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新闻主题	励磁调节对发电机稳定性的影响

 

摘要：同步发电机中的核心部分是由发电机励磁系统构成的，发电机励磁系统主要的作用是，在运作过程中为同步发电机励磁电源提供一套全面性、优质性的系统服务。通常情况下，发电机励磁系统是由两大核心部分构成。其中的一部分是励磁功率输出部分，其主要的核心作用是，供应直流电流给同步发电机的磁场绕组，从而建立直流磁场；发电机励磁系统的另一部分的主要作用是，为了确保电力系统的安全稳定运行，在正常运作或者是运作过程中发生故障的情况下，能够及时地对励磁电流给予适当的调整。根据上述综合性的分析可知，同步发电机励磁系统对于电力系统的正常运作具有举足轻重的作用。

一、稳定性的定义和分类

 

      电力系统的稳定性划分为静态、动态及暂态稳定性三种方式，其含义如下：

1、静态稳定性（SteadyStateStability）

      此定义是指当电力系统的负载（或电压）发生微小扰动时，系统本身保持稳定传输的能力。这一稳定性定义主要涉及发电机转子功角过大而使发电机同步能力减少的情况。

2、动态稳定性（DynamicStability）

      主要指系统遭受大扰动之后，同步发电机保持和恢复到稳定运行状态的能力。失去动态稳定性的主要形式为发电机之间的功角及其他量产生随时间而增长的振荡，或者由于系统非线性的影响而保持等幅振荡。这一振荡也可能是自发性的，其过程较长。

3、暂态稳定性（TransientStability）

      当系统受到大扰动时，例如各种短路、接地、断线故障以及切断故障线路后系统保持稳定的能力，发生暂态不稳定的过程时间较短，主要发生在事故后发电机转子第一摇摆周期内。

 

二、 励磁控制原理

 

      励磁控制系统对电力系统稳定的影响与同步发电机的特性密切相关，同步发电机结构外形和励磁控制原理分别如图1和图2所示：

图1  康明斯斯坦福发电机实物外形

图2  励磁系统控制原理图

 

       在这个系统中，励磁控制器检测发电机的机端电压UF，并将UF与参考电压UC相比较得电压差( UC- UF)，通过综合放大得出控制电压UK，Uk= K( UC- UF)。由该式不难看出，当发电机的机端电压UF上升，电压差就会降低，这样，经过综合放大后的控制电压UK也会降低，于是，励磁机的励磁电流以及发电机的转子电压都会随之下降，这样，发电机的机端电压UF也随之下降，这样发电机的机端电压上升的扰动就被抵消了。因此，励磁系统具有提高电力系统稳定运行、维持电压水平以及提高同步电机功率极限和电力系统传输功率等功能。除此之外，在这个系统中还可以根据实际需要附加阻尼、模糊神经等辅助控制功能。

 

      励磁控制的主要部分是励磁调节器，其作用在于感受发电机电压的变化，并发出控制命令对励磁功率单元加以控制，励磁功率单元也只有在接收到励磁调节器的控制命令后才会改变其输出的励磁电压。因此，一方面，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机机端电压在给定水平，能合理分配发电机组的无功功率，并且应具备强行励磁功能以迅速反应系统故障，以提高暂态稳定和改善系统运行条件；另一方面，励磁功率单元要有足够的可靠性，并具有足够的调节容量，同时具有足够的励磁电压顶值和电压上升速度。

 

      励磁系统的模型，根据不同的分类可以分为许多种。我国常用的励磁系统模型主要有直流励磁系统、交流励磁系统以及及静止励磁系统(包括自并励和自复励。在电力系统的实际分析中，通常采用简化的实用模型。同时，通用的励磁系统之中附加了快速励磁控制方式，其作用在于能够在系统发生故障时快速捕捉发电机端电压等的变化信号，并对之加以控制，以此来控制发电机转差的摇摆，提高暂态及静态稳定性。为了快速控制发电机端电压，必须提高整个励磁系统的反应速度。因此，有必要提高励磁系统(包括自动电压调节器AVR)的适应性能和励磁系统的峰值电压。

 

三、 励磁系统对电力系统稳定性的影响

 

      在小干扰作用下标志发电机组稳定性水平的主要指标是发电机的电磁功率极限与转子运行角度的极限，当发电机的电磁功率超过最大极限时，微动态定将破坏。对于大扰动作用下的的暂态稳定水平，是在一定输出功率条件下，在同一故障点及同一故障形式下比较短路最大故障允许切除时间。即当输电线路在某一输送功率下，在K点发生某一形式短路，其故障切除时间系统稳定，则称该系统在K点发生这类故障时的最大允许切除时间，显然，切除时间值越大，标志系统的暂态稳定水平越高。

1、励磁系统对电力系统静态稳定性的影响

      当发动机运作过程中，没有任何的励磁调节时，发电机的内电势Eq的值为常数，其静态稳定功率的极限值在此时等于，所对应的功角度数为90°。

      电力系统必须具有在遭受微小扰动后快速恢复到原来的正常运行状态的能力，这就是电力系统的静态稳定。当电力系统发生扰动时，发电机端的电压就会下降，这样，定子电流也相应增加，于是，励磁电流也会随之增加。在这种情况下，如果接入励磁调节器，当发电机电压下降，励磁调节器将使励磁电流增加，其增加量和速度决定与励磁系统增益和时间常数。如果励磁电流增加分量与的衰减分量相抵消，则系统可以达到一个新的静稳定极限。发电机功率特性和调节特性如图3、图4所示。

 

图3  发电机的功率特性曲线图

图4  发电机励磁调节器的调差单元

 

 

2、励磁调节对电力系统动态稳定性的影响

      电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。阻尼问题一直都是励磁控制系统的主要组成部分。它不仅影响到励磁控制系统的安全稳定性，同时对于系统的质量保障也起到一定的影响。

      电力系统的动态稳定性的影响也就是振荡阻尼影响。由于微机自动励磁控制系统的应用，使励磁控制系统中的自动电压调节造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，励磁调节器用在维持发电机电压不变的同时，产生负的阻尼作用。在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而提高。因此提高励磁调节装置的精度和提高系统动态稳定性是矛盾的。当调节不当，或者操作者技术不过关，或者时间把握不佳，也会影响到阻尼情况。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，产生负的阻尼作用。在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。

      解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其它控制信号，是在励磁调节系统中采用其它辅助措施。即使励磁调节装置提供一个正的阻尼，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的。自并励励磁系统中的微机励磁装装置配置附加励磁控制PSS后，由于反应速度快,有利于PSS发挥作用提高动态稳定性。

3、励磁调节对电力系统暂态稳定的影响

      在分析发电机励磁系统对暂态稳定性的影响过程中，本文主要依据功率变化曲线为例，来分析短路故障下的发电机的功率变化特征。此状态下幅值公式表示为

X_∑=X_d+X_T+X_e/2

      电力系统必须具有在遭受短路，发电机切除等大的扰动后过渡或恢复到新的稳定状态的能力，这就是电力系统的暂态稳定。提高电力系统暂态稳定，通常有两种方法，或是提高从故障开始直至故障结束时发电机的电磁力矩，或是减小原动机的机械力矩。其中，增大励磁电流是增加电磁力矩的有效措施。由于不同的系统结构及故障性质以及发电机励磁系统时间常数等因素，发电机恢复的速度也不尽相同。为此，励磁系统必须具备快速响应的能力。因此，励磁系统的时间常数要缩小，同时要提高强行励磁的倍数。

 

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