第三章 同步发电机励磁自动控制系统 三峡大学 电气信息学院

总 述 励磁系统的任务与要求 励磁系统的类型 励磁系统的整流电路 并联机组间无功分配 励磁装置的原理

一、发电机励磁系统的任务 电压控制 无功分配 提高稳定 强行励磁 强行减磁

发电机励磁系统的任务 （一）电压控制 相量图 等值电路 . . G . . . . . . . . . . . Eq GEW IEF φ UG IG . j IG xd . UEF . δG IP . UG . j IQ xd . φ IQ . IG . IG . xd Eq . UG . 相量图 等值电路

发电机励磁系统的任务 电压控制 同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节 励磁电流来维持机端电压为给定水平的。

发电机励磁系统的任务 （二）控制无功功率的分配 设单机无穷大系统： . UG = 常数 G IG .

发电机励磁系统的任务 控制无功功率的分配 由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。

发电机励磁系统的任务 （三）提高并联运行的稳定性 1.励磁对静态稳定的影响 发电机的输出功率为

发电机励磁系统的任务 提高并联运行的稳定性 c a b 最大可能传输的功率极限为 同步发电机的功角特性

发电机励磁系统的任务 提高并联运行的稳定性 它使发电机能在大于90度范围的人工稳 定区运行，即可提高发电机输送功率极 限或提高系统的稳定储备。

发电机励磁系统的任务 提高并联运行的稳定性 2.励磁对暂态稳定的影响 发电机的暂态稳定等面积法则

发电机励磁系统的任务 （四）强行励磁以改善电力系统运行条件 1 2 3 改善异步电动机的自启动 为异步发电机运行创造条件 提高继电保护工作的准确性

发电机励磁系统的任务 （五）水轮发电机强行减磁 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。

二、对励磁系统的要求 高度的可靠性 快速性 维持电压水平和无功的合理分配 控制能力和调节范围 快速反应能力 结构简单，易于维护 足够的阻尼能力

自动调节励磁系统的基本构成

第二节、同步发电机励磁系统类型 励 磁 系 统 直流励磁机 交流励磁机 静止励磁

一．直流励磁机系统 1.自励直流励磁机 2.他励直流励磁机

二、交流励磁机系统

二、交流励磁机系统

三、静止励磁系统

第三节、励磁系统的整流电路 整 流 电 路 三相桥式不可控 三相桥式半控 三相桥式 全控

一、三相桥式不可控整流电路 输出电压平均值 UAV = 1.35UP-P =2.34 UP

二、三相全控桥式整流电路 UAV =1.35Up-pcosα =2.34 UPcosα 三相全控桥式整流电路在0°<α﹤90°时，处于整流工作状态，改变α角，可以调节发电机励磁电流; 在90°<α< 180°时，电路处于逆变工作状态，可以实现对发电机的自动灭磁。 电路带阻感负载a =30时的波形

*自动调节励磁装置 1．硬件构成 变送器；同步电压检测电路；输入、输出通道电路；主机

*自动调节励磁装置 2．软件功能 @可选择多种运行方式。 @可选择PID（比例—积分—微分）调节、PSS附加控制、线性最优控制、自校正调节、非线性控制等调节控制规律。 @软件无功调差功能，调差系数的正负及大小可任选。 @运行参数可选择显示并在线修改。 @软件实现数字给定及平稳调整。

*自动调节励磁装置 2．软件功能 @多种励磁限制。 @电压互感器断线检测及保护。 @手动/自动运行方式的相互跟踪。 @独立的后备通道，自动跟踪工作通道，切换无波动。 @励磁系统（包括调节器）出现失磁、失控故障或软件连续几次出轨而自复归无效时，自动切换到备用通道工作。 @软件具有自诊断、自恢复功能。

*自动调节励磁装置 3．励磁调节系统中的辅助控制 （1）最小励磁限制（MEL） 若发电机励磁电流过小，最小励磁限制器就会使励磁电流增大到允许范围内。 （2）最大励磁限制(MXL) 为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。

