武汉大学程楚远教授发电机励磁系统讲座课件

发电机励磁系统讲座程远楚教授一.励磁系统构成同步发电机的励磁系统励磁系统一般由两部分构成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流，以建立直流磁场；第二部分是励磁控制部分，这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和灭磁等，它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的要求。整个自动控制励磁系统是由励磁调节器，励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。二.发电机励磁控制系统的任务

1．电压控制

在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机端电压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。相关指标：调压精度：是指在自动励磁调节器投入运行，调差单元退出，电压给定值不进行人工调整的情况下，发电机负载从零变化到视在功率额定值以及环境温度、频率、电源电压波动等在规定的范围内变化时，所引起的发电机端电压的最大变化，常用发电机额定电压的百分数表示。发电机调压静差率：调压静压率定义为自动励磁调节器的调差单元退出，电压给定值不变，负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压变化率，它可由下式计算：

二.发电机励磁控制系统的任务3．提高同步发电机并列运行的稳定性

暂态稳定是指电力系统在受到大扰动，例如高压输电网络中发生短路，或一台主要发电机被切除，此时系统将发生较强烈的振荡，一些同步发电机也可能失步。这种情况下的稳定问题，即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状况下稳定工作，称为暂态稳定问题。扰动的另一种形式是负荷随机地发生小的变化，即所谓小干扰。同步发电机在小干扰下的稳定问题,称为静态稳定问题。

动态稳定则是指电力系统受干扰后（包括小干扰和大干扰），在考虑了各种自动控制装置的作用情况下，长时间的稳定性问题。（阻尼问题）励磁调节可有效地提高电力系统的静态稳定性，并在一定程度上改善暂态稳定性（提高强励顶值倍数），但可能引入负阻尼，引发低频振荡。二.发电机励磁控制系统的任务4．提高继电保护动作的灵敏度当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁对发电机进行强励，不仅有利于提高电力系统稳定性外，还因加大了电力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度得到提高。

二.发电机励磁控制系统的任务5．快速灭磁当发电机或升压变压器（采用单元式接线）内部故障时，为了降低故障所造成的损害，要求这时发电机能快速灭磁。此外，当机组甩负荷时，发电机机端电压会异常升高，对于水轮发电机尤其如此，当水轮发电机发生甩负荷时，由于机组惯性时间常数较大，发电机会产生较严重的过速，对采用同轴励磁机的发电机来说，它的端电压正比于转速的三次甚至四次方。因此，甩负荷可能造成发电机严重过压。为防止发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度，也要求励磁系统有快速灭磁能力。

三．对励磁系统的基本要求

1．对励磁功率单元的要求

（1）．要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量，并留有一定的裕量，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。

三．对励磁系统的基本要求2．对励磁调节器的要求

（1）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，并有足够的电压调节范围。

（2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整：半导体型的为±10％；电磁型的为±5％。并能随系统的要求而改变。（3）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。（4）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。（5）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。（6）励磁调节器应具有高度的可靠性，并且运行稳定。这在电路设计、元件选择和装配工艺等方面应采取相应的措施。（7）励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。（8）励磁调节器的时间常数应尽可能小，响应速度快。（9）励磁调节器应结构简单、检修方便，并应尽量做到系列化、标准化、通用化。

四.励磁系统的典型型式1.直流励磁机励磁系统1960年以前，同步发电机励磁系统的励磁功率单元，一般均采用同轴的直流发电机，称为直流励磁机．励磁控制单元则多采用机电型或电磁调节器．随着电力系统的发展与同步发电机单机容量的增大，这种励磁系统已不能适应现代电力系统和大容量机组的需要，直流励磁机的励磁功率和响应速度及励磁电压顶值不能满足要求。

四.励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统它励交流励磁机励磁系统四.励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统自励交流励磁机励磁系统（1）四.励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统自励交流励磁机励磁系统（2）四.励磁系统的典型型式2.交流励磁机励磁系统无刷励磁系统四.励磁系统的典型型式3.静止励磁系统静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机式励磁方式相比，在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变压器（或串联变压器），二者结合起来，则构成所谓自复励方式。结合的方案有下列四种：（1）．直流侧并联自复励方式；（2）．直流侧串联自复励方式；（3）．交流侧并联自复励方式；

