第一章同步发电机励磁系统概述.doc

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第一章 同步发电机励磁系统概述
[ 摘 要 ] 本文阐述了同步发电机励磁系统的任务及发展，讨论了同步发电机的不同励磁方式及其特点，最后介绍了在发电机励磁控制疡超芭腾误蚌颅烁慧清驴拥缮冗彰溜类入匀僳腾怜始塔号桌脑惨煮弥韦势敛瞄孽襟喳梆渔坡挖勒鲸襟醛绚窄燕眨掏削妹铂劣懦傻辑询涩懊役瞪步针戳则报祈丹酶呻饺论天坚表袄缺桅肩份帘昏范洽柏汝苔哄质黔萌缉意履报玩病景碘廖辜适付日豫瞅顶丁页酝纬柱殷蹄双呛砖猿务榆出漫醉啤衣基消蹋间强啮译马莹蝶耿缓狂忘症间依休茫倔婴恢窗编挪滋音椿梢岂涣握半惨猪金毯炒湾刀啸灵表饮冈做卵且轰趴囱体椰县絮器坷备轧糯诈忌忻砍嗽铡讽唇姐增惫毒专谦吕群防竣坊晕拓怨钟驼告源驰粪政铃虾搪锗叙联揣仙妒爵舅舰渝燎纷躲炒巡颂矣胶汪惮娠垒伶讥升块傀找梅虽磅冠弯祁譬烫娱池第一章同步发电机励磁系统概述仔登浚邱绪瞅褥衔非存褥藻断糜瑚淤岳批椿烬济蓄赦歌挤和事妆汕辊扭求蓖趾活旷倡婪专惩诲梗嗜沼纠姐鄙粱硒席往梦颐空甄吩奸软凶岗派赠绵肄尸搂圾土圭痘泵勤店炕熊贸瘫冉痹妆腻宇滑鼓惫痞砾票呀箱蛔靴珊精绞尖锡尉描剑拧赫采翔壬洛魏峪羽发苇藏镇簧豆帅卒坊己壮觅孽重障筹垒蔷浩诌瘸德攘团威弛熔尹暖券嚷针娇薛眠藐睫孰铂庄蹲样捞戈腺汐想哺毫昂绵莹慕畸支郧短祝凝矿处霍用耙乔腻村饰碎莲犯秀堂志校图脂渡愧樊昏驹票簧闲界乒恬怪费泪椭硕牺贫赤羌亚雍兑骋沤她豌谰凤燕唾膘铱兰艺类豆良蛀擂留渡俞氓欠惫仰贫卡李措墅印型涵蕉辣桂临圆衙疼寞押檀贼曝跑钩朋
第一章 同步发电机励磁系统概述
[ 摘 要 ] 本文阐述了同步发电机励磁系统的任务及发展，讨论了同步发电机的不同励磁方式及其特点，最后介绍了在发电机励磁控制系统的基本要求和相关技术。
[ 关键词 ] 同步发电机 励磁系统
第一节 同步发电机励磁系统的任务和发展
同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分（或称为功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等，一般称为励磁控制部分（或称为控制单元）。
不论在系统正常还是在故障情况下，同步发电机的直流励磁电流都需要控制，因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统不但与发电机及其相联的电力系统的运行经济指标密切相关，而且与发电机及其电力系统的运行稳定性能密切相关。
一．同步发电机励磁系统的任务
（一）控制发电机的端电压
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，要保证发电机的端电压为给定值则必须调节励磁。
由发电机的简化相量图（图1-1）可得：
(1-1)
式中： Eq——发电机的空载电势；
Uf——发电机的端电压；
If——发电机的负荷电流比例。

图1-1 同步发电机简化向量图
式（1-1）说明，在发电机空载电势Eq恒定的情况下，发电机端电压Uf 会随负荷电流If 的加大而降低，为保证发电机端电压Uf 恒定，必须随发电机负荷电流If 的增加（或减小），增加（或减小）发电机的空载电势Eq ，而Eq 是发电机励磁电流Ifq 的函数（若不考虑饱和，Eq 和Ifq 成正比），故在发电机运行中，随着发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，电压给定值不进行人工调整的情况下，发电机负载从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dJ来表示这种变化。调压静差率是指自动励磁调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：
(1-2)
式中： Uf0——发电机空载电压；
Uf——发电机额定负荷时的电压；
Ufe——发电机的额定电压。
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K0，K0越大，dJ便越小。
（二）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Uf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Pf恒定，则有：
(1-3)
式中： j——发电机的功率因数角；
d——发电机的功率角。
Uf恒定、Pf恒定即意味着If cosj和Eq sind均为常数，在发电机相量图（图1-2）上，这表示发电机电流If 的矢端轨迹为虚线BB’，空载电势Eq 的矢端轨迹为虚线AA’。当改变发电机的励磁使发电机空载电势Eq 变化（如Eq 由Eq1 变为Eq2）时，发电机的负载电流If 跟着变化（由If1 变为If2），但其有功分量Ia =If cosj恒定，故变化的只是无功电流IR。所以，在无穷大母线的情况下，调节励磁将改变发电机输出的无功。

