同步发电机励磁控制装置的任务与作用

电力装置在正常运转时，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调整以维持机端或装置中某一点的电压在给定水平（电压控制）。励磁自动控制装置担负了维持电压水平的任务，这是励磁机构较基本的任务。为了简述它的基本概念，可用较简单的单机机构来详述。

图1所示为同步发电机生成机理图，其中Ufd、Ifd为发电机励磁电压、电流。图2所示为稳态运行情形下的等值电路，其中Eq为发电机空载电动势，Xd为直轴同步电抗，UG、IG为发电机端电压、电流。

图3所示为对应相量图。图中δG为?q、?G间的角，即容量角；IQ为发电机电流无功分量。由图3可知，由于一般δG很小，cosδG≈1，因此得发电机电动势与端电压关系为

可见当发电机励磁电流保持不变时导致机端电压减少的详细起因是发电机的感性无功电流。当励磁电流一定时柴油机维保规程和要求，无功电流输出增加，发电机端电压下降；无功减少则端电压上升。发电机的外特性UG＝f（IQ）必然是下降的，如图4所示。要维持发电机端电压不变，需要随电压的变化改变励磁电流。

设发电机的励磁电流为Ifd1，此时发电机无功电流为IGQ1，机端电压为额定电压UN，如图4中的1点；当无功电流增大到IGQ2时，若励磁电流仍为Ifd1，则机端电压降到UG1，如图4中的2点；为保持机端电压为额定值运行，应增大励磁电流到Ifd2，如图4中的3点，即将外特点曲线上移。同样，无功电流降低时为保持机端额定电压运行，励磁电流应减轻，即外特征曲线下移。

这种机端电压维持额定电压的励磁电流调节，可以手动进行，也可以自动进行。自动进行励磁电流调节的装置是AER（AVR）。励磁功率单元提供同步发电机正常运行、机构故障情况下的励磁电流，AER根据输入信号和给定的调整准则控制励磁容量单元的输出。如果AER足够灵敏，调整结束时总有ΔU→0，从而使发电机UG正常运转时维持给定电压水平。

当发电机与无穷大功率母线并车运转时，根据无穷大机构定义，装置阻抗为零，发电机与系统相联的母线电压恒定。

发电机输出功率由原动机输入功率决定，与励磁电流大小无关。当原动机输入功率不变时，发电机输出有功功率为常数；另一方面，对隐极发电机，发电机输出有功容量可由功角特性得到，则发电机有功容量为

由图5可见，机端电压恒定不变，改变励磁，仅改变Eq电动势，Eq端点将始终在A线上；Eq变化，将使δ跟随变化。例如增大励磁，Eq增大，δ角减轻，IG滞后于电压的角度φ将增大，因为IG端点应始终在B线上，故而发电机对应无功功率输出增加；相反，降低励磁将使发电机输出无功容量减轻；当减少励磁使发电机电动势低于母线电压后，发电机将从机构中吸收无功功率，这种运转方法即为“进相运行”。由此可知，当发电机与大装置并联运行时，通过改变发电机励磁，可控制发电机的无功功率输出，使机组间的无功容量合理分配。

同步发电机并机于电力装置运行，系统中经常存在小的干扰。静态稳定研究的是发电机在小干扰功能下，能否具备恢复至原运行点的能力。设发电机经升压变压器与装置相联，机构电压为US恒定不变。

如图6所示，当发电机输入容量为P0时，与发电机功角特性相交于a点，输出电磁功率PG3对应功角为δ0。不一样的励磁对应不同的Eq值，Eq1Eq2Eq3。

由电力系统见解可知a点为稳定作业点，在该点上装置负荷有小干扰，能够恢复至a点运转；而b点为不稳定工作点。无自动励磁调节时，励磁电流不变，保持Eq恒定。功角特征较高点对应发电机输出较市电磁容量Pm，δ＝90°为静态稳定极限。Pm与P0之间的差值与发电机额定有功容量的比值为稳定裕度。

当有自动励磁调节器时，发电机功率变化时，为维持端电压，必须调整Eq值。即具有AER的发电机的有功容量变化时，式（6-4）示出的功角特点中Eq与δ都是变化量。

虽然E′q＜Eq，但由于X′d远小于Xd，故功角特征要比式（6-4）的功角特点高，作出功角特点如图6中虚线所示，功率极限出现在δ＞90°的区域。

当发电机不装设AER时，功角δ极限为90°；当发电机装设AER后，功角δ极限δlim＞90°，发电机可以稳定运行在90°＜δ＜δlim的区域，该区域是人工稳定区，静稳定水平提高。有无自动励磁调节器的比较见图6。

