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1、发电机励磁系统对电力系统稳定的影响摘要：本文主要阐述发电机励磁系统，在确保电力系统安全稳定 运行所起的作用。分析了发电机励磁系统对静态稳定、暂态、动 态稳的影响，以及增强系统阻尼的措施。关键 词 ： 发电 机 励 磁 系 统 稳 定一、发电机励磁系统的主要作用：励磁系统的主要任务是向发电机的励磁绕组提供一个可调的 直流电流，以满足发电机正常运行的需要。对同步发电机的励磁 进行控制，是对发电机运行进行控制的主要手段之一。励磁系统 的主要作用是：1、维持发电机的端电压维持发电机的端电压等于给定值是电力系统调压的主要手段 之一，在负荷变化的情况下，要保证发电机端电压为给定值则必 须调节励磁。由 发
2、电 机 的 简 化 相 量 图 （ 图 1-1 所 示 ） 可 得 ：E =U +jI X（ 1-1 ）q f f d式中：E发电机的空载电势；U发电机的端电压；I发q f f电 机 的 负 荷电 流 比 例。图 1-1发 电机 的 简 化相 量 图式（1-1 ）说明，在发电机空载电势 E 恒定的情况下，发电机 q端电 压 U 会 随负 荷 电 流 I 的加 大 而 降低 ， 为 保证 发 电 机端 电 压 ffU 恒定 ， 必 须随 发 电 机负 荷 电 流 I 的增 加 （ 或减 小 ）， 增 加（或 ff减小 ） 发 电机 的 空 载电 势 E ， 而 E 是发电机励磁电流 I 的函数
3、q qf q（若不考虑饱和，E和I成正比），故在发电机运行中，随着发qf q电机负荷电流的变化， 必须调节励磁电流来使发电机端电压恒 定。为了表示励磁系统维持发电机端电压恒定的能力， 采用了调 压精度的概念。所谓调压精度是指在自动励磁调节器投入运行， 调差单元退出，电压给定值不行进人工调整的情况下，发电机负 载人零变化到视在功率额定值以及环境温度、频率、电源电压波 动等在规定的范围内变化时， 所引起的发电机端电压的最大变 化， 常用发电机额定电压的百分数表示。一般来说， 发电机在运行中引起端电压变化的主要因素是负 荷电流的变化，通常用发电机调压静差率6来表示这种变化。J调压静压率是指自动励磁调
4、节器的调差单元退出，电压给定值不变，负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压的变化率，它可由下式计算：6(%)=(U -U )/U X 100%( 1-2 )J f0 f f e式中：U发电机空载电压；U发电机额定负荷时的电压；f 0 fU 发电机的额定电压。fe通过发电机甩负荷试验可测量发电机的调压静差率， 它主要 取决 于 励 磁系 统 的 稳态 开 环 放 大系 数 K ， K 越 大 ，6 便 越 小 。0 0 J以上分析的是稳态过程。 在电力系统的暂态过程中， 维持发 电机端电压恒定有利于维持电力系统的电压水平，从而使电力系 统的运行特性得到改善。如自动励磁调节能使短路切除后，电力
5、系统的电压恢复加快， 从而使系统中的异步电动机自启动加速， 当电力系统中有大型电动机启动，同步发电机自同期并列，同步 电机因失磁而转入异步运行或重负荷线路合闸(或重合闸)时， 电力系统都可能造成大量无功缺额，系统电压水平将下降，自动 励磁调节能减小这种情况下降， 使电力系统的运行特性得到改 善。另一方面，当系统中有重负荷线路跳闸或发电机发生甩负荷 时，自动励磁调节有助于降低此时可能产生的系统及发电机电压 过分升高，甩负荷可能造成发电机严重过压。为防止这种过电压 的发生， 要求励磁系统在这种情况下能强行减磁(简称强减)。2、控制无功功率的分配当发电机并联于电力系统运行时，它输出的有功决定于从原
6、动机输入的功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关。为分 析方便， 假定发电 机并联在 无穷大母 线运行， 即其机端 电压 U f 恒定。设发电机从原动机输入的机械功率不变，即发电机输出的有 功功 率 Pt 恒 定， 则 有 ：P =U I cos =CE U /X ） sin 6=常数（1-3 ）f f f q f d式中：e 发电机的功率因数角；6 发电机的功率角。U恒定、P恒定即意味着I cos e和E sin 6均为常数，在发电机 f f f q相量图（图1-2 ）上，这表示发电机电流I的矢端轨迹为虚线BB f空载电势 E 的矢端轨迹为虚线 AA 。当改变发电机的励磁使发 q电机空载电
7、势 E 变化（如 E 变为 E ） 时， 发电机的负载电流 q q 1q 2i跟着变化（由i变为i ）,但其有功分量i =i cos e恒定，故 ff 1f 2a f变化的只是无功电流i。所以说，在发电机并联运行于无穷大母R线情况下， 调节励磁将改变发电机输出的无功。I w图 1-2 发 电 机 及无 穷 大 母线 并 联 运行 的 相 量图实际运行中，发电机并联运行的母线不会是无穷大母线，这 时改变励磁会使发电机的端电压和输出无功都发生变化，但一般 来说，发电机的端电压变化较小，而输出无功却会有较大的变化。 保证并联运行发电机组间合理的无功分配，是励磁系统的重要功 能。在研究并联运行发电机组