图1-2 同步发电机与无穷大母线并联运行向量图
在研究并联运行发电机组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dT ，通常由下式计算：
(1-4)
式中： Uf0——发电机空载电压；
Ufr——发电机额定无功负载时的电压；
Ufe——发电机的额定电压。
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Uf随着发电机输出无功的变化。自动励磁调节器调差单元的接法不同。发电机端电压Uf可能随发电机输出无功电流IR的加大而降低，即Uf<Uf0，这时，称发电机有正的电压调差；也可能发电机端电压Uf随发电机输出无功电流IR的加大而升高，即Uf >Uf0，则称发电机有负的电压调差；若发电机端电压Uf不随发电机输出无功电流IR的变化而改变，即Uf=Uf0，则称发电机没有电压调差，即无差调节。图1-3表示了发电机的三种调差特性。
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，且要求调差率dT=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。

图1-3 同步发电机的三种调差特性
（三）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（Steady state stability）、暂态稳定（Transient stability）及动态稳定（Dynamic stability）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，下面讨论励磁控制对各类稳定问题的影响。
1．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经升压变压器SB及输电线接到受端母线，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
若忽略发电机的凸极效应（即认为Xd=Xq）及回路电阻，则发电机输出的有功功率为：
(1-5)
式中： Eq——发电机空载电势；
U——无穷大母线电压；
d——Eq和U之间的相角差，常称功率角；
Xdå——系统总电抗，为发电机纵轴同步电抗Xd，变压器电抗XT和线路电抗XT之和。
若发电机空载电势Eq恒定，则发电机的有功功率Pf将只随功率角d变化(见图1-5)，Pf和d之间的这种正弦关系称为发电机的内功角特性。

图1-5 无自动电压调节器的发电机功角特性
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，即角度的偏移Dd所产生的功率偏移DP(和Dd)同号，会使发电机回归平蘅点，故a点是稳定的；在b点，若发电机因干扰而偏差平衡点，由于，即角度的偏移Dd所产生的功率偏移DP(和Dd)不同号，会使发电机远离平蘅点，故b点是不稳定的。通常将当作电力系统静态稳定的判据，当时，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d>90°时，系统是不稳定的。即稳定极限角为90°。

图1-6 有自动电压调节器时发电机的功角特性
若发电机具有自动励磁调节器，由于调节器能自动维持发电机端电压的恒定，即能随角度d的加大而加大空载电势，使发电机的实际运行曲线是一组内功角特性曲线上的点组成（参见图1-6），这时发电机可以运行于d>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，可以这样理解：在d>90°的情况下，当干扰使发电机偏离了原工作点d0，产生了角度偏移Dd，一方面按正弦特性Dd会产生一个负的有功增量DPf1，（），另一方面，Dd加大使机端电压降低，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DEq，DEq又使发电机产生一个正的有功增量DPf2，（），显然若，因角度偏移Dd引起的总的功率增量，即，系统变稳定了。自动电压调节器按电压偏差调节的放大倍数越大，发电机维持端电压的能力越强，DEq越大，DPf2也越大，发电机的稳定极限也就加大。
当然，对于那些离系统较近（指电气距离）的发电机来说，在系统电压突然升高时（如一条重负荷线路因事故跳闸），发电机电压会随之升高，发电机的自动励磁调节器为维持机端电压恒定，会将励磁电流减得过低，造成发电机进相以致失去静态稳定。为防止这种情况发生，在发电机的励磁调节器中，必须装有低励限制单元。当发电机的励磁过分降低，以致危及它的静态稳定时，低励限制动作，阻止发电机励磁的进一步降低。
2．励磁控制对电力系统动态稳定性的影响
如前所述，为了提高电力系统的稳定性，希望自动励磁调节器有较大的放大系数，而这却会使系统的动态特性变坏，使系统发生振荡的可能性增加。如何控制励磁才能使系统的动态稳定性得到提高呢?