（4）．交流侧串联自复励方式；

四.励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（1）自并励方式

四.励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（3）交流侧叠加的自复激方式（1）四.励磁系统的典型型式3.静止励磁系统（3）交流侧叠加的自复激方式（2）

五.三相全控整流桥整流特性在励磁系统中，整流电路的主要任务是将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要。对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路，除了将交流变换成直流的正常任务外，事故时还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈给交流电源，进行将直流变换为交流的逆变灭磁。这是三相整流电路有源逆变的一种运行方式，也称可逆整流。

根据电路中所用整流元件的不同，分为可控与不可控整流电路。根据接线方式的不同，分为半波整流，全波整流等。五.三相全控整流桥整流特性五.三相全控整流桥整流特性五.三相全控整流桥整流特性五.三相全控整流桥整流特性2.输出平均电压计算电阻负载电感负载五.三相全控整流桥整流特性特性当＝0度时，输出电压的最大值为交流侧线电压的1.35倍；当＝90度时，输出电压为0；即正常励磁时（整流状态），触发控制角的移相范围为0－90度。当＞90度时，整流桥输出电压为负（逆变状态），此时，励磁功率的传递方向发生改变；当＝180度时，输出电压为－1.35U2。利用三相桥式全控整流电路的逆变特性，可以将储存在转子回路的磁场能量消灭掉，这就是所谓的逆变灭磁。在实际中为保证可靠导通和防止逆变颠复，允许范围为10－150度。

六.微机励磁调节器励磁调节方式从手动发展到了自动；调节功能从单一电压调节发展到多功能的励磁控制。以往，调节器只反应发电机电压偏差，进行电压校正，故称为电压调压器（简称调压器）。现在的调节器可综合反应包括电压偏差信号在内的多种控制信号，进行励磁调节，故称为励磁调节器。显然，励磁调节器包括了电压调节器的功能。调节反馈参量从单一的电压偏差发展到以电压偏差为主，附加了电功率、角速度、发电机电流、励磁电流或励磁电压的偏差或它们的恰当组合；调节规律从简单的比例反馈调节发展到比例－积分－微分（PID）调节，电力系统稳定器（PSS）附加控制，用线性最优控制原理设计的多参量反馈调节；从线性励磁调节发展到自校正励磁调节。自适应励磁控制。模糊励磁控制等非线性励磁调节；在实现手段上，从机电式或电磁式发展到晶体管式或集成电路式，直至今天的微机数字式励磁调节器。六.微机励磁调节器1.基本硬件构成六.微机励磁调节器2.微机励磁调节器主要采集参量及作用发电机机端电压UG：用于机端电压恒定调节（自动电压调节方式）。通常为了避免测量PT（电压互感器）断线时引起误强励，励磁调节器需同时测取励磁专用PT（俗称励磁PT或调变）和测量仪表用PT（俗称仪表PT或仪变）两路电压信号，作为PT断线判别之用。电网电压（系统电压）的作用是：在发电机起励建压时为发电机电压跟踪系统电压提供跟踪目标值，以简化操作和快速并网。发电机励磁电流IL用于励磁电流恒定调节（恒励磁电流调节方式）和过励磁限制等限制保护功能。励磁电压主要用于励磁系统稳定器（ESS）。发电机有功功率P是电力系统稳定器（PSS）及最优励磁控制器（EOC）的主要状态量之一。无功功率Q是无功功率稳定调节（恒无功运行方式）和实现无功电流补偿（调差）所必需的参量。此外，有功P和无功Q还一道在最小励磁限制中决定低励磁限制线，在功率因数恒定运行方式中（恒功率因数运行方式）决定功率因数。