*自动调节励磁装置 3．励磁调节系统中的辅助控制 （3）瞬时电流限制(ICL) 检测励磁电流，一旦超出发电机允许的强励顶值，限制器动作使强励顶值电流限制在允许范围内。 （4）电压/频率限制（HXL） 限制发电机端电压与频率的比值，防止发电机及主变压器由于电压升高或频率降低导致铁芯饱和而引起过热。

第四节、励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配 一、励磁控制系统框图 同步发电机 自动 励磁功率单元 励磁调节器 其他信号 手动 励磁系统 励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指 定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。

励磁调节器的基本特性与框图 比例式励磁调节器 励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。常用的励磁调节器是比例式调节器，它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。电压升高时输出减小，电压降低时输出增大。

励磁调节器的基本特性与框图 励磁调节器基本框图

励磁调节器的基本特性与框图 励磁调节器的简化框图 UREF UAVR UG Ude USM 测量K1 综合放大K2 移相触发K3 励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即 K——调节器的放大倍数

励磁调节器的基本特性与框图 二、励磁调节器的静态工作特性 调节器放大系数K与组成调 节器的各单元增益的关系为 励磁调节器总的放大倍数等于 UAVR UAVR b a USM UG Ude Ude USM UREF UG 励磁调节器总的放大倍数等于 各组成单元放大倍数的乘积

励磁调节器的基本特性 发电机励磁控制系统静态特性 发电机调节特性

励磁调节器的基本特性 励磁控制系统静态特性 无功调节特性 在公共母线上并联运行的发电 机组间无功功率的分配，主要 取决于各台发电机的无功调节 特性。而无功调节特性是用调 差系数来表征的: UG UG1 ΔUG UG2 调差系数越小说明IQ对UG影 响越小 IQ IQN 无功调节特性

励磁调节器的基本特性 励磁控制系统静态特性 调差系数存在的意义: ①能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击； ②保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。 UG δ< 0 UG0 δ= 0 δ> 0 IQ

励磁调节器的基本特性 发电机无功电流的转移 3-2-1 IQ投入运行到合适点, 无冲击 1-2-3 退出运行,IQ减小到零,无冲击 UG UM 1 2 3 IQ2 IQ1 IQ

三、并联运行机组间的无功功率分配 （一）无差调节特性 1 无差+有差 2 无差+无差 不能并联运行 有困难 无法稳定 Ⅱ’δ< 0 Ⅰ 1 无差+有差 2 无差+无差 UG UG UⅡ Ⅱ’δ< 0 Ⅰ UⅠ UⅠ Ⅰ δ= 0 UⅡ Ⅱ UⅡ’ Ⅱ δ> 0 IQ2 IQ IQ 不能并联运行 有困难 无法稳定

并联运行机组间的无功功率分配 （二）有差调节特性 Ⅰ Ⅱ UG IQ UG0 UGⅠ UGⅡ UGN IQⅠ IQⅡ I’QⅡ I’QⅠ IQ IQⅠ IQⅡ I’QⅡ I’QⅠ IQN

并联运行机组间的无功功率分配 例3-1见书中72页 例3-2见书中72页

我国励磁调节器的发展及分类 1980s’ 机械式 磁放大器 CPU存储逻辑 20世纪初 1950s’ 1960s’ 电子模拟放大器 数字型 机电型 磁放大器 电磁型 电子模拟放大器 电子型

（2）无功潮流就地平衡，避免长距离输送无功引起过多的压降和线损； （3）无功热备用在系统各地区均匀分布，防止局部故障而造成电压崩溃。 *变电站电压、无功综合自动控制装置 （一）概述 1．电力系统电压和无功功率自动控制的任务 （1）维持监视点电压为设定值； （2）无功潮流就地平衡，避免长距离输送无功引起过多的压降和线损； （3）无功热备用在系统各地区均匀分布，防止局部故障而造成电压崩溃。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （一）概述 2．电力系统的调压措施

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （一）概述 2．电力系统的调压措施 （1）控制和调节发电机的励磁电流，以改变发电机的端电压UG，即利用自动调节励磁装置维持发电机端电压； （2）控制变压器变比K1和K2调压，即利用有载调压变压器改变其分接头位置调压；

