励磁系统与PSS

技术讲座讲稿励磁系统与PSS2008年10月1. 前言根据我国国家标准GB/T 7409.1～7409.3-1997“同步电机励磁系统”的规定的定义，同步电机励磁系统是“提供电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置以及保护装置”。

励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统。

励磁控制系统对电力系统的安全、稳定、经济运行都有重要的影响。

我国国家标准和行业标准都对励磁控制系统提出了具体的要求。

这里，就励磁系统分类、对励磁控制系统的要求、励磁控制系统与电力系统稳定的关系、电力系统稳定器等几个问题和大家一起进行讨论。

2. 励磁系统分类同步电机励磁系统的分类方法有多种。

主要的方法有两种，即按同步电机励磁电源的提供方式分类和同步电机励磁电压响应速度分类两种分类方法。

按同步电机励磁电源的提供方式不同，同步电机励磁系统可以分为直流励磁机励磁系统，交流励磁机励磁系统和静止励磁机励磁系统。

按同步电机励磁电压响应速度的不同，同步电机励磁系统可以分为常规励磁系统、快速励磁系统和高起始励磁系统。

2.1 直流励磁机励磁系统由直流发电机（直流励磁机）提供励磁电源的励磁系统叫直流励磁机励磁系统。

它主要由直流励磁机和励磁调节器组成。

早期的中小容量的同步电机的励磁调节器从发电机的PT(电压互感器)和CT（电流互感器）取得电源；较大容量的同步电机的励磁调节器的电源有时经励磁变压器取自发电机端时，此时，励磁变压器也是主要组成部分（图2-1）。

同步电机的励磁电源是直流励磁机的输出，励磁调节器根据发电机运行工况调节直流励磁机的输出，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。

直流励磁机主要采用由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式，少数（主要是备用励磁机）为由异步电动机非同轴的拖动方式。

直流励磁机的励磁方式，主要有它励、自并励和自励加它励三种方式 。

它励方式的直流励磁机的励磁全部由励磁调节器提供；自并励方式的直流励磁机的励磁全部由直流励磁机本身提供，励磁调节的任务是通过调节与励磁绕组相串联的电阻的大小来实现的；自励加它励方式的直流励磁机的励磁，一部分由励磁调节器提供，一部分由直流励磁机本身提供。

励磁调节器提供的励磁安-匝与总励磁安-匝之比称为自励系数。

早期的直流励磁机还有采用副励磁机做它励电源的，现在已不再采用了。

由于直流励磁机是与主发电机同轴旋转，对于汽轮发电机来说，速度较高，受换向器（整流子）的限制，容量不能做得太大。

我国生产的、使用直流励磁机励磁系统的汽轮发电机的最大容量为125MW 。

对于水轮发电机来说，速度较低，直流励磁机的容量可能做得大一些，我国生产的、使用直流励磁机励磁系统的水轮发电机的最大容量达到300MW 。

随着电力电子技术的发展和在电力工业中的应用，直流励磁机励磁系统，我国新投产的100MW 及以上的发电机已不再使用直流励磁机励磁系统了。

2.2 交流励磁机励磁系统由交流发电机（交流励磁机）提供励磁电源的励磁系统叫交流励磁机励磁系统。

交流励磁机为50～200Hz 的三相交流发电机，交流励磁机的三相交流电压经三相全波桥式整流发电机 图2─1 直流励磁机系统原理图装置整流后变为直流电压，向同步发电机提供励磁。

交流励磁机的拖动方式为由原动机拖动与主发电机同轴的拖动方式。

交流励磁机的励磁方式绝大部分为它励方式，只有极少数采用复励（有串激绕组）方式。

根据整流装置采用的整流元件的不同，交流励磁机励磁系统可分为交流励磁机不可控整流器励磁系统和交流励磁机可控整流器励磁系统。

交流励磁机不可控整流器励磁系统交流励磁机不可控整流器励磁系统一般由交流励磁机、不可控整流装置、励磁调节器和交流副励磁机等组成（图2-2）。

同步发电机的励磁电源是交流励磁机的输出。

不可控整流装置将交流励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节交流励磁机的励磁电流和输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。

励磁调节器从同轴副励磁机取得电源。

副励磁机一般为350～500Hz的中频永磁交流发电机。

有些交流励磁机不可控整流器励磁系统的励磁调节器，不是从同轴副励磁机取得电源，而是通过励磁变压器从发电机机端取得电源，此时，励磁变压器也是主要组成部分（图2-2虚线所示）。

励磁调节器的电源由同轴副励磁机供给时简称为三机系统；励磁调节器的电源通过励磁变压器由发电机供给时简称为两机系统。

两机系统中励磁调节器的最大输出电压与发电机的机端电压的大小成正比。

图2─2 交流励磁机不可控整流器励磁系统原理图当不可控整流装置为静止整流装置时，称为交流励磁机不可控静止整流器励磁系统，一般简称为交流励磁机静止整流器励磁系统。

此时，交流励磁机的励磁绕组在转子上，与发电机转子及副励磁机转子同轴同速旋转。

交流励磁机的电枢、不可控整流装置和励磁调节器都是静止的。

交流励磁机静止整流器励磁系统中的交流励磁机和发电机都需要配滑环、炭刷。

又称为有刷励磁(系统)。

但是交流机本身没有换向问题，因此，其容量不受限制。

但是，由于旋转部件较多，励磁系统发生故障的可能性也较多。

同时，由于轴系长，轴承座较多。

容易引起机组振动超标，轴系稳定问题应引起注意。

当不可控整流装置采用旋转整流器时，称为交流励磁机不可控旋转整流器励磁系统，一般简称为交流励磁机旋转整流器励磁系统。

此时，交流励磁机的励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上。

励磁调节器是静止的，交流励磁机的励磁绕组也是静止的。

交流励磁机的电枢绕组、副励磁机转子、不可控整流装置与发电机转子同轴同速旋转。

交流励磁机和发电机都不需要配滑环、炭刷，因此，这种励磁系统又称为无刷励磁系统。

无刷励磁系统的主要特点是：交流励磁机和发电机都没有滑环、炭刷，励磁容量可以不受限制；没有滑环、炭刷，运行维护方便；没有滑环、炭刷，不会产生火花，可以使用于有易燃、易爆气体的场合；没有滑环、炭刷，不会产生炭粉和铜末，因而不会导致电机绕组的绝缘被污染而降低绝缘水平。

