第二章同步發電機勵磁自動控制系統總述勵磁系統的任務勵磁系統的類型勵磁系統的整流電路并聯機組間無功分配勵磁裝置的原理第一節概述同步發電機的勵磁系統

勵磁功率單元

勵磁調節器

G發電機電力系統勵磁自動控制系統構成控制同步發電機的勵磁同步發電機的運行特性同步發電機的空載電動勢的大小發電機的勵磁電流一、同步發電機勵磁控制系統的任務電壓控制無功分配提高穩定強行勵磁強行減磁一發電機勵磁系統的任務（一）電壓控制

等值電路相量圖GGEWUEF.IEF.UGIG..xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.φjIGxd.Eq.δGφjIQxd.發電機勵磁系統的任務電壓控制同步發電機的勵磁自動控制系統就是通過不斷地調節勵磁電流來維持機端電壓為給定水平的。GIEFUGIGEqIGUGIEF1UGUG2UGeIQIEF2IQ2IQ1EqUGjIGXdIGIQIP負荷中的無功電流是造成Eq和UG幅值差的主要原因。同步發電機的勵磁自動控制系統就是通過不斷地調節勵磁電流來維持端電壓在給定水平的。

發電機勵磁系統的任務（二）控制無功功率的分配

設單機無窮大系統：GIG.UG=常數.發電機勵磁系統的任務控制無功功率的分配由于發電機發出的有功功率只受調速器控制，與勵磁電流的大小無關。靜態穩定暫態穩定

電力系統的穩定電力系統靜態穩定是指電力系統在正常運行狀態下，經受微小擾動后恢復到原來運行狀態的能力。

電力系統暫態穩定是指電力系統在某一正常運行方式下突然遭受大擾動后，能否過渡到一個新的穩定運行狀態、或者恢復到原來運行狀態的能力。

電力系統受到小的或大的干擾后，計及自動調節和控制裝置作用的長過程的運行穩定問題稱為動態穩定。發電機勵磁系統的任務提高并聯運行的穩定性1勵磁對靜態穩定的影響發電機的輸出功率為發電機勵磁系統的任務提高并聯運行的穩定性abc同步發電機的功角特性最大可能傳輸的功率極限為

發電機勵磁系統的任務提高并聯運行的穩定性它使發電機能在大于90度范圍的人工穩定區運行，即可提高發電機輸送功率極限或提高系統的穩定儲備。發電機勵磁系統的任務提高并聯運行的穩定性2勵磁對暫態穩定的影響發電機的暫態穩定等面積法則

PGmax*0.750.700.650.500.3500.20.40.60.8Te(s)K=4K=1K=2PGmax*0.750.700.650.500.3501234KTe=0.1STe=0.8S要使勵磁系統在短暫過程中完成符合要求的控制必須要求勵磁系統具備快速響應的條件。為此，一方面縮小勵磁系統的時間常數，另一方面盡可能提高強行勵磁的倍數。發電機勵磁系統的任務（四）強行勵磁以改善電力系統運行條件1改善異步電動機的自啟動2為異步發電機運行創造條件3提高繼電保護工作的準確性1．改善異步電動機的自起動條件

2．為發電機異步運行創造條件

3．提高繼電保護裝置工作的正確性1201008060402000102030t(s)U(%)發電機勵磁系統的任務（五）水輪發電機強行減磁當水輪發電機組發生故障突然跳閘時，由于它的調速系統具有較大的慣性，不能迅速關閉導水葉，因而會使轉速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發電機的勵磁電流，，則發電機電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以，在這種情況下，要求勵磁自動控制系統能實現強行減磁。二、對勵磁系統的基本要求維持電壓水平和無功的合理分配控制能力和調節范圍快速反應能力高度的可靠性快速性結構簡單，易于維護足夠的阻尼能力三對勵磁系統的基本要求勵磁調節器:檢測和綜合系統運行狀態的信息,以產生相應的控制信號,經放大后控制勵磁功率單元以得到所要求的發電機勵磁電流。其基本要求勵磁功率單元:受勵磁調節器控制，并向同步發電機轉子提供勵磁電流。其基本要求系統正常運行時,勵磁調節器應能反映發電機電壓高低以維持發電機電壓在給定水平；靜差率勵磁調節器應能合理分配機組的無功功率；對遠距離輸電的發電機組，為了能在人工穩定區域運行，要求勵磁調節器沒有失靈區；勵磁調節器應能迅速反應系統故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態穩定和改善系統運行條件；具有較小的時間常數，能迅速響應輸入信息的變化。1對勵磁調節器的要求2對勵磁功率單元的要求