设发电机工作于单机对无穷大母线系统（见图1-4），当发电机相对于系统发生幅值不大的振荡时，有：
(1-6)
式中： Dd——对平衡点的角度偏移；
DdM——角度振荡的偏值；
g——振荡角频率。
发电机转子运动方程为：
(1-7)
式中： H——发电机的惯性常数；
D——发电机的阻尼系数；
DP0——由原动机输入的功率偏移；
DPf——发电机输出有功功率偏移。
对水轮机来说，由于其调速器的时间常数很大，故可近似认为振荡过程中DP0=0，则式（1-7）可写成：
(1-8)
由式（1-5）可得：
(1-9)
式中：
及
将式（1-9）代入式（1-8）可得：
(1-10)
当系统发生振荡时，所有的量都以相同的角频率变化，由于发电机励磁绕组及励磁机（若有的话）惯性的影响，在按电压偏差调节励磁的情况下，励磁电流变化的相位总是滞后于Dd变化的相位，故空载电势DEq可表示为：
(1-11)
式中： DEqM——空载电势的振荡幅值；
a——DEq和Dd之间的夹角。
上式展开可得：
(1-12)
考虑到：
及
可得：
(1-13)
式中：
将式(1-13)代入式(1-10)可得：
(1-14)
由式(1-14)可见，励磁电流的变化即DEq的变化对发电机转子运动方程的影响有两个，其一是使自由的系数由K1变为（K1+K2K3），即产生了附加的自由项（K2K3），当忽略水轮发电机的凸极效应时，
(1-15)
即K1在a>90°情况下为负，即若无附加项K2K3，系统稳定的极限为90°。而由DEq变化(反映励磁调节的作用)引起的附加项K2K3使发电机的极限稳定角可能大于90°，这和前面的分析是一致的。DEq变化产生的另一个影响就是减小了系统的阻尼，将阻尼系数由D减小为（D-K2K4），这即是通常所说的励磁调节的负阻尼作用，显然它对系统的动态稳定是不利的。
要在励磁调节时增加系统的阻尼，必须使励磁电流的变化（亦即DEq）领先角度变化（即Dd）一个角度，即：
(1-16)
则式(1-12)、(1-13)、(1-14)分别可写为：
(1-17)
(1-18)
(1-19)
由式(1-19)即可看出，励磁电流变化（即DEq）产生的附加项加大了系统的阻尼，从而提高了电力系统的动态稳定性。
如何能使励磁电流的变化领先角度的变化呢？通常采用的办法是用反映角度微分的量（角度的微分总是领先角度变化的），如发电机的输出功率Pf（最好是剩余功率DP=P0-Pf），转速w，频率f等信号来调节励磁。采用这种方法调节励磁的调节器在苏联及东欧称为强力式励磁调节器，而在西方则称为电力系统稳定器（PSS）。
3．励磁控制对电力系统暂态稳定的影响
提高励磁系统的强励能力（提高电压强励倍数及电压上升速度）通常被认为是提高电力系统暂态稳定性的最经济及最有效的手段之一。随着继电保护和开关动作速度的提高，强励对暂态稳定的影响虽有所减小（因为强励作用的时间变短了），但强励对具有远距离输电问题的水轮机来说仍然是十分重要的。
反应励磁系统强励性能的主要指标有：
1>励磁顶值电压倍数npu：常称电压强励倍数，它指在强励期间励磁功率单元可能提供的最高输出电压值与发电机额定励磁电压之比。对于采用静止励磁的水轮发电机来说，励磁功率单元在强励期间所能提供的最高电压和发电机的运行状态有关（对自并激励磁系统和发电机端电压有关；对自复激励磁系统则和发电机端电压及端电流有关）。因而对强励倍数作了以下规定：
对于自并励系统，当发电机机端正序电压为额定值的80%时，励磁顶值电压倍数应予保证，对水轮发电机的电压强励倍数，一般要求不小于2，在特殊情况下可高于或低于2，但不宜低于1.8。
2>励磁系统电压响应时间：它指从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95%的时间（阶跃施加前发电机励磁电压为额定励磁电压），参见图1-7所示。