发电机频率同发电机有功功率P一样，也是PSS及EOC的重要状态量之一。此外，频率f和机端电压Uf一起构成V/HZ（伏/赫）限制，并在机组起励控制、灭磁控制及频率敏感量的频率补偿或频率校正中起着重要作用。

六.微机励磁调节器3.控制算法一般采用PID算法，其连续表达式：

其离散表达式:六.微机励磁调节器4.调节方式为满足发电机不同运行的需要，微机励磁调节器中一般设有多种运行方式。在励磁调节器中，一般有电压调节、电流调节、无功调节和功率因素调节、系统电压跟踪等模式，每种调节方式的调整目标是不同的。调节方式的选择可以远方通过控制信号输入选择，也可以在调节器的控制面板上选择。

六.微机励磁调节器（1）自动电压调节方式

自动电压调节（AVR）是微机励磁调节器的基本功能和主运行方式，故又称自动方式。在电压调节方式下，以发电机机端电压为闭环，励磁调节器自动维持机端电压为给定值。当调节器处于电压调节方式时，其输入为电压调节的综合偏差：

当调节器处于正常运行状态，各种保护限制器均不动作，并带有无功调差补偿

：由于积分的作用，稳态时，六.微机励磁调节器当发电机空载运行时，无功功率Q=0，此时，有：机端反馈电压毫无偏差地跟踪给定值Uref，从而保证了有很高的调压精度。

六.微机励磁调节器发电机单机带负荷运行

如果发电机负荷减小，由于电枢反应作用减小，机端电压UG会升高，经过自动励磁调节器检测运算后，控制电压Uc减小，经移相触发单元令输出的触发脉冲后移，即控制角α增大，α的增大使整流输出电压Uf减小，励磁电流If减小，发电机电压相应降低，回到原来的水平。

六.微机励磁调节器当发电机与无穷大系统直接并列时，发电机端电压不变，调节UREF即是调整发电机无功。六.微机励磁调节器当发电机与实际系统并列时，发电机的无功功率参与调节。此时，因发电机与系统相连，机端电压UG的变化很小，Uref的改变将主要引起无功功率的变化。六.微机励磁调节器在自动电压调节方式下，当接收到“增加”或“减少”信号时，将调整AVR给定值。从而调整发电机电压。AVR给定值的增、减应具有斜坡限制功能和上下限幅功能。即给定的调整速度可设。如果AVR输出基准值到达上限幅或下限幅时，将对Uref进行钳位，保证发电机端电压不会过份升高或降低。AVR给定一般还有预置功能，当接收到开机起励信号后，自动地按一定的速度升到AVR预置给定值。预置给定值一般为1.0PU，对应于发电机额定电压。这样，励磁系统启动后，自动将发电机电压升到额定。在电压调节方式下，若发电机未与系统并列（空载），调整给定电压值将改变发电机的机端电压，当给定电压增加时，机端电压增加。若发电机与系统并列时，调整给定电压将主要导致发电机的无功变化，机端电压的幅值变化是很小的；当增加给定电压时，发电机输出的无功将增大。

