【正文】 1 技術(shù)講座講稿 勵磁系統(tǒng)與 PSS 2020 年 10 月 2 1. 前言 根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T ～ “同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)”的規(guī)定的定義， 同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)是“提供電機(jī)磁場電流的裝置，包括所有調(diào)節(jié)與控制元件，還有磁場放電或滅磁裝置以及保護(hù)裝置”。勵磁控制系統(tǒng)是包括控制對象的反饋控制系統(tǒng)。勵磁控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有重要的影響。我國國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都對勵磁控制系統(tǒng)提出了具體的要求。這里，就勵磁系統(tǒng)分類、對勵磁控制系統(tǒng)的要求、勵磁 控制系統(tǒng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)系、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等幾個問題和大家一起進(jìn)行討論。 2. 勵磁系統(tǒng)分類 同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)的分類方法有多種。主要的方法有兩種，即按同步電機(jī)勵磁電源的提供方式分類和同步電機(jī)勵磁電壓響應(yīng)速度分類兩種分類方法。 按同步電機(jī)勵磁電源的提供方式不同，同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)可以分為直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)，交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)和靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。 按同步電機(jī)勵磁電壓響應(yīng)速度的不同，同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)可以分為常規(guī)勵磁系統(tǒng)、快速勵磁系統(tǒng)和高起始勵磁系統(tǒng)。 直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng) 由直流發(fā)電 機(jī)（直流勵磁機(jī)）提供勵磁電源的勵磁系統(tǒng)叫直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。它主要由直流勵磁機(jī)和勵磁調(diào)節(jié)器組成。早期的中小容量的同步電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器從發(fā)電機(jī)的PT(電壓互感器 )和 CT（電流互感器）取得電源；較大容量的同步電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器的電源有時經(jīng)勵磁變壓器取自發(fā)電機(jī)端時，此時，勵磁變壓器也是主要組成部分（圖 21）。 同步電機(jī)的勵磁電源是直流勵磁機(jī)的輸出，勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)直流勵磁機(jī)的輸出，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁，滿足電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。 直流勵磁機(jī)主要采用由原動機(jī)拖動與主發(fā)電機(jī)同軸的 拖動方式，少數(shù)（主要是備用勵磁機(jī)）為由異步電動機(jī)非同軸的拖動方式。直流勵磁機(jī)的勵磁方式，主要有它勵、自并勵和自勵加它勵三種方式 。它勵方式的直流勵磁機(jī)的勵磁全部由勵磁調(diào)節(jié)器提供；自并勵方式的直流勵磁機(jī)的勵磁全部由直流勵磁機(jī)本身提供，勵磁調(diào)節(jié)的任務(wù)是通過調(diào)節(jié)與勵磁繞組相串聯(lián)的電阻的大小來實(shí)現(xiàn)的；自勵加它勵方式的直流勵磁機(jī)的勵磁，一部分由勵磁 3 調(diào)節(jié)器提供，一部分由直流勵磁機(jī)本身提供。勵磁調(diào)節(jié)器提供的勵磁安 匝與總勵磁安 匝之比稱為自勵系數(shù)。早期的直流勵磁機(jī)還有采用副勵磁機(jī)做它勵電源的，現(xiàn)在已不再采用了。 由于直流 勵磁機(jī)是與主發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，對于汽輪發(fā)電機(jī)來說，速度較高，受換向器（整流子）的限制，容量不能做得太大。我國生產(chǎn)的、使用直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)的最大容量為 125MW。對于水輪發(fā)電機(jī)來說，速度較低，直流勵磁機(jī)的容量可能做得大一些，我國生產(chǎn)的、使用直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)的最大容量達(dá)到 300MW。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和在電力工業(yè)中的應(yīng)用，直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)，我國新投產(chǎn)的100MW 及以上的發(fā)電機(jī)已不再使用直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)了。 