起重要作用，正常运行时，发电机的励磁电流自动调节，使发电机稳定运行。
同步发电机励磁体系控制部分在构造上关键由功率整流单元、调节器装置与灭磁过电压保护装置，共3大部分所构成。
励磁功率整流单元向同步发电机转子供应励磁电流；而励磁调节器则运用智能控制办法依据输入信号与给定的调节原则掌控励磁功率单元的输出，灭磁过电压保护装置可以避免体系形成过电压与迅速灭磁。
励磁系统的自动励磁调节器对提升电力系统并联机组的稳定性具备比较大的功能。
特别是现代电力体系的发展造成极限降低机组稳定的趋势，也推动励磁技术持续发展。
2.同步发电机励磁系统的任务2.1控制发电机的端电压电力系统调压的关键方法之一就是保持发电机的端电压等于给定值，在负荷转变的状况下，要确保发电机的端电压为给定值则一定要调节励磁。
由发电机的简单化相量图（图1-1）可得：（1-1）式中：Eq——发电机电势的空载；Uf——发电机的端电压；If——发电机的比例负荷电流。
式（1-1）说明，在发电机空载电势Eq恒定的状况下，会随负荷电流If 的加大而降低的是发电机端电压Uf，为确保发电机端电压Uf 恒定，一定要随发电机负荷电流If 的增加（或减小），让发电机电势的空载Eq增加（或减小），而发电机励磁电流Ifq 的函数（如果不思考饱和，成正比的Eq与Ifq）是Eq，所以在运行发电机中，随着发电机变化的负荷电流，一定要调节励磁电流来让发电机端电压恒定。
同步发电机励磁控制系统及特性分析
第二节 同步发电机的励磁控制系统
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
300MW及以上机组励磁系统一般采用
发电机
无刷励磁和自并励方式。
TA
IEF
G ~
静止励磁系统(发电机自并励系统)中
一、直流励磁机系统
采用同轴的直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机电 流，从而改变供给发电机转子的励磁电流，达到调节发电机电压和无功 的目的。
主要问题： （1）直流励磁机受换向器所限，其制造容量不大。 （2）整流子、电刷及滑环磨损，降低绝缘水平，运行维护麻烦。 （3）励磁调节速度慢，可靠性低。 按照励磁机励磁绕组的供电方式不同，可分为自励式和他励式两种。
负荷的无功电流是造成 E 与U 数值差的主要原因，
q
G
发电机的无功电流越大 ，差值越大。
第一节 概述
同步发电机的外特性必然是下降的，当励磁电流一定时，发电机端电压随无 功负荷增大而下降，必须通过不断的调节励磁电流来维持机端电压维持在给 定水平。
第一节 概述
(二)控制无功功率的分配
1.同步发电机与无穷大系统母线并联运行问题
第二节 同步发电机的励磁控制系统
同步发电机励磁控制系统的分类：
（1）直流励磁机系统：自励式直流励磁机系统、他励式直 流励磁机系统。 （2）交流励磁机系统：他励可控整流式交流励磁机系统、 自励式交流励磁机系统、具有副励磁机交流励磁机系统、 无刷励磁系统； （3）静止励磁系统
第二节 同步发电机的励磁控制系统
第四章 同步发电机励磁控制系统及特性分析
第一节：概 述:励磁控制系统的作用（重点） 第二节：同步发电机的励磁控制系统 第三节：励磁调节器 第四节：同步发电转子磁场的强励与灭磁
同步发电机励磁控制系统
预测控制是一种基于模型的控制方法，能够根据系统的历史数据和当前状态预测 未来的行为，实现更精确的控制。
环保与节能要求对励磁控制系统的影响
能效要求
随着能源危机和环保意识的提高，励磁控制系统需要更加注重能效，采用更高效的电机 和节能控制策略，降低能源消耗和排放。
排放要求
励磁控制系统需要符合更严格的排放标准，采用环保型的电机和控制策略，减少对环境 的污染。
转子过电流保护装置
作用
转子过电流保护装置用于监测同 步发电机转子电流，当出现异常 过电流时，及时切断励磁电流， 防止转子烧毁。
工作原理
转子过电流保护装置通过电流传 感器实时监测转子电流，当检测 到过电流时，触发保护动作，快 速切断励磁电流。
组成
转子过电流保护装置由电流传感 器、比较电路和开关器件等部分 组成，各部分协同工作实现转子 过电流保护功能。
根据励磁调节器的控制指令，输出励 磁电流给发电机励磁绕组。
励磁控制系统的功能
电压控制
通过调节励磁电流，维 持发电机端电压在给定
水平。
无功功率调节
根据系统无功需求，调 节励磁电流以改变发电
机无功功率的输出。
增磁与减磁
通过增加或减少励磁电 流来改变发电机的输出
电压。
保护功能
在异常情况下，自动采 取措施保护发电机和励
THANKS
谢谢
Байду номын сангаас
磁系统。
02
CHAPTER
励磁控制系统的主要设备
励磁调节器
作用
励磁调节器是励磁控制系统的核 心，用于调节同步发电机的励磁 电流，以控制机组的无功输出和
电压水平。
工作原理
励磁调节器通过采集发电机电压、 电流等信号，经过运算处理后，输 出控制信号给功率整流器，以调节 励磁电流。
同步发电机励磁自动控制系统
时，输出波形不连续，周期为2π/3
三相半控整流电路输出电压与控制角α的关系式为：
静止励磁系统(发电机自并励系统)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。
这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静
