第3次课-同步发电机励磁系统

电力系统自动控制技术第3次——同步发电机励磁系统2026/8/302上次课内容准同期并列的基本原理基于脉动电压的同期条件检测：脉动电压包络线幅值最小值为电压幅值差、脉动电压包络线幅值变化周期为滑差周期自动准同期并列装置基本构成：电压差控制单元、频率差控制单元、合闸信号控制单元、电源图恒定越前时间控制：考虑到断路器和自动同期装置动作时间，在机端电压与电网电压相量重合之前提前上述动作时间发出合闸信号2026/8/303上次课内容恒定越前时间并列装置线性整步电压：幅值与相角差之间成分段线性关系的三角波电压，其周期为滑差周期，任一时刻值对应断路器两端电压相角差；经整形电路、相敏电路、滤波回路形成恒定越前时间并列装置实现：线性整步电压经比例-微分电路和电平比较电路实实现恒定越前时间脉冲发出2026/8/304本次课内容同步发电机励磁调节系统的含义与任务含义任务组成和要求同步发电机励磁调节系统分类及特点直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统静置励磁系统同步发电机励磁系统性能指标大小：强励倍数、顶值电压快慢：电压响应比2026/8/3050发电机原理回顾自动转速调节系统自动励磁调节系统2026/8/3061.1同步发电机励磁系统——含义建立、调整、熄灭励磁绕组电流（直流）根据励磁需要构建的闭环反馈控制系统励磁系统同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关设备和电路。一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成2026/8/3071.2同步发电机励磁系统——任务电压控制改变发电机外特性控制无功功率的分配并联运行发电机间无功功率合理分配提高同步发电机并联运行的稳定性提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性改善电力系统的运行条件改善异步电机自启动条件、为同步发电机异步运行创造条件、提高继电保护动作正确性根据需要，实现强行减磁、灭磁水轮机超速条件下快速减磁，保护绝缘2026/8/3081.2同步发电机励磁系统任务——1电压控制调节励磁电流以维持机端或系统中点的电压在给定水平IEF·UEF·式中，——发电机直轴电抗。空载电势和机端电压的关系：等值2026/8/309发电机感应电动势与端电压的幅值关系为式中—与间的相角，即发电机的功率角；

—发电机的无功电流。Ip··xdjIG1.2同步发电机励磁系统任务——1电压控制2026/8/3010一般很小，可近似认为，可得简化的运算式为同步发电机的外特性1.2同步发电机励磁系统任务——1电压控制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不断调节励磁电流维持机端电压为给定水平使外特性“变硬”2026/8/30111.2同步发电机励磁系统任务——2无功功率分配并联运行同步发电机间按照容量比例承担无功功率及其增量分两种情况分析：理想情况（并联与无穷大母线）实际情况（多机并联运行）如果发电机的有功功率恒定，即又UG恒定，则有2026/8/30121.2同步发电机励磁系统任务——2无功功率分配实际情况（多机并联运行）2026/8/3012负荷并联发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性发电机通常具有下倾的外特性，以实现系统稳定运行希望发电机间无功电流应按机组容量的大小进行比例分配并联机组的“UG—IQ*”特性完全一致（IQ*为机组无功电流标幺值）自动调压器能任意调整发电机电压-无功外特性曲线斜率（调差率）2026/8/30131.2同步发电机励磁系统任务——3提高系统稳定性2026/8/3013通常将电力系统的稳定性问题分类：静态稳定、暂态稳定、动态稳定静态稳定：是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。暂态稳定：是指电力系统在某一正常运行方式下遭受大扰动（如短路、断线、发电机失磁等）后，能否恢复到原来运行状态、或者过渡到一个新的稳定运行状态的能力。动态稳定：电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作用的长过程的稳定问题。

2026/8/30141.2同步发电机励磁系统任务——3提高系统稳定性2026/8/3014（1）静态稳定提升：发电机的输出功率励磁系统可以近似保持发电机机端电压稳定，将发电机的内功角特性改变为为外功角特性，使发电机运行于功角大于90°的人工稳定区，进而提升静态稳定极限或稳定储备系数2026/8/3015,即（a点），系统静态稳定,即（b点），系统静态不稳定,即（中点），系统临界稳定静态稳定极限（最大传输功率）：1.2同步发电机励磁系统任务——3提高系统稳定性2026/8/3016调节励磁，发电机外特性相当于在多条内特性曲线上移动综合而来提高了极限功率，极限稳定功角也超过了90°，故提高了静态稳定性