1發(fā)電機(jī)定子 4滅磁電阻 7手 動調(diào)節(jié)電阻 2發(fā)電機(jī)勵磁繞組 5直流勵磁機(jī) 8強(qiáng)勵開關(guān) 3滅磁開關(guān) 6直流勵磁機(jī)勵磁繞組 9自動勵磁調(diào)節(jié)器 圖 21 直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)原理圖 交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng) 由交流發(fā)電機(jī)（交流勵磁機(jī)）提供勵磁電源的勵磁系統(tǒng)叫交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。交流勵磁機(jī)為 50～ 200Hz 的三相交流發(fā)電機(jī)，交流勵磁機(jī)的三相交流電壓經(jīng)三相全波橋式整流裝置整流后變?yōu)橹绷麟妷海蛲桨l(fā)電機(jī)提供勵磁。 交流勵磁機(jī)的拖動方式為由原動機(jī)拖動與主發(fā)電機(jī)同軸的拖動方 式。交流勵磁機(jī)的勵磁方式絕大部分為它勵方式，只有極少數(shù)采用復(fù)勵（有串激繞組）方式。 根據(jù)整流裝置采用的整流元件的不同，交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)可分為交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)和交流勵磁機(jī)可控整流器勵磁系統(tǒng)。 4 交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng) 交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)一般由交流勵磁機(jī)、不可控整流裝置、勵磁調(diào)節(jié)器和交流副勵磁機(jī)等組成（圖 22）。 同步發(fā)電機(jī)的勵磁電源是交流勵磁機(jī)的輸出。不可控整流裝置將交流勵磁機(jī)輸出的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)交流勵磁機(jī)的勵磁電 流和輸出電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁，滿足電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。勵磁調(diào)節(jié)器從同軸副勵磁機(jī)取得電源。副勵磁機(jī)一般為 350～ 500Hz 的中頻永磁交流發(fā)電機(jī)。 有些交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)的勵磁調(diào)節(jié)器，不是從同軸副勵磁機(jī)取得電源，而是通過勵磁變壓器從發(fā)電機(jī)機(jī)端取得電源，此時，勵磁變壓器也是主要組成部分（圖 22虛線所示）。 勵磁調(diào)節(jié)器的電源由同軸副勵磁機(jī)供給時簡稱為三機(jī)系統(tǒng)；勵磁調(diào)節(jié)器的電源通過勵磁變壓器由發(fā)電機(jī)供給時簡稱為兩機(jī)系統(tǒng)。兩機(jī)系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)器的最大輸出電壓與發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓的大小成正 比。 1副勵磁機(jī) 2調(diào)節(jié)器功率單元 3主勵磁機(jī)勵磁繞組 4主勵磁機(jī) 5靜止整流器 6發(fā)電機(jī) 7電壓互感器 8電流互感器 K滅磁開關(guān) R滅磁電阻 圖 22 交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)原理圖 當(dāng)不可控整流裝置為靜止整流裝置時，稱為交流勵磁機(jī)不可控靜止整流器勵磁系統(tǒng)，一般簡稱為交流勵磁機(jī)靜止整流器勵磁系統(tǒng)。此時，交流勵磁機(jī)的勵磁繞組在轉(zhuǎn)子上，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及副勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子同軸同速旋轉(zhuǎn)。交流勵磁機(jī) 的電樞、 不可控整流裝置和勵磁調(diào)節(jié)器都是靜止的。 5 交流勵磁機(jī)靜止整流器勵磁系統(tǒng)中的交流勵磁機(jī)和發(fā)電機(jī)都需要配滑環(huán)、炭刷。又稱為有刷勵磁 (系統(tǒng) )。但是交流機(jī)本身沒有換向問題，因此，其容量不受限制。但是，由于旋轉(zhuǎn)部件較多，勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性也較多。同時，由于軸系長，軸承座較多。容易引起機(jī)組振動超標(biāo)，軸系穩(wěn)定問題應(yīng)引起注意。 當(dāng)不可控整流裝置采用旋轉(zhuǎn)整流器時，稱為交流勵磁機(jī)不可控旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，一般簡稱為交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)。此時，交流勵磁機(jī)的勵磁繞組在定子上，電樞繞組在轉(zhuǎn)子上。勵磁調(diào)節(jié) 器是靜止的，交流勵磁機(jī)的勵磁繞組也是靜止的。