同步發電機勵磁控制系統分析

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摘要：發電機勵磁體系是供給同步發電機勵磁電流的電源和別的附加控制設備的統稱。它通常由勵磁功率單元與勵磁調節器2大部分組成，而勵磁調節器是依據控制需求的輸入信號與給定的調節原則控制勵磁功率單元輸出的裝置。同步發電機勵磁體系是電力系統控制的關鍵構成部分，它除了保持發電機端電壓的恒定與實施無功功率分配外，還一定要確保電力系統的靜態、暫態與動態穩定性。

關鍵詞：勵磁系統；繼電保護裝置

1.同步發電機勵磁系統概述

由勵磁調節器、勵磁功率單元、滅磁過電壓保護與發電機自身共同構成的整個體系稱為同步發電機勵磁系統。控制發電機端電壓與無功功率的關鍵構成部分就是同步發電機勵磁系統，關鍵的實時持續控制系統，對保持電力系統固定性起重要作用，正常運行時，發電機的勵磁電流自動調節，使發電機穩定運行。同步發電機勵磁體系控制部分在構造上關鍵由功率整流單元、調節器裝置與滅磁過電壓保護裝置，共3大部分所構成。勵磁功率整流單元向同步發電機轉子供應勵磁電流；而勵磁調節器則運用智能控制辦法依據輸入信號與給定的調節原則掌控勵磁功率單元的輸出，滅磁過電壓保護裝置可以避免體系形成過電壓與迅速滅磁。勵磁系統的自動勵磁調節器對提升電力系統并聯機組的穩定性具備比較大的功能。特別是現代電力體系的發展造成極限降低機組穩定的趨勢，也推動勵磁技術持續發展。

2.同步發電機勵磁系統的任務

2.1控制發電機的端電壓

電力系統調壓的關鍵方法之一就是保持發電機的端電壓等于給定值，在負荷轉變的狀況下，要確保發電機的端電壓為給定值則一定要調節勵磁。

由發電機的簡單化相量圖（圖1-1）可得：

（1-1）

式中：Eq——發電機電勢的空載；

Uf——發電機的端電壓；

If——發電機的比例負荷電流。

式（1-1）說明，在發電機空載電勢Eq恒定的狀況下，會隨負荷電流If 的加大而降低的是發電機端電壓Uf，為確保發電機端電壓Uf 恒定，一定要隨發電機負荷電流If 的增加（或減小），讓發電機電勢的空載Eq增加（或減小），而發電機勵磁電流Ifq 的函數（如果不思考飽和，成正比的Eq與Ifq）是Eq，所以在運行發電機中，隨著發電機變化的負荷電流，一定要調節勵磁電流來讓發電機端電壓恒定。

2.2控制無功功率的分配

當并聯于電力系統運行的發電機時，它輸出的有功確定于從原動機輸入的功率，而與勵磁電流相關的是發電機輸出的無功。設發電機從原動機輸入的機械功率不變，就是發電機輸出的有功功率Pf恒定，則有：

式中： ——發電機因數角的功率；

——發電機的功率角。

恒定Uf、恒定Pf就是意味著If cos與Eq sin都是常數，在發電機相量圖（圖1-2）上，這表示發電機電流If 為虛線BB’的矢端軌跡，空載電勢Eq 為虛線AA’的矢端軌跡。當轉變發電機的勵磁讓發電機空載電勢Eq 改變（像Eq 從Eq1 變成Eq2）時，發電機跟著改變（由If1變成If2）的負載電流If，但其有功分量Ia =If cos恒定，所以改變的只是無功電流IR。因此，在無窮大母線的狀況下，將改變發電機輸出無功的是調節勵磁。

2.3提升同步發電機并聯運行的穩定性

一般把電力體系的穩定性問題分為3類，就是靜態穩定、暫態穩定和動態穩定問題。所謂靜態穩定是指電力體系在受到小干擾功能時的穩定性，就是受到小干擾功能后復原到原平衡狀態的能力；暫態穩定是指電力體系在受到大干擾功能時的穩定性，就是在大干擾功能后體系可不可以在新的平衡狀態下穩定工作；而動態穩定是指受干擾的后的電力系統，在思考了各類自動控制裝置功能的狀況下，長經過的穩定性問題。

3.同步發電機勵磁系統的形式

3.1.直流發電機供電的勵磁方式

這種勵磁方式的發電機具備專用的直流發電機，稱為直流勵磁機，勵磁機通常和發電機同軸，發電機的勵磁繞組經過裝在大軸上的滑環和固定電刷從勵磁機得到直流電流。這種勵磁形式具備勵磁電流單獨，工作相對可靠與把自用電消耗量減少等優勢，是以前幾十年間發電機關鍵的勵磁方式，具備相對成熟的運行經驗。不足是勵磁相對慢的調節速度，維護工作量大，所以在10MW以上的機組中非常少使用。

3.2.交流勵磁機供電的勵磁方式

在發電機大軸上也裝交流勵磁機，它輸出的交流電流通過整流后供給發電機轉子勵磁，這時，發電機的勵磁形式屬他勵磁方式，又因為使用靜止的整流裝置，所以又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機供應勵磁電流。為了把勵磁調節速度提升，交流勵磁機一般使用100-200HZ的中頻發電機，使用400-500HZ的中頻發電機的是交流副勵磁機。這種發電機的直流勵磁繞組與三相交流繞組都繞在定子槽內，轉子只有齒和槽而沒有繞組，像個齒輪，所以，電刷是它沒有的，滑環等轉動接觸部件，具備工作可靠，簡單結構，制造工藝方便等優勢。

3.3.無勵磁機的勵磁方式

勵磁機不設置專門的，從發電機自身得到勵磁電源，通過整流后再供給發電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁能分為自并勵與自復勵2種形式。自并勵方式具備構造簡單，少設備，投資省與維護工作量少等優勢。自復勵磁方式具備2種勵磁電源，經過整流變壓器得到的電壓電源與經過串聯變壓器得到的電流源。

結語

因為這些年來電網的快速發展、日益擴大的電網規模對電力系統的安全穩定提出了更高的要求，同步發電機勵磁控制體系的運行質量在非常大程度上直接關系到整個電力體系運行的穩定性和可靠性。保證勵磁控制的有效性也正是保證電力系統運行穩定性的重點所在，值得引起普遍關注和重視。

參考文獻：

[1]石訪，王杰.偽廣義哈密頓理論及其在多機電力系統非線性勵磁控制中的應用[J].中國電機工程學報，2011，31（19）：67-74.

[2]GB/T7409.3-2007，同步電機勵磁系統[S]