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
第五节：励磁控制系统的调节特性（重点、难 点）
励磁控制系统的概念
发电机是将旋转形式的机械能量转换成三相交流电能量的设备， 为了完成这一转换并满足电力系统运行要求，除了需要原动机（汽 轮机或者水轮机）供给动能外，它本身还需要有可调的直流磁场， 以适应运行工况的变化。产生这个可调磁场的直流励磁电流称为发 电机的励磁电流，为发电机提供可调励磁电流的设备构成了发电机 励磁系统。励磁系统及其控制对象共同组成的闭环反馈控制系统称 为励磁控制系统。
由于励磁机与主发电机同轴，其电源不受发电机电压的影响，可以说是 保证和提高电力系统稳定性的理想系统。不过这种系统造价较高。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
2、自励式交流励磁机系统
是由励磁机本身的电 枢经可控整流器VS供 电，励磁调节器通过 控制VS来控制励磁机 的励磁电流。
这种系统不使用副励磁机，简化了系统，但是，为了使发电机在这 个运行方式下，自励系统都能正常工作，所以控制系统比较复杂。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
副励磁机
滑环 主励磁机
电
刷
自动调节器
电流互感器
电压互感器
由于同轴上有发电机-励磁机-副励磁机。称为三机系统，目前在 300MW的大容量汽轮机发电机组上采用较为广泛。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
交流副励磁机本身的励磁通常有两种方式，一种是感应或交流副励磁机， 另一种是采用永磁式发电机。目前大型汽轮发电机系统多采用永磁式副 励磁机。
交流励磁机的励磁绕组安装在定子上，其输出所连接的二级管整流器 固定在发电机转轴上，与转子一同旋转，其输出的直流电流可以直接 接入发电机转子而不需要滑环及电刷。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
静止励磁系统中，副励磁机是永磁发电机其磁极是旋转的，电枢是静 止的。而交流励磁机正好相反，交流励磁机电枢、硅整流元件、发电 机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与 电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。
他励与自励的区别在于他励比自励多用了一台副励磁机。由于他励方 式取消了励磁机的自并励，励磁单元的时间常数就是励磁机励磁绕组的 时间常数，与自励方式相比，时间常数减小了，即提高了励磁系统的电 压增长速率。
他励直流励磁机励磁系统一般用于水轮发电机组。 直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，是励磁 系统中的薄弱环节。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
第二节 同步发电机的励磁控制系统
二、交流励磁机励磁系统
交流励磁机系统的核心设备是交流励磁机。由于励磁机容量相对 较小，只占同步发电机容量的0.3%~0.5%，但要求其响应速度快， 所以现在用作大型机组的交流励磁机系统一般都采用他励的方式， 有交流主励磁机也有交流副励磁机，其频率都大于50Hz，一般主 励磁机为100Hz或更高。
励磁电流的变化，只是改变了机组无功功率和功角的大小。
第一节 概述
2.并联运行各发电机组间无功功率分配 为合理利用发电机组容量，各发 电机应按其额定容量大小成比例 分配无功负荷。 只要并联发电机特性完全一致时， 才能使无功电流在并联机组间进 行合理的分配。
将并联运行且容量不同发电机组 做成相同的特性是不可能的。
(七)在不同运行工况下适当采用辅助励磁控制
第二章 同步发电机励磁自动控制系统
二、对励磁系统的基本要求
(一)对励磁调节器的要求
励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，产生 相应的控制信号，经放大后控制励磁功率单元，以得到所要求的发 电机励磁电流。
(1)有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 (2)系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低，以维 持发电机电压在给定水平。在调差装置不投入的情况下，励磁控制 系统的自然调差系数一般在1%以内。 (3)励磁调节器应能合理分配机组无功功率。为此，励磁调节器应 保证发电机端电压调差系数可以在±10%以内进行调整。 (4)对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求 励磁调节器没有失灵区。 (5)励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能， 以提高暂态稳定和改善系统运行条件。
有励磁调节器时，能使发电机在大于功角90度范围的人工稳定区 运行，提高发电机输出功率极限或提高系统的稳定储备。
3.励磁对暂态稳定的影响 在一定的条件下，励磁自动控制系统如果能按照要求进行某种适 当的控制，可改善电力系统的暂态稳定性。
第一节 概述
4、励磁对动态稳定性的影响
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。励磁 控制系统中的自动调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱的最重要原 因之一。在维持发电机电压恒定的同时，也将产生负的阻尼作用。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
(4)转子及其励磁电路都随主轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设 备，转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测(如 转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等)，必须采用特殊的测试 方法。 (5)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。 (6)没有接触部件的磨损，所以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。
(五)在发电机突然解列甩负荷时实现强行减磁
当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较 大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不 采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电压有可能升高到 危及定子绝缘的程度。所以，在这种情况下，要求励磁自动控制系 统能实现强行减磁。
(六)在发电机内部发生短路故障时快速灭磁
励磁系统 手动调节 励磁功率单元
发电机
IEF
G ~
TA
IG
TV
自动励磁调节器
给定电压 辅助控制信号
励磁功率单元：向发电机的励磁绕组提供直流励磁电流。 励磁调节器：自动调节励磁单元输出的励磁电流的大小。
第一节 概述
一、励磁系统的作用
（一）根据发电所带负荷的情况调整励磁电流，以维持发电机机端电压在 给定水平。
交流副励磁机性能和特点：
（1）独立励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。 （2）交流励磁机时间常数大。 （3）造价较高。 （4）需要一定的维护工作量。 （5）一旦副励磁机发生故障，可导致发电机组失磁，如果采用永磁 式发电机，则可靠性将提高。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
4、无刷励磁系统
他励交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统。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可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统 都无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。
第二章 同步发电机励磁自动控制系统
(二)对励磁功率单元的要求 发电机励磁功率单元向同步发电机提供直流电流，除自并励励 磁方式外，一般是由励磁机担当的。 (1) 有足够的可靠性并具有一定的调节容量。以适应电力系统中 各种运行工况的要求。 (2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。前面已经提到， 从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励 磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁 系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。 励磁顶值电压UEFP，是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最 高输出电压值，该值与额定工况下励磁电压UEFN之比称为强励倍数。 其值的大小，涉及制造和成本等因素，一般取1.6~2。
（1）降低调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。 （2）电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。 （3）增加附加励磁控制通道。 （4）采用线性和非线性励磁控制方法改善励磁系统的动态品质。
第一章 概述
(四)改善电力系统的运行条件
1.改善异步电动机的自启动条件 2.为发电机异步运行创造条件 3.提高继电保护装置工作的正确性
发电机励磁调节系统中有一个形 成发电机外特性的环节—调差环 节，通过它可以改变发电机外特 性，很容易地做到使并联运行发 电机组的外特性都一致，从而达 到并联机组间无功负荷合理分配 的目的。