交流勵磁機(jī)的電樞繞組、副勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子、不可控整流裝置與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸同速旋轉(zhuǎn)。交流勵磁機(jī)和發(fā)電機(jī)都不需要配滑環(huán)、炭刷，因此，這種勵磁系統(tǒng)又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。 無刷勵磁系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是： 交流勵磁機(jī)和發(fā)電機(jī)都沒有滑環(huán)、炭刷，勵磁容量可以不受限制； 沒有滑環(huán)、炭刷，運(yùn)行維護(hù)方便； 沒有滑環(huán)、炭刷，不會產(chǎn)生火花，可以使用于有易燃、易爆氣體的場合； 沒有滑環(huán)、炭刷，不會產(chǎn)生炭粉和銅末，因而不會導(dǎo)致電機(jī)繞組的絕緣被污染而降低絕緣水平。 三機(jī)系統(tǒng)和兩機(jī)系統(tǒng)都可以是無刷 勵磁系統(tǒng)。 交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)是目前我國電力系統(tǒng)中使用最多的勵磁系統(tǒng)。 交流勵磁機(jī)可控整流器勵磁系統(tǒng) 交流勵磁機(jī)可控整流器勵磁系統(tǒng)由三相可控整流橋、發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器、交流勵磁機(jī)及其自勵恒壓裝置（系統(tǒng)）組成（圖 23）。 同步電機(jī)的勵磁電源是交流勵磁機(jī)的輸出?？煽卣餮b置將交流勵磁機(jī)輸出的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)可控整流器的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)可控整流裝置的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁，滿足電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。 這種勵磁系統(tǒng)也稱為它勵 可控硅勵磁系統(tǒng)。 6 ZLH—交流主勵磁機(jī)自勵恒壓系統(tǒng) KZ可控整流橋 FLQ發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 F發(fā)電機(jī)定子 YH電壓互感器 LH電流互感器 圖 23 交流勵磁機(jī)可控正流器勵磁系統(tǒng)原理圖 在我國使用的交流勵磁機(jī)可控整流器勵磁系統(tǒng)，絕大部分是隨發(fā)電機(jī)一起從俄羅斯和捷克等國家進(jìn)口的。發(fā)電機(jī)容量從 200MW～ 1000MW 不等。國內(nèi)基本沒有正式生產(chǎn)這種勵磁系統(tǒng)。 靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng) 靜止勵磁機(jī)是指從一個或多個靜止電源取得功率，使用靜止整流器向發(fā)電機(jī)提供直流勵磁 電源的勵磁機(jī)。由靜止勵磁機(jī)向同步發(fā)電機(jī)提供勵磁的勵磁系統(tǒng)稱為靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。 靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)分為電勢源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)和復(fù)合源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。 電勢源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)又稱為自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，有時也簡稱為機(jī)端變勵磁系統(tǒng)或靜止勵磁系統(tǒng)。同步電機(jī)的勵磁電源取自同步電機(jī)本身的機(jī)端。它主要由勵磁變壓器、自動勵磁調(diào)節(jié)器、可控整流裝置和起勵裝置組成（圖 24）。勵磁變壓器從機(jī)端取得功率并將電壓降低到所要求的數(shù)值上；可控整流裝置將勵磁變壓器二次交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓；自動勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù) 發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)可控整流器的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)可控整流裝置的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁，滿足電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求；起勵裝置給同步電機(jī)一定數(shù)量（通常為同步電機(jī)空載額定勵磁電流的 10～ 30%）的初始勵磁，以建立整個系統(tǒng)正常工作所需的最低機(jī)端電壓，初始勵磁一旦建立起來，起勵裝置就將自動退出 7 工作。 從廠用電系統(tǒng)取得勵磁電源的可控整流器勵磁系統(tǒng)，當(dāng)其電壓基本穩(wěn)定，與發(fā)電機(jī)端電壓水平基本無關(guān)時，可以看作為它勵可控硅勵磁系統(tǒng)；當(dāng)廠用電系統(tǒng)電壓與發(fā)電機(jī)端電壓水平密切相關(guān)時，看作為自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。 