三机系统和两机系统都可以是无刷励磁系统。

交流励磁机不可控整流器励磁系统是目前我国电力系统中使用最多的励磁系统。

交流励磁机可控整流器励磁系统交流励磁机可控整流器励磁系统由三相可控整流桥、发电机的励磁调节器、交流励磁机及其自励恒压装置（系统）组成（图2-3）。

同步电机的励磁电源是交流励磁机的输出。

可控整流装置将交流励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。

这种励磁系统也称为它励可控硅励磁系统。

图2─3 交流励磁机可控整流器励磁系统原理图在我国使用的交流励磁机可控整流器励磁系统，绝大部分是随发电机一起从俄罗斯和捷克等国家进口的。

发电机容量从200MW～1000MW不等。

国内基本没有正式生产这种励磁系统。

2.3 静止励磁机励磁系统静止励磁机是指从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器向发电机提供直流励磁电源的励磁机。

由静止励磁机向同步发电机提供励磁的励磁系统称为静止励磁机励磁系统。

静止励磁机励磁系统分为电势源静止励磁机励磁系统和复合源静止励磁机励磁系统。

电势源静止励磁机励磁系统又称为自并励静止励磁系统，有时也简称为机端变励磁系统或静止励磁系统。

同步电机的励磁电源取自同步电机本身的机端。

它主要由励磁变压器、自动励磁调节器、可控整流装置和起励装置组成（图2-4）。

励磁变压器从机端取得功率并将电压降低到所要求的数值上；可控整流装置将励磁变压器二次交流电压转变成直流电压；自动励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求；起励装置给同步电机一定数量（通常为同步电机空载额定励磁电流的10～30%）的初始励磁，以建立整个系统正常工作所需的最低机端电压，初始励磁一旦建立起来，起励装置就将自动退出工作。

从厂用电系统取得励磁电源的可控整流器励磁系统，当其电压基本稳定，与发电机端电压水平基本无关时，可以看作为它励可控硅励磁系统；当厂用电系统电压与发电机端电压水平密切相关时，看作为自并励静止励磁系统。

自并励静止励磁系统的主要优点是：无旋转部件，结构简单，轴系短，稳定性好；励磁变压器的二次电压和容量可以根据电力系统稳定的要求而单独设计。

响应速度快，调节性能好，有利于提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性。

自并励静止励磁系统的主要缺点是，它的电压调节通道容易产生负阻尼作用，导致电力系统低频振荡的发生，降低了电力系统的动态稳定性。

但是，通过引入附加励磁控制（即采用电力系统稳定器--PSS）, 完全可以克服这一缺点。

电力系统稳定器的正阻尼作用完全可以超过电压调节通道的负阻尼作用，从而提高电力系统的动态稳定性。

这点，已经为国内外电力系统的实践所证明。

美国GE公司生产的称为GENERREX-PSS的励磁系统在我国也有应用。

其接线图如图8所示。

这是一个性能上介于自并励静止励磁系统和它励可控硅励磁系统之间的励磁系统。

发电机的励磁功率由定子绕组槽内的三根附加线棒（称为P线棒）提供的。

三根P线棒分别放置在定子上相互为120°空间几何角度的三个槽内，组成的线圈切割气隙磁通，产生基频电势。

基频电势被接到励磁变压器的一次侧。

励磁变压器的二次电压接到可控整流装置，整流后向发电机提高励磁。

复合源静止励磁机励磁系统又称为自复励静止励磁系统，它采用电压源整流变压器和电流源整流变压器两种整流变压器。

复合源静止励磁机励磁系统主要有三种形式整流器直流侧两个电源串联、电压相加；整流器交流侧两个电源并联、电流相加；整流器交流侧两个电源串联、电压相加。

国产水轮发电机上曾采用过整流器交流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止励磁机励磁系统，进口水轮发电机上曾采用过整流器直流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止励磁机励磁系统。

现在已经基本上不再采用复合源静止励磁机励磁系统了。

图2─4 自并励励磁系统原理图按同步电机励磁电压响应速度的不同，同步电机励磁系统可以分为常规励磁系统、快速励磁系统和高起始励磁系统。

常规励磁系统是指励磁机时间常数在0.5s左右及大于0.5s的励磁系统。

直流励磁机励磁系统，无特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统都属于常规励磁系统。

快速励磁系统是指励磁机时间常数小于0.05s的励磁系统。

交流励磁机可控整流器励磁系统，静止励磁机励磁系统都属于快速励磁系统。

高起始励磁系统是指发电机机端电压从100%下降到80%时，励磁系统达到顶值电压与额定负载时同步电机磁场电压之差的95%所需时间等于或小于0.1s的励磁系统。

这种励磁系统主要是指采用了特殊措施的交流励磁机不可控整流器励磁系统。