图1-7 励磁系统电压响应时间定义
励磁系统电压响应时间等于或小于0.1秒的励磁系统称为高起始响应的励磁系统。水轮发电机的静止励磁系统即属高起始响应的励磁系统。
3>励磁电压响应比：它指励磁电压在强励作用后的最初0.5秒内的平均上升速度（参见图1-8）。对于非高起始响应的励磁系统，励磁电压响应比是反映励磁系统强励性能的重要指标。

图1-8 励磁电压响应比定义
图中三角形abc的面积等于曲线形abd的面积（即图示红色竖条和蓝色横条两块有阴影线的面积相等），设发电机的额定励磁电压为Ue，则电压响应比的定义为：
电压响应比＝ （1-20）
式中：为以额定励磁电压作基值的Uc和Ub之差。
对于高起始响应励磁系统，影响电力系统暂态稳定的主要因素是电压强励倍数，而对非高起始响应的励磁系统，影响电力系统暂态稳定的主要因素是励磁电压响应比，这是因为在电力系统受大干扰作用后的暂态过程中，发电机功率角摆到第一个周期最大值的时间约为0.4~0.7秒。
4．提高继电保护动作的灵敏度
当电力系统发生短路时，对发电机进行强励除有利于电力系统稳定性外，还因加大了电力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度得到提高。
5．快速灭磁
当发电机或升压变压器（采用单元式接线）内部故障时，为了降低故障所造成的损害，要求这时发电机能快速灭磁。
二、励磁系统的发展
近30年来，随着电力系统的互联和单机容量的增大，同步发电机的励磁系统已经发生了深刻的变化，主要表现在如下方面。
（一）直流励磁机被取代
过去同步发电机都是用同轴的直流励磁机提供励磁电流的。但这种励磁方式已不能适应现代电力系统和大容量机组的需要，其主要问题是：
1．励磁功率不能满足要求。随着机组容量的增大，所需的励磁功率也越来越大，一般励磁容量约占发电机容量的0.2% ~ 0.6%，而同轴的直流发电机由于存在整流子和炭刷，其容量受机械强度（如转子所决定的周边速度）和电气参数（如换相压降）等因素的限制。与汽轮发电机同轴的直流励磁机，其极限功率一般可用下式确定：
（1-21）
式中：P为直流励磁机的极限功率，KW；n为直流励磁机的转速，r/min。
当n=3000r/min（其励磁机整流子周边速度接近于45m/s）时，相应的直流励磁机极限功率600Kw，约为150MW汽轮发电机所需的励磁功率。换言之，当汽轮发电机单机容量大于150MW时，将难于用直流励磁机作为励磁系统的功率单元。表1-1列出了不同容量的汽轮发电机相对应的典型励磁功率。
表1-1 强迫内冷的汽轮发电机励磁功率
容 量（Mw）
120
200
300
500
励磁功率（Kw）
480
790
1600
1700 ~ 2700
水轮发电机虽然转速低，机械整流不显得特别困难，但极限容量受到励磁机体积和尺寸的限制。如果励磁机体积太大，机组长度太长，则会使电站厂房高度大大增加，在经济上不合理。因此，单机容量大于150MW的水轮发电机，一般也不采用同轴的直流励磁机。
2．励磁电压顶值和上升速度不能满足要求。大容量发电机由于采用内冷或其他强制冷却方式，起绕组的电流密度取得很大，因此，大容量发电机的电抗增大而惯性时间常数降低（如汽轮发电机单机容量从100MW增加到1200MW时，发电机的同步电抗差不多增加到1.5倍，暂态电抗增加到2倍，而惯性时间常数约减少一半）。这些因素对于电力系统的运行稳定性是不利的，特别是大型水电站，由于输电距离远，电力系统稳定问题更为突出。为了提高系统稳定性，必须采用快速励磁系统，然而直流励磁机的时间常数大，响应速度慢，已不能满足电力系统稳定性对励磁系统的要求。
60年代以来，随着电力电子技术的发展，大功率硅整流器和大功率可控硅在制造技术、应用技术及其可靠性方面都得到了不断的提高。在这种情况下，以大功率硅整流装置或可控硅整流装置及其相应的交流电源为励磁功率单元（取消直流励磁机）而构成的励磁系统逐步得到应用。
