第五章
同步发电机的自动励磁调节
第三节 自动励磁调节装置工作原理
第三节 自动励磁调节装置工作原理
• 励磁调节器根据发电机的机端电压、负荷等变化情 况，调节可控硅的控制角α的大小，从而对发电机的 励磁电流进行自动调节。
一、自动励磁调节装置的构成环节
(一)励磁调节装置基本工作环节 • 励磁调节装置简化框图
(一)励磁调节装置基本工作环节
1. 测量比较环节 • 正常运行时，计算机自动检测增磁、减磁控制信号， 并根据增磁、减磁的控制命令修改电压给定值US。 • 测量比较环节测量机端电压UG，并转变为相应的直流 电压，然后与电压给定值US进行比较，得到机端电压 与其给定值的偏差信号ΔU。
(一)励磁调节装置基本工作环节
• 1. 测量比较环节 • 该环节是整个装置的测量环节，为了提高测量精度 和调节速度，要求输出的偏差电压能线性反映机端 电压的变化，灵敏度高，且输出直流偏差电压平稳， 纹波系数小，电路的时间常数小，响应快。
(一)励磁调节装置基本工作环节
2．综合放大环节 • 将电压偏差与其他辅助信号进行综合、放大，以 提高装置的灵敏度，适应不同运行工况的要求。
(一)励磁调节装置基本工作环节
3．移相触发单元 • 利用综合放大单元输出的控制电压信号，改变触发 脉冲的控制角α，对发电机的励磁电流进行调节。
(一)励磁调节装置基本工作环节
4．同步信号 • 保证触发脉冲与相应的交流电源电压保持同步。
一、自动励磁调节装置的构成环节
（二）自动励磁调节装置功能框图 • 调差环节 • 根据调差系数，自动调节发电机输出的无功电流， 保证并列运行机组间无功功率合理分配。
一、自动励磁调节装置的构成环节
• 励磁调节装置将采样及计算得到的机组参数值， 与调节装置预先整定的限制保护值相比较，分析 发电机组的工况，限制发电机组运行在正常安全 的范围内，保证发电机组安全可靠运行。
（三）自动励磁调节装置典型硬件结构
二、自动励磁调节装置各环节的工作原理
（一）、模拟量测量
• 机端电压，用作发电机机端电压稳定调节的反馈。
• 母线电压，在发电机起励建压时为发电机电压跟踪 系统电压提供跟踪目标值； • 励磁电流，用作励磁电流稳定调节的反馈和过励磁 限制等。
• 有功功率，是电力系统稳定器及最优励磁控制器的 主要状态量之一。
• 无功功率 ，是无功功率稳定调节和实现无功调差 所必需的。
二、自动励磁调节装置各环节的工作原理
（二）开关状态量的检测 1）发电机出口主断路器QF的状态 • QF的状态直接影响励磁调节装置的控制输出。例如：
• 在发电机单机运行时，禁止使用恒Q运行方式；
• 欠励限制、无功过载限制和电力系统稳定器等功能仅在并网 状态下执行； • 最大励磁电流瞬时限制的整定值在并网状态为2倍额定励磁 电流，而在单机状态通常取0．5～0．7倍额定励磁电流； • 灭磁仅在单机状态允许执行； • 发电机电压允许调节范围在单机运行时较大，而并网运行时 较小等。
二、自动励磁调节装置各环节的工作原理
（二）开关状态量的检测 • 2）发电机保护出口信号和灭磁开关状态信号 • 保护出口继电器KOM的接点信号，主要用作保护 动作时，控制励磁控制器配合进行逆变灭磁，同 时和灭磁开关FMK的辅助触点一起，用作触发励 磁控制器的事故记录。 • 3）功率单元局部故障信号 • 功率单元局部故障信号包括：快熔熔断、冷却风 机停风、硅元件温度过高等，作为限制功率单元 最大出力的依据。
二、自动励磁调节装置各环节的工作原理
• （二）开关状态量的检测 • 4）发电机开、停机信号 • 用作起励与灭磁控制的辅助控制信号，其中停机信号如在 并网状态有效时，可作为自动减无功负荷到零的命令。 • 5）增/减磁信号 • 增/减磁信号：在发电机单机运行时，用作升/降发电机机 端电压；并网运行时，用作增/减无功负荷。 • 6）运行方式转换信号
• 用来选择发电机运行方式：恒压（UG）运行方式。恒励磁 电流（Ifd）运行方式、恒无功（Q）运行方式。
二、自动励磁调节装置各环节的工作原理 （三）调差环节工作原理
• 调差环节用来获得所需的调差系数，保证并列运 行机组间无功功率合理分配。
（三）调差环节工作原理
1．发电机的外特性
EG U G I QG X d
• 单机运行的发电机，当励磁电流 不变时，无功负荷的变化是造成 机端电压偏离感应电动势的主要 原因； • 机端电压与无功电流的关系曲线， 称为发电机的外特性。
EG U G I QG X d
（三）调差环节工作原理
• 1．发电机的外特性
• 当发电机的无功电流增大时， 若励磁电流维持不变，则相应 机端电压下降； • 如果要维持机端电压不变，则 应增加励磁电流，使外特性曲 线向上平移。 • 无功电流减小时，为要保持机 端电压在额定电压下运行，励 磁电流应减小，即外特性曲线 下移。
EG U G I QG X d
（三）、调差环节工作原理
