电力系统自动化-第5讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(3)
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
电力系统自动化第5讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(3)
（2）最大励磁限制器
只要励磁电流超过过热限制值，励磁调节器就会启动一个过 热电力积分器：
W K R i 2 dt K R I f I r dt
2
Wmax K R I r2Te
W Wmax 励磁电流限制值为 I f . max
调节器按恒励磁电流 I f . max 运行
U REF
U G
测量比较K1
U de
综合放大K2
U SM
移相触发K3
U 励磁调节器的总放大倍数 可控整流K4 是各单元放大倍数的乘积 page8 2017/2/16 North China Electric Power University
AVR
2 发电机励磁自动控制系统的静态工作特性
IQ
U G1
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North China Electric Power University
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Hale Waihona Puke 并联发电机组的无功功率分配
2、两台无差调节特性机组并联运行
UG
无差调节特性1
无差调节特性2
IQ
两条曲线分离则无交点，实际运行又很难做到曲线重合， 因此，两台无差调节特性机组是不能并联运行
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电源
测 量 元 件
调 差 元 件
励磁调节器
自动励磁控制系统
手控 励磁机
发电机
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发电机调节特性的平移
通过调节特性的平移 可以实现机组退出时 无功功率的不突变
UG
UG
U M1
同步发电机励磁控制系统的分析与校正
同步发电机励磁控制系统的分析与校正同步发电机励磁控制系统是保证发电机稳定运行的关键部分，它通过控制和调节发电机的励磁电流，实现对发电机输出电压的调节和稳定。
在实际运行中，励磁控制系统可能会出现一些问题，例如：输出电压波动、发电机励磁电流过大或过小等。
本文将对同步发电机励磁控制系统进行分析与校正。
首先，需要对同步发电机励磁控制系统的结构和原理进行分析。
同步发电机励磁控制系统通常由励磁电源、励磁调节器和励磁增益调节器组成。
励磁电源负责提供励磁电流，励磁调节器根据发电机输出电压的变化来调节励磁电流，励磁增益调节器负责调节励磁调节器的增益。
然后，通过对同步发电机励磁控制系统的实际运行情况进行分析，确定需要进行校正的问题。
例如，如果发电机输出电压波动较大，可能是励磁调节器的增益设置不合适，或者励磁电源的稳定性有问题。
如果发电机励磁电流过大或过小，可能是励磁增益调节器的增益设置不合适，或者励磁电源的输出电流能力不足。
接下来，针对分析得到的问题进行校正。
首先，针对发电机输出电压波动较大的情况，可以通过调节励磁调节器的增益来实现校正。
增大增益可以提高励磁调节器对发电机输出电压变化的响应速度，减小增益可以提高励磁调节器的稳定性。
其次，对于发电机励磁电流过大或过小的情况，可以通过调节励磁增益调节器的增益来实现校正。
增大增益可以提高励磁增益调节器对发电机励磁电流变化的响应速度，减小增益可以提高励磁增益调节器的稳定性。
同时，还需要检查励磁电源的输出电流能力是否符合要求，如果不足，需要进行相应的改进和升级。
最后，对校正后的同步发电机励磁控制系统进行测试和验证。
可以通过实际运行的数据和曲线来评估系统的稳定性和性能。
如果发现仍然存在问题，需要进一步分析和校正。
综上所述，同步发电机励磁控制系统的分析与校正是一项重要的工作，通过对系统结构和原理的分析，确定需要进行校正的问题，采取相应的措施进行校正，并进行测试和验证，可以提高同步发电机励磁控制系统的稳定性和性能，保证发电机的正常运行。
《同步电机励磁控制》课件
功率整流器
将交流电源转换为直流电源，为同步 电机提供励磁电流。
同步电机励磁控制的软件实现
控制算法
根据电机运行状态和输入信号，通过控制算法计算出励磁电流的 调节量，实现对同步电机励磁电流的精确控制。
数字信号处理器（DSP）
利用高速运算能力，实现对控制算法的实时处理和输出控制信号。
人机界面
提供操作界面，方便用户对同步电机励磁控制系统的参数进行设置 和监控。
反馈元件检测同步电机转子励 磁电流和电压，并将其反馈到 励磁调节器，以实现闭环控制 。
同步电机励磁控制系统的分类
按控制方式分类
可以分为模拟式和数字式两种类型。模拟式励磁控制系统采用模拟电路实现控 制，而数字式励磁控制系统采用数字信号处理器（DSP）或可编程控制器（ PLC）实现控制。
按调节器主电路形式分类
在风力发电系统中的应用
提高风能利用率
励磁控制能够调节风力发电机的 无功功率输出，从而提高风能的
利用率。
减小谐波影响
励磁控制能够减小风力发电机产生 的谐波电流，提高电能质量。
增强并网能力
通过励磁控制，可以增强风力发电 机的并网能力，提高风电场的运行 稳定性。
在船舶推进系统中的应用
提高推进效率
励磁控制能够调节船舶推进电机 的功率输出，从而提高推进效率
模糊控制
将模糊逻辑应用于励磁控制，处理不确定性和非线性问题。
智能传感器与执行器的应用
智能传感器
采用高精度、高可靠性的传感器 ，实时监测励磁电流和电压，提 高控制精度。
智能执行器
采用电力电子技术和微处理器， 实现快速、准确的励磁电流调节 。
网络化与分布式励磁控制
网络化控制
通过工业以太网或现场总线技术，实 现多台电机之间的信息共享和协同控 制。