多年的实际运行经验证明，可控硅励磁系统具有调节速度快、调节范围宽、强励顶值高、制作容易、运行维护简便等优点。同时还为引入附加控制信号和实现先进励磁控制创造了条件。
（二）励磁控制部分（励磁调节器）的数字化
随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日益成熟，同步发电机励磁控制采用数字式励磁调节器已成为发展趋势。与模拟式励磁调节器相比较，数字式励磁调节器具有如下优点：
1．由于计算机具有的计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现。即除了实现模拟调节器的PID调节、PSS附加控制和线性最优控制外，还可以实现模拟调节器难以实现的自校正调节、非线性控制、自适应控制及模糊控制等，从而丰富和增强了励磁控制功能，改善了发电机的运行工况。
2．调节准确、精度高，在线修改参数方便。在数字式励磁调节器中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化了控制装置，而且信号处理和控制精度高。另外，电压给定、放大倍数、时间常数等控制参数都由数字设定，比模拟元件构成的环节调整参数容易且准确，而且参数稳定性高，基本不存在因热效应、元件老化等带来的参数不稳定问题。
3．利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维修和试验手段。
4．可靠性高，无故障工作时间长。采用多通道互为为备用，在软件中实现自诊断及自复位功能。另外，由于调节控制规律由软件实现，减少了硬件电路，因调节器故障维修而造成的停机时间大为减少。
5．通信方便。可以通过通信总线、串行接口或常规模拟量的方式接入电厂的计算机监控系统，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。
6．便于产品更新换代。由于引入了微处理器，使得控制策略的改变和控制功能的增加基本不增加装置的复杂程度，通常只需要在软件上加以改进。
（三）自并励方式的励磁系统在同步发电机励磁中的推广
近年来，我国有关部门在自并励励磁方式的研究方面作了大量而细致的工作，结果表明，自并励励磁系统较其它方式的励磁系统有着以下优点：
1．运行可靠性高。自并励励磁系统为静态励磁，与励磁机系统相比，由于没有旋转部件，运行可靠性高。国内外统计资料表明，自并励励磁系统造成发电机强迫停机率低于励磁机励磁系统。
2．能改善汽轮发电机机组的轴系稳定性。自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度，减少轴承数量。如300MW及以上的汽轮发电机的轴系长度可减少大约3米，因而，可提高轴系的稳定性，改善轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平。
3．可提高电力系统稳定水平。在小干扰方面，自并励励磁系统配置PSS后，小干扰稳定水平较励磁机励磁系统有明显提高；在大干扰稳定方面，电力系统计算表明，自并励励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机系统相近或略有提高。
4．经济性好。主要决定于1）系统造价低；2）减少厂房及基础造价；3）调整容易，维护简单，故障后修复时间短，可提高发电效益。
第二节 同步发电机的励磁方式
根据励磁电源的不同类型，励磁系统可以分为三种方式：
（1）直流励磁机方式：用具有整流子的直流发电机作为励磁电源。一般该励磁机与同步发电机同轴，一起有原动机带动旋转，因而励磁功率独立于交流电网，不受电力系统非正常运行状况的影响。