止励磁系统。由于励磁电源是发电机本身提供，故又称为发电
机202自1/5/并27 励系统。
21
第三节 励磁系统中的整流电路
同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是将交流电压 整流成直流电压供给发电机励磁绕组或励磁机的励磁绕组。
一 励磁系统的历史
直流励磁机励磁系统
换流困难
交流励磁机励磁系统(交流发电机和半导体整流元件组成） 为缩短主轴长度，降低造价，减少环节。
20静21/止5/27励磁系统 (发电机自并励系统)
13
二 直流励磁机励磁系统（100MW以下） 按励磁机的励磁绕 ➢ 自励直流励磁机励磁系统 组供电方式的不同 ➢ 他励直流励磁机励磁系统
1 自励直流励磁机励磁系统
IEE
IR DE =
IE
G
IAVR
R
励磁调节器
发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁
2021机/5/2磁7 场电阻R可改变励磁机励磁电流
14
2 他励直流励磁机励磁系统
IR
PE =
= IAVR IEE DE
IE
G
励磁调节器
他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用 了一台副励磁机
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VS5 V6
t
t
t
27
浅谈同步发电机励磁系统及常见故障分析
浅谈同步发电机励磁系统及常见故障分析同步发电机是电力系统中常见的发电设备之一，它的励磁系统起到了关键的作用。
励磁系统是控制同步发电机的磁场强度和稳定性的关键元件，它直接影响到发电机的电压和频率稳定性以及对外网的供电能力。
本文将就同步发电机励磁系统及常见故障进行讨论和分析。
同步发电机的励磁系统通常由励磁电源、励磁机械部分和励磁控制部分组成。
励磁电源可以分为直流励磁电源和交流励磁电源两种形式。
直流励磁电源是通过整流器将交流电源转换为直流电源，供给励磁机械部分产生励磁磁场。
交流励磁电源则是通过变压器将外部交流电源转换为励磁所需的低电压交流电源。
励磁机械部分是通过旋转励磁机械部件产生磁场，通常采用的是直流励磁机或永磁发电机。
励磁控制部分则是通过控制励磁电源的电压或频率来调节励磁磁场的强度。
在同步发电机励磁系统中，常见的故障包括励磁过程异常、励磁机械部分故障和励磁控制部分故障。
励磁过程异常是指在发电机启动过程中，励磁系统不能正常产生和维持发电机所需的磁场。
造成励磁过程异常的原因很多，包括励磁电源故障、励磁电源控制失灵、励磁机械部分故障等。
励磁电源故障可能是由于电源本身供电异常或电源连接线路接触不良等原因引起的。
励磁电源控制失灵通常是由于励磁控制部分元件故障或程序错误引起的。
励磁机械部分故障可能包括励磁机械部件损坏、励磁机械传动系统故障等。
励磁机械部分故障是指励磁机械部件发生故障导致无法正常产生磁场。
励磁机械部件可能会因为长期使用或受到外部因素的影响而损坏。
励磁机械部件可能会出现磁铁脱落、励磁绕组短路、励磁机械轴承故障等情况，这些都会导致励磁机械部分失效。
励磁控制部分故障是指励磁控制部分元件或系统出现故障导致励磁磁场无法正常调节。
励磁控制部分是整个励磁系统中最关键的部分，它直接影响到发电机的电压和频率稳定性。
励磁控制部分主要包括励磁控制器、励磁控制电路、励磁控制系统等，这些元件或系统可能因为元件老化、过载、短路等原因导致故障。
浅谈同步发电机励磁系统及常见故障分析
浅谈同步发电机励磁系统及常见故障分析同步发电机励磁系统是保证发电机正常运行的重要部分，其主要功能是提供足够的电流来激励发电机的转子，使其产生磁场，进而产生电能。
励磁系统通常由励磁机、稳压器、控制电路以及电源组成。
励磁机是励磁系统的核心部分，其主要作用是将机械能转化为电能，供给发电机转子。
励磁机的励磁电流大小决定了发电机的输出电流和电压。
稳压器用于控制励磁电流的稳定性，保证发电机输出的电压稳定。
励磁控制电路负责监控和调节励磁系统的工作状态。
通常包括采集发电机输出的电压和电流信号，根据设定值来调节励磁电流大小。
电源提供励磁系统工作所需的电能。
通常采用直流电源或者交流电源。
在实际运行中，励磁系统可能遭遇各种故障，这些故障会导致发电机输出电压不稳定甚至损坏设备。
常见的故障有以下几种：1. 励磁电流异常：励磁电流过大或者过小都会影响发电机的输出电压。
过大的励磁电流容易导致发电机和稳压器过热，损坏设备；过小的励磁电流会导致电压下降，无法满足负荷需求。
2. 励磁机故障：励磁机损坏会导致无法正常供电，使得发电机无法产生电能。
常见的故障原因有励磁机转子绝缘损坏、绕组短路等。
3. 稳压器故障：稳压器负责调节励磁电流的稳定性，如果稳压器损坏或者调节不当，会导致励磁电流波动，进而导致输出电压波动。
4. 控制电路故障：励磁控制电路负责监控和调节励磁系统的工作状态，如果控制电路出现故障，励磁系统无法正常工作。
针对这些故障，我们可以采取以下措施进行分析和解决：1. 对励磁电流进行监测和调节，确保励磁电流在正常范围内波动。
2. 定期检查励磁机和稳压器的绝缘情况，及时更换绝缘材料。
3. 对励磁机进行定期维护保养，包括清洁、润滑和紧固等工作。