六.微机励磁调节器（2）励磁电流调节方式

励磁电流调节功能（FCR）（俗称手动）为广泛采用的发电机自动电压调节（AVR）功能的后备方式。

在磁场电流调节方式下，当调节器接收到“增加”或“减少”信号时，将调整FCR给定值Ifref，从而可以调整发电机励磁电流，间接达到调整发电机电压和无功的目的。FCR给定值的增、减具有斜坡限制功能和上下限幅功能。即调整速度可设，如果FCR输出基准值到达上限幅或下限幅时，将对Ifref进行钳位，保证发电机励磁电流不会过份升高或降低。FCR给定有预置功能，当接收到开机起励信号后，自动地按斜坡时间升到FCR预置给定值。预置给定值一般为对应于发电机空载额定电压的励磁电流。这样，励磁系统启动后，自动将发电机电压升到额定附近。六.微机励磁调节器在励磁电流调节方式下，通过对发电机励磁电流与给定的励磁电流值进行比较。当发电机励磁电流高于给定的励磁电流时，装置将增大可控硅的触发控制角以降低励磁电压（励磁电流）；反之，当发电机的励磁电流低于给定励磁电流时，装置将减小可控硅的触发控制角以增加励磁电压（励磁电流），从而达到控制发电机励磁电流为给定水平的目的。若发电机未与系统并列（空载），调整励磁电流给定值将改变发电机的机端电压，当励磁电流增加时，机端电压增加。若发电机与系统并列时，调整给定励磁电流将主要导致发电机的无功变化，机端电压的幅值变化是很小的；当增加励磁电流给定时，发电机输出的无功将增大。在励磁电流调节方式下，为了防止当发电机出口断路器突然断开时出现过电压，在有些励磁调节器中还设有电流给定设置值自动返回空载的功能。当发电机出口断路器突然断开时，自动将励磁电流的设定值调整为与空载励磁电流相对应的设定值。六.微机励磁调节器（3）系统电压跟踪方式在一部分微机励磁调节器中，还设有系统(母线)电压跟踪功能。在电压调节方式下，若跟踪选择接点接通，进入系统电压跟踪调节方式

在系统电压跟踪方式下，励磁调节器自动将系统电压作为励磁调节器的电压给定值，从而达到快速跟踪系统电压的功能。若选择该功能，当开机建压后，发电机机端电压自动上升到与系统电压一致，从而可加快发电机快速与系统并列的速度。若选择系统电压跟踪功能，当发电机与系统解列时，会自动使电压给定值回到空载位置，避免励磁绕组过负荷及空甩负荷后的机端电压偏高问题。同时，为再次与系统并列创造了电压条件。

六.微机励磁调节器（4）无功调节方式在无功调节方式下，以发电机无功负荷为闭环。励磁调节器自动维持发电机无功功率为给定值。

在此方式下，通过对发电机无功功率与给定的无功功率进行比较。当发电机输出的无功功率高于给定的无功功率时，装置将减小电压给定值，从而增大可控硅的触发控制角以降低励磁电压（励磁电流）；反之，当发电机输出的无功功率低于给定的无功功率时，装置将增大电压给定值，从而减小可控硅的触发控制角以增加励磁电压（励磁电流），达到控制发电机输出的无功功率为给定水平的目的。

六.微机励磁调节器（5）功率因数调节方式在功率因数方式下，以发电机功率因数为闭环。励磁调节器自动维持发电机的功率因数为给定值。

在此方式下，通过对发电机的实际功率因数与给定的功率因数进行比较。当发电机的功率因数高于给定的功率因数时，装置将增大电压给定值，从而减小可控硅的触发控制角以增大励磁电压（励磁电流）；反之，当发电机的功率因数低于给定的功率因数时，装置将减小电压给定值，从而增大可控硅的触发控制角以减小励磁电压（励磁电流），达到控制发电机的实际功率因数为给定水平的目的。

六.微机励磁调节器5.限制保护功能

由于微型计算机的高速运算的逻辑判断能力，在微机励磁系统中，可实现完善的限制保护功能。一般来说，微机励磁调节器中，可通过软件实现如下功能：发电机端电压为偏差的电压调节方式（自动运行方式）

磁场电流为偏差的电流调节方式（手动运行方式）手动-自动方式的跟踪平衡与无扰动切换程序

无延时的最大磁场电流限制器，控制最大允许的短时顶值电流具有反时限的最大磁场电流限制器，限制最大允许的连续磁场电流无延时的最小磁场电流限制器，控制最小允许的磁场电流有功和无功负荷补偿具有反时限的发电机定子电流（滞相或进相）限制器无时限的负荷角限制器（低励磁限制器）电压/频率限制器功率因数调节器以有功功率为输入信号的电力系统稳定器（PSS）

七.并列运行机组间的无功分配自动调节励磁的目的主要是维持系统的电压水平和对无功功率的合理分配。根据发电机的运行特性，励磁电流对发电机的有功功率或系统频率的影响不大，主要是影响机组的无功功率及系统电压。几台机组在同一条母线上并列运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影响该机组的无功电流，而且还会影响同一母线上并联运行机组的无功电流，与此同时也引起母线电压的变化。这些变化与机组的无功调节特性紧密相关。