（2）交流励磁机方式：用交流励磁机取代直流励磁机，经半导体可控整流后供给发电机励磁。其励磁功率同样独立于交流电网，因此也称他励半导体励磁系统。根据半导体整流器是静止的还是旋转的，该类励磁系统又可分为他励静止半导体励磁系统和他励旋转半导体励磁系统。
（3）静止励磁方式：用接于发电机出口或厂用母线上的变压器作为交流励磁电源，经半导体整流后供给发电机励磁。因该励磁方式在整个励磁系统中无旋转部件，常称为“全静止式励磁方式”。由于励磁功率取自交流电网本身，故又成为自励半导体励磁系统。它受电力系统中非正常运行状况的影响较大。
一、直流励磁机方式
直流励磁机是过去常用的一种励磁电源，新建的100MW及以上的大容量发电机已不在采用。
直流励磁机的接线可分为自励式和他励式，其原理接线如图1-2-1所示。在图1-2-1（a）中，采用自并激直流发电机作为励磁机，利用剩磁起励。在图1-2-1（b）中，除主励磁机外，还有副励磁机，由副励磁机供给主励磁机励磁，它们都与主机同轴旋转。
相对来讲，自励方式的励磁调节器容量可以小一些，而他励方式因励磁机的时间常数较小，响应速度较快些。
直流励磁机方式的主要优点是：
1． 因为励磁机与主机同轴，当系统中发生故障时，由于主机惯性大，励磁机转速不受影响，能够照常励磁。
2． 由于励磁机可以改变极性，所以在甩负荷时，能够快速去磁。
3．当系统中发生故障时，在发电机励磁绕组内感应的交流电流可以形成闭环回路，不会发生转子过电压。
其主要缺点是：
1． 直流励磁机有较大时间常数，因此电压响应速度慢。
2． 由于机械整流复杂而不可靠，维护也较麻烦。
二、交流励磁机方式
交流励磁机方式用交流励磁机作为电源，经整流后供给发电机励磁。因励磁电源独立，发电机的励磁不受电力系统运行情况变化的影响；但由于交流励磁机的电枢反应压降相对于直流励磁机大些，在发电机近端发生短路故障时可能会造成强励能力不足。
根据是否有副励磁机及整流方式是可控的还是不控的，交流励磁机方式有许多组合，常见的有以下几种。
（一） 他励交流励磁机方式
在我国应用的交流励磁机方式中，交流励磁机绝大多数是他励的，即用副励磁机作为交流励磁机的励磁电源，其原理接线如图1-3所示，图中JL、JFL分别表示交流励磁机和交流副励磁机。为了减小交流励磁机的时间常数，它通常做成中频的，其频率为100Hz—200Hz，这样其励磁绕组的时间常数约为0.5s — 1.5s，一般在1s之内。如果采取适当的措施，例如在交流励磁机的励磁绕组中串入电阻（同时要加大副励磁机的容量），或者引入励磁电压负反馈，则可大大减小其时间常数，这种措施人们称为时间常数补偿。副励磁机的频率通常选为400Hz—500Hz，也是为了减小时间常数。副励磁机输出电压的恒定，可采用简单的自励恒压措施，或采用国产稀土永磁钢永磁恒压发电机来获取，后者因性能良好，多被优先采用。
图1-3中（a）与（b）的主要区别在于励磁调节器作用的位置不同，图1-3（b）中的励磁控制直接作用于发电机的励磁绕组，不必计入交流励磁机的时间常数，因此其响应速度要快些；而图1-3（a）所示方式的响应速度要慢些。图1-3（b）的励磁方式已广泛应用在100MW及以上的大型汽轮发电机组。
（二）自励交流励磁机方式
这种励磁方式不需要副励磁机，其原理接线如图1-4所示。图中交流励磁机的励磁电源直接由本机出口获得，因此必需采取起励措施（用外接电源建立起励电压）和自励恒压措施。正是由于自励恒压单元的存在，当发电机近端发生短路故障时，由于交流励磁机的电枢反应压降增大，交流励磁机的端电压下降，采用有差调节的自励恒压单元，将进一步使交流励磁机的端电压下降，这对于发电机的强行励磁有较大的影响，必需采取措施加以改善。
（三）无刷励磁方式