4. 对控制电路进行定期检查和测试，确保其正常工作。
5. 配备备用励磁机和稳压器，以备发生故障时能够迅速替换。
同步发电机励磁系统是发电机正常运行的关键部分，对其进行故障分析和解决是确保发电机正常工作的重要环节。
同步发电机励磁控制系统设计与分析
用。 国外 某些公 司 已经把 这种 方式 列为大 型机组 的 定型励 磁方式 。为 了更 加深入 地 了解 自并 励励磁 系
统 ， 设 计 采 用 自并 励 方 式 。 本 １ 主 回路设 计 主 回路 的设 计 首先 要计算 出变 压器的容 量 。计 算 时 ， 流 电 压 以 满 足 强 励 要 求 为 准 ， 虑 到 交 流 电 交 考 源允许 瞬时 电流过 载 ， 以交 流 电流 以额 定运 行 情 所 况 为准 。在 计 算 交 流 侧 线 电 压 时 有 一个 回代 的 过 程。先设 总 的 电压 降 占 １ ％， ５ 算得 估 算的 交流 侧 线 电压 。 根 据 这 个 求 得 的 线 电 压 求 出 交 流 侧 线 电 流 ， 然 后 求 出 交 流 电 源 功 率 。 根 据 求 得 的 电源 功 率 查 相 应 手 册 查 出相 近 变 压 器 漏 抗 。 用 查 得 的 漏 抗 数 值 再 求 一 次 交 流 侧 线 电 压 、 流 侧 线 电 流 ， 后 求 得 交 流 交 最
电机 机 端 短 路 时 强 励 问题 和 短 路 电 流 迅 速 衰 减 保 护 拒动 的 问题 的 解 决 ， 自并 励 方 式 越 来 越 普 遍 地 被 采
由于 自并励 方式 发 电机 起 动时 自己无法 建 立 电 压 ， 此 必 需 考 虑 起 励 问 题 。 考 虑 到 他 励 电 源 起 励 因 方式更 加 可靠 ， 且 一 般 起励 时 所 需 的他 励 电源 电 并 压不 高 ， 以采 用 厂 用 电起 励 。所 需 的起 励 电源 功 所 率 为 额 定 励 磁 功 率 的 ２ ５％， 求 得 起 励 电 源 容 量 为 ． 可 ５ ８ ６ Ａ。起 励 电源 电压为额 定 励磁 电压 的 １４ ．６ ＫＶ ／， 可算 出所 需 电源 电压 为 ４ Ｖ。 ９
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二、计及计及励磁系统的同步发电机稳定性分析
（1）当负荷较轻时
K5 0
M D
TEQ
K2 K6
K4 Ke
1 d2TE2Q
K5
1 K6
K2 K5TEQ
1 d2TE2Q
大 于 零
励磁系统加入后，机组的阻尼转矩增大
（2）当负荷较重时
K5 0
总的阻尼转矩系数
机组就发生振荡失步
M D
TEQ
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1、暂态电动势的方程式
在实际应用中常根据对分析和计算精度要求的不同， 对同步发电机的方程进行简化。
1、三绕组（f、D、Q）转子模型 转子q轴通常只考虑一个等值阻尼绕组Q，认为g绕组不存在。
X g , X ag 0, ig g 0
定子电压平衡方程和定子磁链方程不变。
2、两绕组（f、g）转子模型 转子q轴通常只考虑一个阻尼绕组g，认为D、Q绕组不存在。
/
X
' d
Xe
Ede 1 Td'0s Eq'
Xd
X
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2、发电机转子运动方程和电磁转矩方程
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二、计及计及励磁系统的同步发电机稳定性分析
ΔMe1 ΔMm - ∑
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K2
K1
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K3 1 K3Td'0s
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励磁系统
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定子绕组电压平衡方程
ud p d q Raia uq p q d Rd iq
转子绕组磁链方程
转子绕组电压平衡方程
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Xd
X
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id
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Xd Xd
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1、暂态电动势的方程式
在这里采用 “3不计阻尼绕组的模型”
Td'0 peq'
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E
eq X d fq eq Td' 0
X deq' dt
' d
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Eq' Eq X d