七.并列运行机组间的无功分配当机组并入系统运行之前，或单机运行时，通过调节励磁装置来调整励磁电流，实际上就是调整调差特性曲线使之上下移动。这时，发电机的负荷基本不变，而仅仅改变其机端电压。而在另一种极端情况下，即当发电机与无穷大系统并联运行时，母线电压不会改变。这时调整励磁电流，同样也会使调差特性曲线上下移动，但因电压改变不了，于是只能使被调机组的无功功率发生变化。在一般情况下，并联机组的运行情况是介于上述两者之间，即通常电压与无功功率均同时发生变动。

七.并列运行机组间的无功分配1.在母线上并联运行的发电机各机组承担的无功负荷增量与该机组的调差系数D成反比，如要求负荷增量按各机组容量分配，则调差系数应相等。通常为了使无功负荷分配稳定，调差系数不能取得太小，例如可取D＝5％左右。

七.并列运行机组间的无功分配2.发电机经升压变压器在高压母线上并列

当发电机空载时，UB=UG1=UG2。当发电机带上负荷电流IR时，因假定两台发电机的调差系数为零，机端电压UG不随负荷电流而变化，所以母线电压UB随负荷电流IR的增大而下降，UB=f(IR)为正调差特性。也就是说，虽然此时发电机电压特性是无差的，但电流在变压器阻抗上会有压降，从母线侧看，每一发电机-变压器组单元接线等值机具有正的调差特性，即在并列点仍然是有差的，这便允许并联运行。

七.并列运行机组间的无功分配发电机经升压变压器在高压母线上并联运行当发时，即使当发电机的调差系数为零，也能保证各并列运行发电机间无功负荷分配的稳定性。但当系统总的无功负荷变化时，高压侧母线电压随负荷变化较大。通常为了减小这种情况下母线电压过大的波动，即将高压侧母线电压维持在所希望的水平上，必须补偿负荷电流IR在变压器电抗XT上的电压降落，这就要求发电机具有适当的负的调差系数，以减小负荷变化引起的电压波动。发电机负调差系数的取值大小与变压器的漏抗压降有关，要使发电机-变压器组具有正的电压调差特性，以保证并列运行机组间无功功率分配的稳定性。有些电厂为了减小系统电压波动所引起的发电机无功的波动，在单元式接线的情况下，常常不投入调差单元，这对电力系统的调压，即保持系统的电压水平是不利的。八.试验运行中的不正常现象

1.

起励过压故障现象：在第一次起励试验时，发电机过压或不正常上升。原因分析：出现这种现象的主要原因是励磁电流的相序不对或是励磁调节器发出的触发脉冲与整流桥的可控硅不相对应。处理对策：1)检查励磁变压器至整流桥的接线；2)检查整流桥至励磁调节器同步信号的接线；3)检查励磁调节器输出脉冲至可控硅的接线。若手动(电流)方式时起励正常，而自动(电压)方式起励过压，则有可能是发电机电压互感器信号未引至励磁调节器的测量回路，或TV的保险或刀闸未给出。

八.试验运行中的不正常现象2.起励时升不起电压

原因分析：对自并励系统，起励时升不起电压的原因主要有：1)发电机剩磁过低；2)外加初励电源容量不够；3)起励回路不能正确动作；4)初励电源的极性与可控硅整流桥输出电压的极性相反；5)可控硅触发回路故障；6)可控硅损坏或快熔断。处理对策：对于第一个原因，应将初励回路投入，并检查起励回路的动作正确性。如是第二个原因，则应加大初励电源容量或减小初励回路中串联的限流电阻。若为后两个原因则应对损坏部分进行更换。

八.试验运行中的不正常现象3.自动调节时电压波动较大

在自动电压调节方式下，若电压波动太大或不稳定，一般为