同步发电机励磁控制系统构成与基本要求
发布时间：2023-11-06 点击：153
性能特点和作用说明
同步发电机励磁控制系统构成与基本要求
一、同步发电机励磁控制系统构成
电力系统中运行的同步发电机，其运行特性与空载电动势eq密切相关，而空载电动势eq是发电机励磁电流ifd的函数（发电机的空载特性），所以改变励磁电流就可改变同步发电机在系统中的运行特性。因此，对同步发电机励磁电流进行调节是同步发电机运行中的一个重要内容。实际上，同步发电机在正常运行、系统发生故障情况下，励磁电流都要进行调节。发电机正常运行进行励磁电流调节，可维持机端电压或系统中某点电压水平，并使机组间无功功率达到合理分配；系统发生故障情况下的励磁电流调节，可提高系统运行稳定性。因此，同步发电机励磁电流进行自动调节，不仅可提高电能质量，合理分配机组间无功功率，而且还可提高系统运行稳定性。励磁电流的自动调节是由同步发电机自动励磁调节装置实现的，励磁调节装置简称为aer（avr）。
同步发电机的励磁调节系统是同步发电机的一个重要组成部分，它通常由两部分组成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供可靠的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器（avr），它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调节控制励磁功率单元输出的励磁电流。整个励磁系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统，如图1所示。
图1 同步发电机励磁控制系统构成框图
二、对励磁控制系统的基本要求
1．对励磁调节器的基本要求
（1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。
（2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10％以内进行调整。
（3）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。
（4）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。
（5）能正确反映发电机运行状态，对过大励磁和过小励磁、过高电压和过低频率进行限制与控制。
2．对励磁功率单元的要求
（1）要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量
在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统的电压和本身无功功率的控制。因此，励磁系统应具有足够的调节容量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。
（2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度
从改善电力系统的运行条件和提高电力系统暂态稳定性来看，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。强励倍数与励磁电压响应比是反映励磁系统强励性能的两项重要技术指标。
①励磁顶值电压（强励倍数）
发电机的励磁控制系统均应有强励作用，即当机端电压降低到一定程度时，为了提高电力系统暂态稳定性，以最快的速度将发电机的励磁电压升高到顶值。
励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁期间可能提供的最高输出电压值ufd.max。该值与额定工况下励磁电压ufd.n之比为强励倍数。
kq=ufd.max/ufd.n..................................(6-9)
强励倍数高，可使eq升高，使输出功率增加，从而增大减速转矩，使功角δ摆动最大幅度减小，有利于暂态稳定。强励倍数一般取1.6～2，它主要受到造价和结构的制约。
②励磁电压响应比
励磁电压响应比是说明发电机转子磁场建立过程的粗略参数，反映了励磁机磁场建立速度的快慢。
早期直流励磁机励磁系统将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速度定义为励磁电压响应比，如图2所示。即使图中阴影部分的面积和δacb面积相等所确定的ac线的斜率。图中取额定工况下的励磁电压值ufd.n为强行励磁初始值，于是励磁电压响应比可以定义为
rp=(uc－ub)/ufd.n/0.5=2ucb*(1/s)..................................(6-10)
现在一般大容量机组往往采用快速励磁系统，用响应时间作为动态性能评定指标。励磁系统电压响应时间是指：发电机励磁电压为额定励磁电压ufd.n，从施加阶跃信号起至励磁电压达到0.95（ufd.max-ufd.n）所花费的时间，该时间一般要小于0.1s。快速励磁系统励磁电压变化曲线如图3所示。
图2 直流励磁机励磁系统电压变化曲线图
图3 快速励磁系统电压变化曲线图
励磁系统电压响应时间小于或等于0.1s的励磁系统，称为高起始响应的励磁系统。静止晶闸管励磁系统属于高起始响应的励磁系统。另外，对励磁系统还要求应有足够的强励持续时间，采用晶闸管励磁时，一般为10～20s；应有足够的电压调节精度与电压调节范围，应能保证同步发电机端电压静差率小于1％；当发电机内部故障或停机时，快速动作的灭磁性能可迅速将磁场减小到最低，保障发电机的安全。
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同步发电机的励磁调节系统是同步发电机的一个重要组成部分，它通常由两部分组成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供可靠的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器（avr），它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调节控制励磁功率单元输出的励磁电流。整个励磁系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统，如图1所示。
图1 同步发电机励磁控制系统构成框图
二、对励磁控制系统的基本要求
1．对励磁调节器的基本要求
（1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。
（2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10％以内进行调整。
（3）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。
（4）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。
（5）能正确反映发电机运行状态，对过大励磁和过小励磁、过高电压和过低频率进行限制与控制。
2．对励磁功率单元的要求
（1）要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量
在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统的电压和本身无功功率的控制。因此，励磁系统应具有足够的调节容量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。
（2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度
从改善电力系统的运行条件和提高电力系统暂态稳定性来看，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。强励倍数与励磁电压响应比是反映励磁系统强励性能的两项重要技术指标。
①励磁顶值电压（强励倍数）
发电机的励磁控制系统均应有强励作用，即当机端电压降低到一定程度时，为了提高电力系统暂态稳定性，以最快的速度将发电机的励磁电压升高到顶值。
励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁期间可能提供的最高输出电压值ufd.max。该值与额定工况下励磁电压ufd.n之比为强励倍数。
kq=ufd.max/ufd.n..................................(6-9)
强励倍数高，可使eq升高，使输出功率增加，从而增大减速转矩，使功角δ摆动最大幅度减小，有利于暂态稳定。强励倍数一般取1.6～2，它主要受到造价和结构的制约。
②励磁电压响应比
励磁电压响应比是说明发电机转子磁场建立过程的粗略参数，反映了励磁机磁场建立速度的快慢。
早期直流励磁机励磁系统将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速度定义为励磁电压响应比，如图2所示。即使图中阴影部分的面积和δacb面积相等所确定的ac线的斜率。图中取额定工况下的励磁电压值ufd.n为强行励磁初始值，于是励磁电压响应比可以定义为
rp=(uc－ub)/ufd.n/0.5=2ucb*(1/s)..................................(6-10)
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图2 直流励磁机励磁系统电压变化曲线图
图3 快速励磁系统电压变化曲线图
励磁系统电压响应时间小于或等于0.1s的励磁系统，称为高起始响应的励磁系统。静止晶闸管励磁系统属于高起始响应的励磁系统。另外，对励磁系统还要求应有足够的强励持续时间，采用晶闸管励磁时，一般为10～20s；应有足够的电压调节精度与电压调节范围，应能保证同步发电机端电压静差率小于1％；当发电机内部故障或停机时，快速动作的灭磁性能可迅速将磁场减小到最低，保障发电机的安全。
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