2、调差系数的概念 发电机无功调节特性随无功负荷的增加下倾的程度可以用 调差系数来表示。调差系数的定义为 ：
U G0 U G2 Ku U G 0 U G 2 U G U GN
U GN －发电机额定电压
U G0 －发电机空载电压（无功电流为零） U G 2－发电机带额定无功负荷时的电压
（三）、调差环节工作原理
• 2、调差系数的概念
• 调差系数可理解为发电机无功功 率从零增加到额定值时机端电压 的相对下降值。
• 可见，调差系数越小，无功负荷 变化时发电机端电压变化越小； • 调差系数表征了励磁调节系统维 持发电机端电压的能力。 • 无功调节特性也称为调差特性。
（三）、调差环节工作原理
3、调差环节的作用
• K u >0为正调差系数，其 调差特性下倾，即发电机 端电压随无功电流增大而 降低； • 正调差特性主要用来稳定 并联运行机组间无功电流 的分配，所以正调差环节 也称为电流稳定环节。
（三）、调差环节工作原理
3、调差环节的作用
• K u <0为负调差系数，其 调差特性上翘，发电机端 电压随无功电流增大而升 高； • 负调差特性主要用来补偿 变压器或线路的压降，维 持高压侧并列点的电压水 平，所以负调差环节也称 为电流补偿环节。
（三）、调差环节工作原理
3、调差环节的作用
•
K u ＝0为无差特性，调
差特性呈水平，这时发电 机端电压为恒定值。 • 由于同步发电机在电网中 运行情况各异，对无功调 节提出了不同的要求，因 此在励磁调节装置中设置 了调差环节，用来获得所 需的调差系数。
（四）并联运行机组间无功功率的分配 1.具有自动调节励磁装置发电机外特性的移动 • 发电机外特性曲线的上、下平移，可通过改变 给定电压Uset实现。 Uset增大时，发电机 外特性向上移动； Uset减小时，发电机 外特性向下移动。 这种外特性曲线的移 动，不会对调差系数 产生影响。
（四）并联运行机组间无功功率的分配 2.发电机无功功率的转移 • 发电机与无限大容量系 统并联运行时，发电机 端电压不随负荷变化， 是一个恒定值。 • 调节励磁电流时，发电 机的无功电流做灵敏变 化。因此，通过励磁电 流的调节，可控制发电 机发出的无功功率，使 并列运行机组间的无功 功率合理分配。
（四）并联运行机组间无功功率的分配 2、发电机无功功率的 转移 • 发电机投入或退出运 行时，利用平移发电 机外特性的方法可以 避免对系统产生无功 功率的冲击。
（四）并联运行机组间无功功率的分配
• 3、并联运行机组间无 功功率的分配 • 并联运行机组间无功功 率的分配与各机组的调 差特性密切相关。 • 两机组并列母线电压保 持一致
3、并联运行机组间无功功率的分配
1）一台无差特性的机组与有 差特性机组的并联运行 • 一台无差特性的发电机可 以和一台或多台正调差特 性的机组在同一母线上并 联运行； • 因无差特性发电机组将承 担所有无功功率的变化量， 无功功率的分配不合理， 实际中很少采用； • 两台及以上无差特性的机 组是不能在同一母线上并 联运行。
3、并联运行机组间无功功率的分配
2）一台负调差特性机组 和一台正调差特性机 组并联运行 • 当系统中无功负荷变 化时，无功功率在两 机组间发生摆动，不 能稳定分配； • 因此不允许负调差特 性机组直接参与并联 运行。
3、并联运行机组间无功功率的分配
3）两台正调差特性的发电 机并联运行 • 可以并联运行； • 无功负荷分配与调差系数 成反比 ； • 无功增量分配也与调差系 数成反比 ； • 要求在公共母线上并联运 行的发电机具有相同的调 差系数，以保证各发电机 组间的无功负荷及其增量 按机组容量分配。
4、发电机经升压变压器后并联运行
4、发电机经升压变压器后并联运行
增大负的调差系数，其 大小正好补偿变压器 阻抗上的压降，这样 调节器可以维持高压 母线电压基本恒定不 变，这对提高电力系 统稳定是十分有利的。
U G1 U I r1 X T1 U G2 U I r2 X T2
（二）、调差环节工作原理
• 不同调差系数的应用：
– 国家标准规定励磁控制器的调差系数可调范围为 ±10％。 – 电力系统运行要求机组并列点的调差系数应整定为 正3％～5％ 。 – 对机端直接并联运行的机组，使用正调差系数，整 定为正3％～5％。 – 对单元接线机组，并联点在升压变压器高压侧，为 补偿升压变压器的电压降落，应使用负调差系数， 整定为－3％左右。
（五）、电压测量比较
在励磁调节装置中采用 的调差公式：
U G＝U G－K u I Q.G
将输出电压与给定电压 进行比较，可得到测量 比较输出的偏差电压
U＝U set U G
（六）、PID控制
对电压偏差信号，进行比例、积分、微分运算 （PID计算），输出控制信号电压。 • 比例调节可以减小控制系统惯性时间常数； • 积分调节可以消除稳态误差； • 微分调节可以提高控制系统的稳定性。