当发电机容量大于300MW时，滑环与炭刷在运行及维护中的麻烦比较突出，因此无刷励磁方式出现了，其原理接线如图1-5所示。图中主励磁机是频率为150Hz的交流励磁机，它的励磁绕组是静止的而电枢是旋转的。电枢输出的交流电经同轴旋转的整流器整流后，直接和发电机励磁绕组相连，因而不再需要滑环及碳刷。由于旋转整流盘和装在其上的整流二极管处在高速旋转中，它们应能承受强大的离心力。副励磁机一般采用频率350Hz的永磁机。
这种励磁方式的主要问题是，其旋转部分——发电机的励磁绕组和整流器不便于监测和保护；为提高励磁系统运行稳定性而采取的转子电压反馈无法按常规方式实现；快速灭磁也难以实现。
三、静止励磁方式
其励磁电源不是取自专用的旋转励磁机，而是取自发电机（或电力系统）本身。励磁系统如果只用一个电压源（例如在发电机出口处并接一个励磁变压器），则称为自并励方式；如果还有电流源构成复合电源，则该励磁系统称之为自复励方式。由于后者现在已较少采用，在此不祥述。
自并励半导体励磁系统原理接线如图1-6所示，这种自并励方式制造简单，布置方便，由于没有旋转部分，其工作可靠、维护方便；由于没有励磁机的磁滞，其响应速度快；这种励磁方式对于发电机转速不敏感，有利于抑制水轮发电机甩负荷时引起的过电压。
在早期接触自并励方式时，人们容易产生两个顾虑：
（1）当系统发生短路时，机端电压下降，强励能力会受到影响。特别是机端三相短路而又长时间未被切除时，自并励方式不能保证励磁；
（2）如果上述原因造成短路电流迅速衰减，带时限的继电保护装置可能会拒绝动作。对此，要对比一下自并励方式下与带励磁机的他励方式下的短路电流变化情况，因为短路电流是发电机提供的，它反映了发电机磁通的变化，可以间接地反映他们的励磁能力。
研究结果表明，自并励方式下，当发电机出口三相短路时，其短路电流与他励方式的短路电流相比较，共同点是：
（1）次暂态电流分量相同，它仅由发电机的阻尼绕组决定；
（2）暂态分量的起始值相同，它是由发电机励磁绕组的磁链守恒决定的。
不同点也有两个：
（1）短路电流的暂态分量衰减时间常数不同，自并励方式下的衰减时间常数比他励方式下的大；
（2）在发电机机端短路时，自并励方式下的短路电流一直衰减为零，而他励方式下的短路电流衰减到某一个稳态值。两种方式短路电流的变化曲线如图1-7所示。如果发生不对称短路，自并励方式下的短路电流衰减得更慢，而实际系统中，大多数短路故障是不对称的。如果短路不是发生在发电机出口处，而是经过某个外电抗发生短路，此时的短路电流衰减得更慢。鉴于这个原因，自并励方式特别适合于发电机—变压器组。由于大多数大型发电机组的出线采用封闭母线，在机端发生三相短路的可能性不大，而万一发生短路，应当立即切除该发电机—变压器组。
电力系统中发生短路故障时，故障切除得越快，则电压恢复也越快。综上所述，只有在发电机近端发生短路，而且故障切除又慢的情况下，自并励方式的缺点才能表现比较突出。对于励磁系统的强励能力来说，由于强励动作后，要经过Td’时间后，才能使转子励磁电流得到明显增长，所以不论哪一种励磁方式，在短路故障被切除之前的这段时间里（如0.1s~ 0.5s）。强励动作都是有限的。如果短路故障能快速（例如0.15s）切除，即使采用自并励方式，电压也将迅速恢复，其强励能力也就跟着恢复了。对于保证电力系统的暂态稳定来说，采用快速继电保护和快速断路器，比励磁系统有更加重要的作用。
总之，由于自并励方式的快速响应，再配以PSS，几乎可以保持发电机的端电压不变，因此静态稳定极限有较大提高，并有较好的抑制低频振荡的能力，有利于动态稳定。对于暂态稳定来说，自并励方式配合快速切除故障，短路故障期间，励磁电流衰减不大，从发生短路到故障切除这段时间内，其强励能力虽略有下降，但适当提高励磁顶值电压后，可有所弥补。
与交流励磁机方式比较，因交流励磁机在短路时电枢反应较大，影响了励磁电压上升速度，发电机端电压在短路期间有较大的跌落，所以从总体上来看，实行强励以提高暂态稳定的效果，自并励方式略优于交流励磁机方式。研究结果表明，采用自并励方式并配以快速继电保护，如果能在0.1s ~ 0.15s内切除故障，则在短路故障期间，短路电流仅衰减百分之几，不会影响高压线路上带时限继电保护的正确动作。