同步电机励磁控制
1-5同步电机现代励磁调节器
调节规律及增益使用范围 调节器是按偏差量的比例、积分、微分调节
（PID）或比例、积分调节器（PI） 增益就是比例放大倍数
1-4各种半导体励磁系统的组成和特点 一.他励励磁系统
交流励磁机带静止硅整流器励磁方式 特点：有滑环,励磁电源不受电网影响,励磁容量 大,励磁响应速度慢。
交流励磁机带静止可控硅整流器励磁方式 特点：有滑环,励磁电源不受电网影响,励磁容量 大,励磁响应速度快。
无刷励磁方式 特点：无滑环,励磁电源不受电网影响,励磁容量 大,可靠性高，环境适应性强。
现代励磁调节器（ZLT）的特点 功能完善、采用新器件、利用计算机的数字控 制、高可靠性
调节器的组成
提高继电保护装置的可靠性 合理分配并联运行同步发电机的无功输出 加速故障后电压的恢复 改变系统运行方式，提高系统运行的经济性
PEq0UCsin
X
XXdXT
直流侧并联 直流侧串联
交流侧并联 交流侧串联
1-3半导体励磁系统分类
一、他励Байду номын сангаас导体励磁系统
交流励磁机（转场式）加静止硅整流器 交流励磁机（转场式）加静止可控硅整
流器 交流励磁机（转枢式）加旋转硅整流器 交流励磁机（转枢式）加旋转可控硅整
流器
1-3半导体励磁系统分类
二、自励励磁系统
自并励励磁系统 自复励励磁系统
1.直流侧并联自复励励磁系统 2.直流侧串联自复励励磁系统 3.交流侧并联自复励励磁系统 4.交流侧并联自复励励磁系统
同步发电机励磁自动控制系统
同步发电机励磁自动控制系统在现代电力系统中，同步发电机励磁自动控制系统扮演着至关重要的角色。
它如同电力生产的“智慧大脑”，时刻精准调控着发电机的运行状态，确保电力的稳定供应和优质输出。
要理解同步发电机励磁自动控制系统，首先得明白励磁是什么。
简单来说，励磁就是给同步发电机的转子提供直流电流，从而在转子周围产生磁场。
这个磁场与定子绕组相互作用，就能产生电能。
而励磁自动控制系统呢，就是能够根据电力系统的运行状况和需求，自动调整这个励磁电流的大小和方向，从而实现对发电机输出电压、无功功率等重要参数的控制。
那么，为什么需要这样一个自动控制系统呢？这是因为电力系统的运行状态是时刻变化的。
比如，当系统中的负载突然增加时，如果不及时调整励磁电流，发电机的输出电压就会下降，可能导致电力质量下降，甚至影响到用电设备的正常运行。
反之，当负载突然减少时，若不加以控制，输出电压又会升高，可能损坏设备。
同步发电机励磁自动控制系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两大部分组成。
励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁电流，它就像是“动力源”，要保证有足够的能量和稳定的输出。
而励磁调节器则是整个系统的“指挥中心”，通过采集发电机的各种运行参数，如端电压、定子电流、无功功率等，然后按照预定的控制规律进行计算和分析，最终输出控制信号来调节励磁功率单元的输出。
在实际运行中，励磁自动控制系统有着多种控制方式。
其中，恒机端电压控制是最为常见的一种。
它的目标是保持发电机端电压恒定，无论系统中的负载如何变化。
通过不断监测端电压，并与设定的电压值进行比较，然后调整励磁电流，从而使端电压始终稳定在设定值附近。
这种控制方式能够有效地保证电力质量，满足用户对电压稳定性的要求。
另一种常见的控制方式是恒无功功率控制。
在某些情况下，电力系统需要发电机输出特定的无功功率，以维持系统的电压水平和功率因数。
此时，励磁自动控制系统就会根据无功功率的设定值来调整励磁电流，确保发电机输出的无功功率符合要求。
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K U AVR U REF U G
U de U REF U G
U SM U de
U SM
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K1K2K3K4
U REF
U G 测量比较K1
U de 综合放大K2 U SM 移相触发K3
励磁调节器的总放大倍数 是各单元放大倍数的乘积
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可控整流K4
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2 发电机励磁自动控制系统的静态工作特性
IQ
U G2 U GN
U G1
发电机的调节特性就是发电机转子
U G3
电流 I EF
的关系
与无功负荷电流
IQ
之间
U G1 U G2 U G3
I EF
I EF
G
U G
IG
这种调节器可以稳定运行！
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测量比较
基准 +
电压
-
自动励磁调节器的构成环节
综合放大
励磁功率
+
-
前置
放大
功率 IEE 励磁 IEF 发电
放大
机
机
电源
电源 电源
手
测
调
动
量
差
控
元
元
制
件
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励磁调节器
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手控励磁机
制
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励磁调节器 自动励磁控制系统
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手控励磁机
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发电机调节特性的平移
通过调节特性的平移 U G
可以实现机组退出时 无功功率的不突变