要求勵磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調節容量。在電力系統運行中，發電機依靠勵磁電流的變化進行系統電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁功率單元應具備足夠的調節容量以適應電力系統中各種運行工況的要求。具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。從改善電力系統運行條件和提高電力系統暫態穩定性來說，希望勵磁功率單元具有較大的強勵能力和快速的響應能力。因此，在勵磁系統中勵磁頂值電壓和電壓上升速度是兩項重要的技術指標。第二節同步發電機勵磁系統類型勵磁系統直流勵磁機交流勵磁機靜止勵磁第二節同步發電機勵磁系統勵磁系統的歷史直流勵磁機勵磁系統

機械整流子在換流方面遇到了困難，且大功率半導體整流元件制造工藝的日益成熟。交流勵磁機勵磁系統(交流發電機和半導體整流元件組成)

靜止勵磁系統(發電機自并勵系統)

為了縮短主軸長度，降低造價，減少環節。幾種常用的勵磁系統簡要介紹（重點分析勵磁功率單元）一直流勵磁機勵磁系統（100MW以下）

按勵磁機的勵磁繞組供電方式的不同

自勵直流勵磁機勵磁系統

他勵直流勵磁機勵磁系統=G勵磁調節器IAVRIEEIRIE1自勵直流勵磁機勵磁系統

DER2他勵直流勵磁機勵磁系統G勵磁調節器IEEIR=IE=IAVRPEDE二、交流勵磁機勵磁系統（100MW以上）

交流勵磁機勵磁系統根據勵磁機電源整流方式及整流器狀態的不同可分為以下幾種。他勵交流勵磁機勵磁系統

自勵交流勵磁機勵磁系統他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統他勵交流勵磁機旋轉整流器勵磁系統(無刷勵磁)自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統1他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統G自勵恒壓調節器放大器觸發器電壓檢測調差勵磁調節器交流發電機交流勵磁機交流副勵磁機可控整流器滑環起勵電源VSR2他勵交流勵磁機旋轉整流器勵磁系統(無刷勵磁)G勵磁調節器交流發電機旋轉元件永磁副勵磁機晶閘管整流器NS1自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統GAVR滑環自動恒壓元件電壓起勵元件VSAE起勵電源2自勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統G

勵磁調節器滑環電壓起勵元件VSAE起勵電源三靜止勵磁系統(發電機自并勵系統)G

勵磁調節器滑環電壓起勵元件VS起勵電源勵磁系統的整流電路整流電路三相橋式不可控三相橋式半控三相橋式全控第三節勵磁系統中的整流電路

三相橋式不可控整流電路三相橋式半控整流電路三相橋式全控整流電路一三個基本整流電路二整流電路的換流壓降及外特性

三最小逆變角+-RfeaebecV1V3V5V4V6V2三相橋式不可控整流電路eaecebteabacbcbacacbabacbc161232345456161232ut1工作原理共陰極連接的二極管，在t=30-150之間是V1導通，V3、V5承受反壓而關斷；在t=150-270之間是V3導通；在t=270-390

之間是V5導通。共陽極連接的二極管，在t=90-210之間是V2導通，V4、V6承受反壓而關斷；在t=210-330之間是V4導通；在t=330-450

之間是V6導通。2輸出電壓RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V三相橋式半控整流電路1工作原理eaecebteugabacbcbacacbabacbc161232345456161232tut脈沖控制角=0135RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=30°euguLtttRfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=60°uguLttetRfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=120°uguLttetRfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脈沖控制角=180°uguLttet2輸出電壓與控制角關系3失控現象和續流二極管的作用uguLttett3t4t5RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2VeaecVS1V2V+(-)-(+)三相橋式全控整流電路ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L◤在晶閘管需導通的區域僅用初始的一個窄脈沖去觸發的方式稱“單窄脈沖觸發”

◢

◤每個元件除了在各自的換流點處有一個脈沖之外，還在60度電角度之后的下一個導通元件的導通時刻補了一個脈沖。所補的脈沖在電流連續的穩態工作時并不起任何作用，但它卻是電路啟動及在電流斷續時使電路正常工作所不可缺少的，這種觸發方式稱之為“雙窄脈沖觸發”。

◢

◤若把上面的雙窄脈沖連成一個寬脈沖，電路當然也可正常工作，這種觸發方式稱之為“寬脈沖觸發”◢

三相橋式全控整流電路觸發脈沖的形式ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2LeuLugtttugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=0°工作原理ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=60°euLugtttugt2ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=90°uLtugtugtett1t2ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脈沖控制角=60°150°eugtttugtuLt1t2VS6VS1VS3VS2VS43輸出電壓與控制角關系電感性負載逆變角=180°-uLtugtugtett1t2在<90時，輸出平均電壓Ud為正，三相全控橋工作在整流狀態。在>90時，輸出平均電壓Ud為負，三相全控橋工作在逆變狀態。電阻性負載電阻性負載uLtugtugtett1t2ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2Leidugtttugtt1二整流電路的換流壓降及外特性換流角ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2LeaebecVS1VS3VS2LLLi以上討論中均假設換流角＜60，當交流回路中電抗較大，并且直流負載電流較大時，換流角也會增大。當＞60時，整流回路中換流過程將發生變化，此時不能用上式來計算整流電路輸出的直流電壓。

etugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2Lugtt0t1VS1VS3VS5VS2VS6VS4三最小逆變角晶閘管關斷角