Ede
Eq
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X
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Eq
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1、暂态电动势的方程式
其中，定义如下变量：
eq1 X af i f
ed1
X ag ig
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X aDiD
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eq1 X af i f
定子绕组磁链方程
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转子电压平衡方程
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第七讲 同步发电机励磁控制系 统及特性分析（5）
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主讲人：李岩松
华北电力大学 电气与电子工程学院 liyansong811@
第四章 同步发电机励磁控制系统及特性分析
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本章运用自动控制理论来 分析同步发电机自动励磁调节 的动态特性及其对电力系统动 态稳定的影响
低频振荡或者功率振荡常出现在长距离、重负荷输电线上， 特别是在快速高顶值倍数励磁系统的条件下更容易发生，这是 因为互联系统缺乏阻尼而造成的。
低频振荡的解决办法是：在励磁系统引入适当的信号 ，以增 强系统的阻尼。
数学建模
数学分析
物理映射
物理系统
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3、发电机端电压方程
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励磁系统
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海佛荣-飞利浦斯
（Heffron-Philips）模型
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5、参数随负荷变化的规律
转速信号经过G（s）后引 至励磁系统的电压参考点
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G3
G6
K6
GP s
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1、PSS的传递函数
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GP s
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P
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2
GP (s)K2Ke
Te K3Td'0 K3TeTd'0
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K6Ke Td'0Te
Td'0Te
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若GX（s）与GP（s）
Gs (s)K2Ke
(s)
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准确抵消，就可以提 供正阻尼
GX (s)GP(s) (s)
实际上，只要两者的相频特性 相似，也能提供正阻尼
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X D X Q X aD X fD X aQ X fQ 0 iD iQ D Q 0
定子电压平衡方程不变。
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1、暂态电动势的方程式
3、不计阻尼绕组的模型 不计阻尼绕组的影响。 X D X Q X g iD iQ ig D Q g 0 所有与阻尼绕组g、D、Q有关的互阻抗都为零。
K2 K6
K4 Ke
1 d2TE2Q
K5
1 K6
K2 K5TEQ
1 d2TE2Q
小 于 零
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三、改善电力系统稳定性的措施——PSS
电力系统稳定器（Power System Stabilizer，PSS） 作用是产生一个正阻尼以抵消励磁控制系统的负阻尼。
U qG Eq X d I d
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Eq' U sin 0 U cos 0 / X q