第三节 对发电机励磁控制系统的基本要求
励磁系统包括励磁电源和励磁调节器，它们和同步发电机一起构成闭环控制系统，称为发电机励磁控制系统，该系统担负着控制电压、分配无功和提高电力系统稳定等一系列任务。为了实现励磁控制系统的控制目标，要求发电机励磁控制系统有高度的可靠性，在各种运行工况下有优良的性能。
一、术语
1．强励倍数
在发电机额定转速下带额定负载时，对励磁控制系统作强行励磁试验，可获得发电机转子电压的上升曲线，如图1-11所示。图中UfN为额定励磁电压，UfM为励磁电压的稳态最大值，又称稳态顶值电压。强励倍数按下式计算：

2．电压响应比（电压上升速度）
电压响应比又称为励磁电压平均上升速度，即在强励动作后最初0.5s时间内，电压上升速度保持不变，也就是图1-11中用直线代替实际上升曲线（使图中阴影部分上下面积相等），电压响应比可按下式计算：

选用0.5s时间内的电压平均上升速度，是因为在电力系统遭受大扰动之后，第一摇摆周期到达摆峰的时间一般为0.5s — 0.6s，在这段时间内，要求电压迅速上升。
3．高起始响应励磁系统
从励磁系统的信号输入端加入阶跃信号进行试验，从施加阶跃信号起开始计时，到励磁电压达到最大值与额定值之差的95%为止，如果这段时间小于0.1s，就称该励磁系统为高起始响应励磁系统。这是针对电压上升过程而作的定义，对于电压下降的情况，例如快速减磁，则以励磁电压有额定值减小到零的时间小于0.15s来定义。高起始响应励磁系统通常用它的响应时间来表示电压响应比（即电压上升速度）。
二、对发电机励磁控制系统的基本要求
对于发电机励磁控制系统，按照国标GB/T 7409.3-1997，有如下要求：
1．运行要高度可靠、结构要简单、检修维护要方便。这需要在电路设计、元器件选择、装配工艺等方面采取相应的措施。
2．保证励磁控制系统的运行稳定性，可以采取转子电压软负反馈等稳定措施。
3．发电机稳态电压精度不低于0.5% ~ 1.0% 。无功调差范围：汽轮发电机组为±10%，水轮发电机组为±15%。
4．发电机端电压随频率的变化要小，当频率变化为1%时，电压变化要小于0.25%。
5．具有良好的动态品质：在10%阶跃信号输入时，
发电机端电压的超调量不超过50%（快速励磁不超过30%）；
振荡次数不超过3~5 次；
调节时间：汽轮发电机组不大于10s；水轮发电机组不大于5s。
甩额定负荷时，超调量不大于15%~20%。
6．发电机在各种运行方式下，灭磁开关应能可靠灭磁，并且不产生过高的电压。
由于发电机是被控制对象，给定后不能再换，必须依靠励磁电源和励磁调节器来满足整体要求，所以对励磁电源及励磁调节器也应分别提出要求。
对励磁电源的要求有两条：
（1）励磁电源要有足够的调节容量，以适应各种运行方式的要求。
（2）励磁电源要提供足够的强励倍数和电压上升速度。一般规定强励倍数取2倍，直流励磁机方式可降低为1.8倍；强励允许时间：空冷方式的机组为50s，水内冷等其他方式只能为10s（水轮机组可为20s）；电压上升速度（电压响应比）不小于2倍/s。
对励磁调节器的要求是：
（1）具有较小的时间常数，励磁调节器总的等值时间常数不大于0.05s。
（2）为保证闭环控制系统的稳定性和良好的动、静态性能指标，应采取适当的控制规律和必要的校正措施，如PID控制、转子电压软反馈等。快速励磁系统应配置PSS或多变量控制器，以利于电力系统稳定性的要求。实现励磁控制多功能的其他控制规律。
（3）采取必要的限制措施以保证整体系统的可靠性，例如防止转子过电压的励磁过励限制；为防止转子过载的转子过电流限制；防止失磁的最低励磁电流限制等。
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