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （一）概述 2．电力系统的调压措施 （3）改变输送功率的分布P+jQ（主要是Q），以使电压损耗减小，即尽量减少无功功率在线路上的长距离传输，在变电站采用无功功率补偿设备进行调压 ； （4）改变电力系统网络中的参数R+jX（主要是X），即在输电线路上串联接入电容器，补偿输电线路的感抗，以减小输电线路电压损耗

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （二）电力系统电压无功综合控制方式 1．集中控制方式：在调度中心对各个变电站的主变压器的分接头位置和无功补偿设备进行统一的控制。它要求调度中心必须具有符合实际的电压和无功实时优化控制软件，同时对各变电站有可靠性高的通道，要求各变电站要有智能执行单元。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （二）电力系统电压无功综合控制方式 2．分散控制：在各变电站或发电厂中，自动调节有载调压变压器的分接头位置或其他调压设备，以控制地区的电压和无功功率在规定的范围内。分散控制是在各厂、站独立进行的，可以实现局部地区的优化。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （二）电力系统电压无功综合控制方式 3．关联分散控制方式：电力系统正常运行时，由分散安装在各厂、站的分散控制装置或控制软件进行自动调控，调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定、经济运行出发，事先由电压、无功优化程序计算好的；在电力系统负荷变化较大或紧急情况或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心修改下属变电站所应维持的母线电压和无功功率定值，以满足系统运行方式变化后新的要求。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （三）电压无功综合控制装置 1. 对电压无功控制系统的基本要求 （1）应能自动对变电站的运行方式和运行状态进行监视并加以识别，从而正确地选择控制对象并确定相应的控制方法。 （2）对目标电压、电压允许偏差范围、功率因数上下限等应能进行灵活整定。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （3）变压器分接头控制和电容器组投、切应能考虑各种条件的限制。 （三）电压无功综合控制装置 1. 对电压无功控制系统的基本要求 （3）变压器分接头控制和电容器组投、切应能考虑各种条件的限制。 （4）控制命令发出后应能自动进行检验以确定动作是否成功；若不成功，应能作出相应的处理；每次动作应有打印的纪录。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （5）对变电站的运行情况能清晰地予以显示，并设置故障录波器。 （三）电压无功综合控制装置 1. 对电压无功控制系统的基本要求 （5）对变电站的运行情况能清晰地予以显示，并设置故障录波器。 （6）应具有自检、自恢复功能，做到硬件可靠、软件合理、维修方便且具有一定的灵活性和适应性。

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （三）电压无功综合控制装置 2. 硬件原理框图

*变电站电压、无功综合自动控制装置 （三）电压无功综合控制装置 3.软件流程

第五节、励磁调节装置原理 数字式励磁调节器的优点 方便地实现复杂的控制策略 便于修改，灵活性强 可以实现更加完备的限制和保护功能 操作简单、维护方便以及便于试验和调试

励磁调节装置原理 图为600MW发电机自并励励磁系统

励磁调节装置原理 图为300MW三机励磁系统励磁调节器

励磁调节装置原理 数字式励磁调节器 辅 助 控 制 基 本 控 制 主控制单元 信息采集单元 调节控制输出 人—机接口 硬件+软件 电压调节 瞬时电流限制 最大励磁电流限制 最小励磁电流限制 电压频率保护 失磁监控 励磁系统稳定器 PSS 等等 基 本 控 制 电压调节 无功分配 主控制单元 信息采集单元 调节控制输出 人—机接口 硬件+软件

励磁调节装置原理 数字式励磁调节器原理框图

励磁调节装置原理 控制的数学模型 PID模型: 离散化为

励磁调节装置原理 控制的数学模型 增量式PID调节

励磁调节装置原理 基本调节方式 算法: 辅助控制 瞬时电流限制 最大励磁限制器 最小励磁限制器 电压／频率（V/Hz）限制和保护 发电机失磁监控

励磁调节装置原理 最小励磁限制 功率园方程如下：

励磁调节装置原理 功率园 当发电机运行在Q < 0 的部分时，发电机为进相运行状态 M 为静态稳定功率极限 考虑实际运行因素，最小励磁限制应在N’ 之内

励磁调节装置原理 1. 2. 3. 4. 励磁调节器的运行 对发电机组运行工况的监控 增加或减少励磁， 调节U,Q 信号显示 调节器的可靠性 :双重化配量 4.

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