提高发电机励磁系统稳定性的探讨

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摘要：励磁系统的可靠运行对改善电力系统运行有着重要的意义。本文对提高励磁系统运行的可靠性的几个措施进行了细述。

关键词：励磁系统；稳定性；

中图分类号： TM331 文献标识码： A

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。整个系统可以分成四个主要的功能块：励磁变压器、励磁调节器、可控硅整流单元、起励单元和灭磁单元，如图1所示。

图1：励磁调节系统构成图

1、励磁系统作用

1.1电压控制

电力系统在正常运行时，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。励磁控制系统完成了维持电压水平的任务。当励磁电流一定时，发电机端电压随无功负荷增大而下降。当无功电流增大,如果励磁电流不增加，则端电压降低，可能不能满足运行的要求，必须将励磁电流增大才能维持端电压为额定值。同理,无功电流减少时，端电压上升，必须减小励磁电流。励磁自动控制系统就是通过反馈测量发电机机端电压Ut与给定电压Ug不断比较的负反馈系统来调节励磁电流，以维持同步发电机机端电压不偏离给定值。

1.2控制无功功率的分配

设同步发电机与无限大母线并联运行,由于发电机发出的有功功率只受调速器的控制,与励磁电流无关,所以发电机的有功功率是常数,即

PG=UGIGCOSΦ=常数（1）

当不考虑定子电阻和凸极效应,发电机功率可以表示为

PG= sinδ=常数（2）

式中：Eq—发电机内电动势

Us—受端电网电压

Xd—发电机与电网间的电抗

以上两式说明励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功角的大小。由此可见,与无限大母线并联运行的机组,调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。

在实际运行中,与发电机并联运行的母线不是无限大母线，母线的电压将随着负荷波动而改变。改变电厂其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。因此同步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。

1.3维护电力设备安全运行。

在短路故障期间以及故障切除后，性能良好的励磁控制系统可以尽量维持电力系统的电压、加速电压的恢复，从而改善了系统中电动机的运行条件，有利于电力设备的运行。类似地，它改善了并列运行的同步发电机在失磁后转入异步运行时电力系统的工作条件。此外，励磁系统还可以提高带时限的继电保护装置的工作灵敏性和动作准确性。

1.4提高电力稳定性。

带PSS的快速励磁系统能够阻尼系统的低频振荡，从而提高了电力系统动态稳定性。电力系统中发生短路故障时，靠快速继电保护切除故障，以减少加速面积；而故障切除后，快速励磁和强励可以增大发电机电势，因而增大输出的电磁功率，增大了制动面积，防止发电机摇摆角过度增大，以利于暂态稳定性的提高。

2、对励磁系统的要求

由于励磁系统的重要性，对励磁功率单元和励磁调节器性能分别提出如下要求：

2.1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的高低以维持发电机电压在给定水平，并能合理分配机组间的无功功率和便于实现无功功率的转移；

(2)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；

(3)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；

(4)具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化；

2.2对励磁功率单元的要求。

(1)具有足够的调节容量；

(2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。

3、提高励磁系统稳定性的对策

以自并励励磁系统为例，对励磁系统的可靠性，进行了一些有益的探索。

3.1改善励磁系统调节系统与控制方式。

3.1.1改善励磁调节系统。

调节器的输入交流量有发电机量测PT，仪表PT副边的三相发电机电压及发电机CT回路的三相电流，直流信号为发电机转子电压，转子电流及每套调节器的输出电流、总电流等。这些信号经交流信号处理板和直流信号处理后，送入主机板。

通过采样计算得到的发电机平均电压与参考电压之差，综合调差信号后经比例或PID运算得到一个控制量，去改变可控硅控制角。这个控制量是一个数字量，直接由CPU写入定时器中，定时器根据写入数的大小及同步电压信号产生相应控制角α的触发脉冲，经组合、功率放大，产生双触发脉冲，通过脉冲变压器隔离去触发可控硅，从而改变调节器的输出电流，控制励磁机或者发电机的转子电流以维持发电机端电压的恒定，实现发电机电压的闭环调节。

3.1.2建力合理的数学模型，采用PSS+PID的控制方式。

控制理论采用PSS+PID，即电力系统稳定器加上经典的控制理论（比例—积分—微分调节）。

众所周知，发电机励磁控制系统是一个闭环的调节系统，如何保证此系统的稳定及具有优良的动态调节品质是衡量励磁调节装置性能好坏的首要指标，有的励磁调节装置在一般小干扰情况下运行尚可，但碰到突发事件，就可能出现不能强励，或强励后回不来，以及电网结构比较薄弱时运行不太稳定或静差率太大等，分析下来其实都是数学模型不够完善所至。建立合理的数学模型，以确保发电机在各种运行状况下稳定运行，励磁系统的电力系统稳定器PSS能明显提高发电机的静稳定极性及大干扰情况下的动态稳定。