8、间的无功分配问题时，所涉及的主 要概念之一是发电机机端电压调差率。所谓发电机机端电压调差 率是指在自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定值固定，发 电机功率因数为零的情况下，发电机无功负载从零变化到额定值 时，用发电机额定电压百分数表示的发电机机端电压变化率6 ,T通常由下式计算：6(%) = (U -U )/U X 100%( 1-4 )T f0 frf e式中：U 发 电 机 空 载 电 压 ；U 发 电 机 额 定 无 功 负 载 时 的 电 f0f r压；U 发 电 机 的额 定 电 压。 fe发电机的端电压调差率，反映了在自动励磁调节器的作用下发电 机 端 电压 U 随着 发 电 机
9、输 出 无 功的 变 化 。自动 励 磁 调节 器 调 f差单 元 的 接法 不 同 。发电 机 端 电压 U 可能 随 发 电机 输 出 无功 电 流 fI 的 加大 而 降 低， 即 U U ，则 称发电机有负的电压调差；若 发电机端电压 U 不随 f f 0f发电机输出无功电流 I 的变化而改变，即 U =U ，则 称发电机没R f f 0有电 压 调差 ，即 无 差调 节 。图 1-3 表示 了 发 电机 的 三 种调 差 特 性。图 1-3发电 机 的 调差 特 性 图当多台发电机机端直接并联在一起工作时，为了使并联机组间 能有稳定的无功分配，这些发电机都必须有正的电压调差，且要 求
10、调差率S t=3%5%。若发电机是单元接线，即它们是通过升压 变压器在高压母线上并联，则要求发电机有负的调差，负调差的 作用是部分补偿无功电流在升压变压器上形成的压降（国外常把 调差单元称为负荷补偿器），从而使电厂高压母线电压更加稳定 有些电厂为了减小系统电压波动所引起的发电机无功的波动，常 常不投入调差单元，而这对电力系统的调压，即保持系统的电压 水平是不利的。3、提高同步发电机并联运行的稳定性通 常 把 电 力 系 统 的 稳 定 性 问 题 分 为 三 类 ， 即 静 态 稳 定 （ S 、 暂态稳定及动态稳定问题。所谓静态稳定是指电力系统在受到小 干扰 作 用 时的 稳 定 性，即 受
11、到 小 干 扰作 用 后 恢复 原 平 衡状 态 的 能 力；而暂态稳定是指电力系统在受到大干扰（主要是短路）作用 时的 稳 定性 ，即 在 大干 扰 作用 后系 统 能否 在 新的 平衡 状 态下 稳 定 工作；而动态稳定是指电力系统受干扰后（包括小干扰和大干 扰）， 在考虑了各种自动控制装置作用的情况下， 长过程的稳定 性问题。励 磁 控制 对 电 力系 统 的 三类 稳 定 的改 善 都 有显 著 的 作用 ，下 面分别讨论励磁控制对各类稳定问题的影响。2 励 磁 控制 对 静 态稳 定 的 影响 ：为简化分析，设发电机工作于单机对无穷大母线系统中。发 电机 F 经升压变电器 SB 及输
12、电线接到受端母线， 由于受端母线为无 穷 大 母线 ， 它 的电 压 幅 值 U 和 相 位 （设 为 零 ）都 保 持 恒定 。图 1-4 表 示 了 系 统 的 接 线 图 及 等 值 电 路 图 。图 1-4单 机对 无 穷 大母 线 系 统接 线 及 等值 电 路 图若忽 略发 电机的凸 极效 应（ 即认 为 X =X ）及回路电阻 ，则 发电 dq机输出的有功功率为：P =（E U/X ）sin 6（ 1-5 ）fqd工式中：E 发 电 机空 载 电 势； U 无 穷 大母 线 电 压；q6 E 和 U 之 间 的相 角 差 ，常 称 功 率角 ；qX 系统总电 抗，为发电 机纵轴同
13、步电抗 X 、变压器电 d工d抗 X 和线 路 电 抗 X 之 和。TT若 发 电机 空 载 电势 E 恒 定 ， 则发 电 机 的有 功 功 率 P 将只 随qf功率角6 变化（ 见图 1-5 ），P 和6 之间的这种正弦关系称为发电f机的内功角特性。Pm图 1-5无自 动 电 压调 节 的 发电 机 功 角特 性 图当 发 电机 的 原 动机 输 入 功率 为 P0 时 ， 发 电机 存 在 着两 个 平 衡的工作点a和b。在a点，若发电机因干扰而偏差平衡点，由 于AP/A 8 0,即角度有偏移A 所产生的功率偏移AP （同A 5同号）会使发电机远离平衡点，故b点是不稳定的。通常将 dP/
14、dt当作电力系统静态稳定的判据，当A P/ A 5 0时，系统是 稳定的， 反之是不稳定的。 对无自动励磁调节器的发电机来说， 在5 90的区段，通常把这一区段称 为人工稳定区。即由于采用了自动励磁调节器而将原来不稳定的 工作区域变为稳定区域，从物理概念上，可以理解：在8 90的 情况下，当干扰使发电机偏离了原工作点，产生了角度偏移A 8 , 一方面按正弦特性A 8会产生一个负的有功增量AP ， ( Af1P =AP /8 | XA 8 )，另一方面，A 8加大使机端电压降低， f1 fE q=c on t自动励磁调节器为使机端电压恒定而加大发电机的励磁电流，使 空载电势Eq产生一个增量A E，A E又使发电机产生一个正的qq有功增量AP ，( A P = 9P/ 9 8 | XA E )，显然若AP |f2f 2f8 =co ntqf 2A P |，因而，由角度偏移A 8引起的总的功率增量A P = A P = f 1 f fA P 0,即 dP /d8 0，系统变稳定了。自动电压调节器按电压偏 f 2 f差调节的放大倍数越大， 发电机维持端电压的能力越强， A Eq越大， A P 也越大， 发电机的稳定极限也就加大。f2p0图 1-6 有自动励