1.2同步发电机励磁系统任务——3提高系统稳定性2026/8/30171.2同步发电机励磁系统任务——3提高系统稳定性（2）暂态稳定提升：故障期间和故障切除后，励磁系统通过强励提升发电机内电势而增加电功率输出，减小加速面积而同时增加减速面积，进而减小不平衡功率而提高暂态稳定性图2-12短路切除后电压的恢复1-无励磁自动控制；2-有励磁自动控制2026/8/3018电网故障时，电网电压降低，电动机制动故障切除后，电动机起动，吸收大量无功功率，延缓电网电压恢复发电机强行励磁可输出更多无功功率，加速电网电压的恢复1.2同步发电机励磁系统任务——4改善系统运行条件（1）改善异步电机自启动条件2026/8/3019同步发电机失磁时，从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度下降，危及系统的安全运行如果系统中其它发电机组能提供足够的无功功率维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行可以确保系统安全运行而且有利于机组热力设备的运行1.2同步发电机励磁系统任务——4改善系统运行条件（2）为同步发电机异步运行创造条件条件2026/8/3020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以增大（维持）短路电流，使继电保护正确工作1.2同步发电机励磁系统任务——4改善系统运行条件（3）提高继电保护装置工作的正确性2026/8/3021水轮发电机组突然跳闸（故障或机组连切）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在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁1.2同步发电机励磁系统任务——5强行减磁2026/8/30221.3励磁系统——组成励磁系统是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成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。励磁功率单元受励磁调节器控制，是一次、主回路（功率回路）部分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，以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。是二次、控制部分2026/8/30231.3励磁系统——要求励磁功率单元要求：可调容量、强励能力和快速性具有足够的调节容量，适应电力系统各种运行工况要求足够的励磁顶值电压和电压上升速度顶值电压（UEFq）：励磁功率单元能够输出的最高输出电压强励倍数：顶值电压和额定励磁电压之比，通常1.6～2。2026/8/30241.3励磁系统——要求励磁调节器要求：快速响应，自然硬特性，特性可调，无失灵区，有强励等特殊支撑功能时间常数小，能迅速响应输入信息（机端电压）的变化；系统正常运行时，励磁调节器应能维持发电机电压在给定的水平。励磁控制系统的自然调差率一般在1％以内；励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在土10％以内进行调整；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；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。2026/8/30252励磁系统分类励磁系统本质是励磁调节器控制一个可控直流源给发电机励磁绕组供电，根据需要调整发电机励磁电流。根据励磁功率单元的能量来源（励磁电源）的差异，对励磁系统进行分类.发展历程：直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统无刷励磁系统静止励磁系统直流励磁机交流励磁机静止励磁他励自励自励他励自并励自复励2026/8/30262.1励磁系统分类①直流励磁机励磁系统励磁电源为为与发电机同轴的直流发电机早期常用的一种励磁方式按励磁机励磁绕组供电方式的不同，又分为自励式和他励式启励方式：靠剩磁建立电压缺点：靠机械整流子（换向器）换向整流，大容量下换向困难有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，可靠性低，是励磁系统中的薄弱环节只用在10万kW（100MW）以下中小容量机组2026/8/30272.1励磁系统分类①直流励磁机励磁系统自励直流励磁机系统FLQIRCLLQILQIZTLRcYHG

励磁调节器=L2026/8/30282.1励磁系统分类①直流励磁机励磁系统IZTLFLYHGLILQ==

励磁调节器IRC图2—16他励直流励磁系统原理接线图2026/8/30292.2励磁系统分类②交流励磁机励磁系统励磁电源为为与发电机同轴的交流发电机根据励磁机励磁方式及整流调节方式差异又可以继续细分他励交流励磁机励磁系统、无刷励磁系统启励方式：专门启励电源或采用永磁发电机（无刷）励磁机的容量相对较小，为同步发电机容量的0.3％～0.5％用于300MW、600MW、1000MW及更大容量机组特点我国广泛采用，运行经验最丰富的一种取消换向器，提高可靠性，减小维护工作量主励磁机频率通常在100Hz，副励磁机一般为500Hz2026/8/30302.2励磁系统分类②交流励磁机励磁系统——（1）自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统自励交流励磁机静止可控整流器励磁接线2026/8/30312.2励磁系统分类②交流励磁机励磁系统——（2）他励交流励磁机（静置整流器）励磁系统2026/8/30322.2励磁系统分类②交流励磁机励磁系统——（3）永磁式副励磁机交流励磁机励磁系统永磁式副励磁机系统图2026/8/30332.2励磁系统分类②交流励磁机励磁系统——（4）无刷励磁系统图2-17无刷励磁系统原理接线图2026/8/30342.2励磁系统分类②交流励磁机励磁系统——无刷励磁系统特点优点：无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少发电机励磁由励磁机独立供电，且无滑环、电刷，励磁系统可靠性高无炭粉和铜末污染，电机绝缘寿命较长缺点：响应速度较慢，需要采取特殊措施加快响应：转子采用叠片结构、减小绕组电感取消极面阻尼绕组、增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈；发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，需采取特殊方法实现检测、灭磁旋转整流器、快速熔断器等要求高，要有良好的机械性能2026/8/30352.3励磁系统分类③自并励励磁励磁系统自并励励磁方式接线原理图励磁电源为为机端励磁变压器经整流装置供给启励方式：专门启励电源无转动部分，故称静止励磁系统励磁电源由发电机提供，励磁变并于机端，故称发电机自并励系统2026/8/30362.3励磁系统分类③自并励励磁励磁系统优点：发电机主轴长度缩短、造价降低、占地减少无机械转动或接触类元件，使用元件数目减少，可靠性增加励磁电压相应速度快甩负荷时，发电机过速导致的过电压低缺点：强励效果变差短路电流衰减、影响带时限的继电保护动作正确性解决：转子电流衰减慢采用封闭母线，机端故障可能性极小2026/8/30373励磁系统指标根据不同工作阶段的要求，励磁系统应该按设计建立、调整、减弱，甚至熄灭发电机转子磁场，完成起励、强励、灭磁等各阶段功能事故情况下，电网电压极度降低、无功缺额很大，要求发电机转子磁场能够迅速增加，以弥补系统无功功率缺额，该过程称为强励某些情况（如切机）下，为防止因过励磁而产生过电压，要求转子磁场内存储的大量能量迅速消释，