第四節勵磁控制系統調節特性和并聯機組間無功分配勵磁控制系統框圖同步發電機勵磁功率單元勵磁調節器手動自動勵磁調節器檢測發電機的電壓、電流或其它狀態量，然后按指定的調節準則對勵磁功率單元發出控制信號，實現控制功能。

勵磁系統其他信號一勵磁調節器的基本特性與框圖

比例式勵磁調節器

勵磁調節器最基本的功能是調節發電機的端電壓。常用的勵磁調節器是比例式調節器，它的主要輸入量是發電機端電壓，其輸出用來控制勵磁功率單元。電壓升高時輸出減小，電壓降低時輸出增大。勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器基本框圖勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器的簡化框圖勵磁調節器的特性曲線在工作區內的陡度，是調節器性能的主要指標之一，即測量K1綜合放大K2移相觸發K3可控整流K4UGUREFUdeUSMUAVRK——調節器的放大倍數勵磁調節器的基本特性與框圖勵磁調節器的靜態工作特性調節器放大系數K與組成調節器的各單元增益的關系為勵磁調節器總的放大倍數等于各組成單元放大倍數的乘積

0000UdeUAVRUAVRUdeUGUGUSMUSMUREFba勵磁調節器的基本特性發電機勵磁控制系統靜態特性

發電機調節特性勵磁調節器的基本特性勵磁控制系統靜態特性

無功調節特性在公共母線上并聯運行的發電機組間無功功率的分配，主要取決于各臺發電機的無功調節特性。而無功調節特性是用調差系數來表征的:調差系數越小說明IQ對UG影響越小UGUG1UG20IQIQNΔUG勵磁調節器的基本特性勵磁控制系統靜態特性

調差系數存在的意義:①能平穩地改變無功負荷，不致發生無功功率的沖擊；②保證并聯運行的發電機組間無功功率的合理分配。UGIQδ=0δ<0δ>0UG0勵磁調節器的基本特性發電機無功電流的轉移

3-2-1IQ投入運行到合適點,無沖擊1-2-3退出運行,IQ減小到零,無沖擊UGIQUM123IQ2IQ1并聯運行機組間的無功功率分配無差調節特性

1無差+有差有困難無法穩定不能并聯運行

2無差+無差

UGIQⅠ

δ=0Ⅱ’δ<0Ⅱ

δ>0UⅠUⅡUⅡ’IQ2UGIQⅠⅡUⅠUⅡ并聯運行機組間的無功功率分配有差調節特性

UGUGⅠUGⅡ0IQI’QⅠⅠⅡUG0UGNIQⅠIQⅡI’QⅡIQN123IQ1IQ2IQUG退出運行投入運行移動發電機調節特性的操作是通過改變勵磁調節器的整定值來實現的。并聯運行機組間無功功率的分配一一臺無差調節特性的機組與正有差調節特性機組的并聯運行UGIQU1U212IQ2一臺無差調節特性的發電機可以和多臺正調差特性的發電機組并聯運行。但在實際運行中，由于具有無差調節特性的發電機將承擔無功功率的全部增量，機組間無功功率的分配很不合理，這種運行方式很少采用。UGIQ不能穩定運行二一臺無差調節特性的機組與負有差調節特性機組的并聯運行具有負調差特性的發電機是不能在公共母線上并聯運行的UGIQU2U1三

兩臺無差調節特性的機組并聯運行不能并聯運行四正調差特性的發電機組的并列運行UG2UG1IQB1IQA1IQB2IQA2ABUGIQUG2UG0IQeUGUGe

IQIQ2U

IUG2

UG1IQB1IQA1IQB2IQA2AB一、勵磁調節器的原理及發展

（一）電壓調節的原理

按調節原理可分為反饋型和補償型。用負載電流補償勵磁的方法稱為復式勵磁。發電機的電壓卻不僅與負載電流有關，而且還受負載功率因數的影響。因此，勵磁補償需同時計及負載電流和功率因數這兩個因素才為合理。這種既反映電流大小反映電流相位的復式勵磁為相位復式勵磁。第五節勵磁調節裝置原理按定子電流補償復勵裝置原理可控相位復勵裝置原