3.1.3搞好通道跟踪实现无波动切换。

为了保证在故障切换时发电机过程的平稳，应在跟踪过程中设置了一套动态跟踪回路。真正独立的双通道运行，相互间通过开入开出量只有两到三对硬接点相联系。自动运行方式下双通道之间相互自动跟踪，跟踪时不需要从对方通道得到任何数据，只依赖于PID数学模型、发电机空载时调节器开环放大倍数及各种采样量得到自动参考电压给定和可控硅的开放角，跟踪量非常准确，切换时没有任何波动。

3.1.4减小励磁机时间常数。

磁系统中，由于励磁机时间常数太大，直接影响发电机转子电压的上升速度，不利于发电机及系统的暂态稳定，采用转子电压负反馈（如果采集不到转子电压，如无刷励磁等等，可以用调节器输出总电流替代），以减小励磁机的时间常数，交流励磁机的时间常数一般为1秒左右，直流励磁机的时间常数则高达二、三秒，采用转子电压负反馈后，可将时间常数减小到0.1至0.2秒，将常规励磁系统改造成为接近快速励磁系统水平，提高了发电机及电力系统的暂态稳定性。

3.2 完善各类限制与保护功能。

3.2.1在做保护时，若有工频手动装置，则发切除信号，装置退出运行；若无工频手动装置，发切手动信号，励磁调节装置转为手动方式运行。

3.2.2V/Hz限制

V/HZ限制的原则：当V/HZ>1.1倍时发V/HZ限制信号。闭锁增励，自动减励至V/HZ故障消除。

3.2.3低励限制和保护

励磁电流减少使发电机励磁进入欠励区时，当励磁电流小于预设定最小值时，限制器立即动作，调节励磁电流增至最小励磁电流，完成限制过程。定子电流限制器包括感性和容性限制，与最大、最小励磁电流限制器工作原理相同，操作中主要的不同是过励运行区的定子电流限制器没有最大的限制。

3.2.4过励限制和保护

过励限制和保护按照下列原则：

（1）转子电流Ifd>2.2倍时，瞬时执行3.2.1。

（2）转子电流Ifd>1.1倍时，按反时限电流曲线进行限制并发限制信号。

（3）如按第一条转子电流反时限曲线限制不住按第二条转子电流反时限曲线执行3.2.1。

3.2.5设置脉冲回读检查功能

利用装置的DSP芯片，对每一相可控硅脉冲进行回读，以确保真正发出去的脉冲同理论上的脉冲完全一致，以保证装置的正确性，检查是否发生失脉冲和错脉冲现象。

3.3实现快速灭磁和防止过电压

灭磁系统的任务是以尽快的速度消灭磁场能量，使得发电机电压消灭，使得事故降到最小，所以对发电机的灭磁系统的一般要求有：一、在发电机内部短路时，灭磁时间尽可能的短；二、在灭磁过程中，转子绕组两端产生的过电压应在绕组允许的范围内，即滑环间容许的过电压值。

交流侧过电压设置压敏电阻尖峰电压抑制器一套，抑制操作、雷击过电压；采用集中电阻断式过电压吸收装置一套，抑制可控硅整流桥的换流，反向恢复的过电压；直流侧在灭磁开关的两侧分别放置一套过电压保护装置，其中灭磁开关电源侧过电压保护主要是抑制能量比较小的的瞬时过电压；灭磁开关转子侧，过电压保护主要抑制非全相运行和短时异步运行电压。

4、结论

励磁系统的运行可靠性对改善电力系统运行与稳定性有着重要的意义。通过改善励磁系统调节系统与控制方式、完善各类限制与保护功能、实现快速灭磁和防止过电压，可以很大程度上提高励磁系统的运行可靠性,从而保证了电力系统的安全稳定运行。

【参考文献】

[1] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用（第二版）中国电力出版社 2009.

[2]《发电厂励磁及自动化新技术研讨会论文集》武汉恒丰电工有限责任公司武汉洪山电工技术研究所 1998.

[3]许克明,田怀智. 电力系统自动装置[M]. 重庆大学出版社 1998.

[4]张涛.电力电子技术. 电子工业出版社 2003