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自动励磁控制系统
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1 励磁调节器的静态工作特性
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U G 测量比较K1
U de 综合放大K2 U SM 移相触发K3
U de K1 U REF U G
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可控整流K4
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U SM K 2U de
UM
IQ
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3 并联发电机组的无功功率分配
多台发电机并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影 响本机组的无功电流，而且影响同一母线上并联机组的无功电流， 母线电压也发生变化，这些变化与机组的调差特性有关。
1、一台无差调节特性机组与有差调节特性机组并联运行
UG
一台无差调节特性的发 电机可以和多台正调差特 性的发电机并联运行
励磁机
励磁机定子电流 I EF与励
I EE
磁机的励磁电流 I EE 之
间是线性关系
b I EF
a
U G
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发电机无功调节特性
b
a
U a
G
b
I EE (I EF )
a
发电机
转子电
流直接
用励磁
机的励
b
磁电流
来表示
U G1
UG2
两条曲线分离则无交点，实际运行又很难做到曲线重合， 因此，两台无差调节特性机组是不能并联运行
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并联发电机组的无功功率分配
3、多台正调差特性机组并联运行
1、母线电压波动时，发
电机的无功电流增量与
UG
电压偏差成正比，与调
差系数成反比，与电压 整定值无关。
输出用于控制励磁功率单元 常用的励磁调节器
是比例式调节器
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主要输入量是发电机端电压
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比例式励磁调节器闭环控制
在电力系统中运行的各种比例式励磁调节器都具有 负斜率调节特性
I EF
励磁机
I EE
G
U G
IG
b I EF
a
U G
U M1
发电机带有自动励磁调节器 后，无功电流变化时，发电 机机端电压基本维持不变
调差系数表征了励磁控制系统 维持发电机电压的能力
当调差单元退出运行时，其 固有的无功调节特性也是下 倾的，称为自然调差系数
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发电机调节特性
励磁调节器的调整是为了满足运行要求：
U AVR
U AVR
U SM
U de
U de
U SM
UG U REF U G
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励磁调节器的放大系数
K U AVR U REF UG
励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度 是调节器的主要指标之一
U AVR
U REF
UG
负调差 特性
无差调 节特性
具有负调差特性的发电 机是不能在公共母线上并 联运行的
不稳定运 行点
正调差 特性
稳定运行点 IQ
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并联发电机组的无功功率分配
2、两台无差调节特性机组并联运行 UG 无差调节特性1
无差调节特性2
IQ
IQ
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IQ
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发电机调差系数
调节特性下倾的程度表征了发电 机励磁控制系统运行特性的一个重
U a
G
b
要参数——调差系数
UG1 UG2 U GN
UG1*
U G2*
UG*
IQ
调差系数表征了无功电流从零 增加到额定值时发电机电压的相 对变化
第五讲 同步发电机励磁控制系统 及特性分析（3）
University of South China
主讲人：盛义发 南华大学
电气工程学院
第五节 励磁控制系统的调节特性
励磁调节器的最基本功能是调节发电机的端电压
I EF
同步发电机
U G IG
励磁功率 单元
自动 励磁调节器
其他
手动
信号 基准 U REF
1、发电机投入和退出运行时，能够平稳地改变无功负荷，不致
于发生无功功率的冲击。
2、保证并联运行的发电机组间的无功功率的合理分配。
在励磁调节器中
设置了电压整定 和调差单元
测量比较
基准 +
电压
+
--ຫໍສະໝຸດ 测调量差
元
元
件
件
综合放大
前置
放大
励磁功率
功率 IEE 励磁 IEF 发电
放大
机
机
电源
电源
电源
手 动 控
U AVR K 3 K 4U SM
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励磁调节器的静态工作特性的合成
U AVR
U AVR
U SM
U de
U de
U SM
UG U REF U G
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励磁调节器的静态工作特性的调整