发电机与系统并车运行受到大干扰后是否能够保持同步运转状态，称为暂态稳定解读，包括发生各种类别的能够危害装置稳定的短路损坏、继电保护切除损坏的时间。这里研究发电机的励磁调整机构在电网发生故障后，对电压下降所作出的强行励磁的作用。机构正常运转时，发电机功角特性曲线中的曲线I，即

在双回线路中一回线路发生损坏后，装置母线电压急剧减轻，发电机功角特征曲线下降为功角特性曲线II，运行点从a点变为b点。因为短暂时间内发电机调速装置不可能迅速反应，可假设发电机输入机械容量不变，此时，发电机输入机械功率大于输出电磁功率，发电机有正的角加速度，且角速度高于系统同步速，发电机功角从b点增大向c点变化。因为线路继电保护动作，断开故障线路，装置母线电压恢复，但线路单回路阻抗较大，发电机功角特点曲线上升为曲线II，虽然此时发电机输入机械功率小于输出电磁功率，角加转速变负，但由于发电机角速度高于装置同步速，发电机功角从e点增大向f点变化。若发电机功角e增大而越过f点，发电机又将进入加速流程，从而引起发电机与系统之间失去同步，我们称之为暂态不稳定。若发电机功角δ在越过f点之前角转速减少到低于机构同步速，发电机功角δ从增大变为减轻，向发电机与机构之间稳定方向变化，经多次阻尼振荡，较终稳定在新的同步运转点，该流程我们认为是暂态稳定的。在线路发生故障后，形成abce围成的区域是发电机加速，动能、势能增加的区域，称为加速面积；而def围成的区域是发电机减速，剩余动能转化为势能的区域，称为减速面积。根据发电机与电力装置暂态稳定的面积定则判据，当加速面积大于减速面积时，机构是暂态不稳定的；反之，加速面积小于减速面积时，机构是暂态稳定的。

下面来阐述发电机励磁系统强行励磁的功能。线路故障使发电机端电压偏低，于是强行励磁动作，升高励磁电压，增加转子励磁电流，使发电机电动势提升，即发电机功角特性曲线不再是曲线III，而变为曲线IV，使减速面积增加了一大块，提高了系统暂态稳定性。

（1）改进电动机自启动条件。在发电机外部装置产生损坏时，因为短路电流较大，使发电机机端电压减少，而现代大型发电机厂用电均取自于发电机端，厂用电压减小将使电动机减速，电动机将出力不足，从而使发电机的工作状态不稳定。当损坏切除后，机端电压得以恢复，电动机则进入自起动步骤，更希望厂用电电压能够在电动机自启动步骤中有过高的电压水平，这种程序应当能够尽快完成。发电机励磁系统装设了励磁调整器后，能够快速响应机端电压的变化，见图8东风康明斯柴油发电机，从而可保持机端电压的稳定，即改善了电动机自起动因素。

（2）改进其他发电机失磁后异步运行条件。一个现代电力系统中，有很易发电机并在大电中同步运行，保持机构的无功功率平衡也是各台发电机的任务。若电网中的某台发电机由于失磁而进入异步运行，此时这台发电机不但不能继续向机构供应无功功率，反而会从装置中吸收无功功率，来维持其异步运行，因此机构需要有大量无功容量支援，才能达到保持系统的无功功率平衡和维保各母线电压的要求。设机构正常运行时发电机G1发出Q1无功功率；发电机G2发出Q2无功容量，机构无功功率是平衡的，满足电压变换和负荷对无功的需求。若发电机G2产生失磁，需要从装置吸收Q′2无功功率，见图9。

发电机G1所发无功功率应为Q′1＝Q1＋ΔQ＝Q1＋Q2＋Q′2。所需增大的无功功率是较大的，因此要点发电机励磁系统该当有较大的无功功率供应能力。

（3）提高继电保护正确性。当电力机构中发生故障时柴油发电机启动步骤图，继电保护系统对电流的突然增大作出响应，动作于跳闸。短路电流越大，继电保护装置对损坏的灵敏性越高。当短路发生时，发电机端电压减小，励磁调整机构自动作出增加发电机励磁的反应，提高了机端电压，从而增大了短路电流，见图10。只要断路器的开断功率允许和电气设备动热稳定允许，励磁调节系统对短路电流的增加对提高继电保护正确性是有利的。