自并勵靜 止勵磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是： 無旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)簡單，軸系短，穩(wěn)定性好； 勵磁變壓器的二次電壓和容量可以根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求而單獨(dú)設(shè)計(jì)。 響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)性能好，有利于提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。 自并勵靜止勵磁系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是，它的電壓調(diào)節(jié)通道容易產(chǎn)生負(fù)阻尼作用，導(dǎo)致電力系統(tǒng)低頻振蕩的發(fā)生，降低了電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。但是，通過引入附加勵磁控制（即采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS） , 完全可以克服這一缺點(diǎn)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的正阻尼作用完全可以超過電壓調(diào)節(jié)通道的負(fù)阻尼作用，從而提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。這點(diǎn) ，已經(jīng)為國內(nèi)外電力系統(tǒng)的實(shí)踐所證明。 美國 GE 公司生產(chǎn)的稱為 GENERREXPSS 的勵磁系統(tǒng)在我國也有應(yīng)用。其接線圖如圖8 所示。這是一個性能上介于自并勵靜止勵磁系統(tǒng)和它勵可控硅勵磁系統(tǒng)之間的勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的勵磁功率由定子繞組槽內(nèi)的三根附加線棒（稱為 P 線棒）提供的。三根 P 線棒分別放置在定子上相互為 120176。 空間幾何角度的三個槽內(nèi)，組成的線圈切割氣隙磁通，產(chǎn)生基頻電勢?；l電勢被接到勵磁變壓器的一次側(cè)。勵磁變壓器的二次電壓接到可控整流裝置，整流后向發(fā)電機(jī)提高勵磁。 復(fù)合源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)又稱為自復(fù)勵靜止勵磁 系統(tǒng)，它采用電壓源整流變壓器和電流源整流變壓器兩種整流變壓器。 復(fù)合源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)主要有三種形式 整流器直流側(cè)兩個電源串聯(lián)、電壓相加； 整流器交流側(cè)兩個電源并聯(lián)、電流相加； 整流器交流側(cè)兩個電源串聯(lián)、電壓相加。 國產(chǎn)水輪發(fā)電機(jī)上曾采用過整流器交流側(cè)兩個電源串聯(lián)、電壓相加的復(fù)合源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)，進(jìn)口水輪發(fā)電機(jī)上曾采用過整流器直流側(cè)兩個電源串聯(lián)、電壓相加的復(fù)合源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)基本上不再采用復(fù)合源靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)了。 8 KZ可控整流橋 FLQ發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 F發(fā)電機(jī)定子 YH電壓互感器 LH電流互感器 LB勵磁變壓器 圖 24 自并勵靜止勵磁系統(tǒng) 按同步電機(jī)勵磁電壓響應(yīng)速度的不同，同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)可以分為常規(guī)勵磁系統(tǒng)、快速勵磁系統(tǒng)和高起始勵磁系統(tǒng)。 常規(guī)勵磁系統(tǒng)是指勵磁機(jī)時間常數(shù)在 左右及大于 的勵磁系統(tǒng)。直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)，無特殊措施的交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)都屬于常規(guī)勵磁系統(tǒng)。 快速勵磁系統(tǒng)是指勵磁機(jī)時間常數(shù)小于 的勵磁系統(tǒng)。交流勵磁機(jī)可控整流器勵磁系統(tǒng)， 靜止勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)都屬于快速勵磁系統(tǒng)。 高起始勵磁系統(tǒng)是指發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓從 100%下降到 80%時，勵磁系統(tǒng)達(dá)到頂值電壓與額定負(fù)載時同步電機(jī)磁場電壓之差的 95%所需時間等于或小于 的勵磁系統(tǒng)。這種勵磁系統(tǒng)主要是指采用了特殊措施的交流勵磁機(jī)不可控整流器勵磁系統(tǒng)。所采用的措施主要為加大副勵磁機(jī)容量和增加發(fā)電機(jī)磁場電壓（或交流勵磁機(jī)勵磁電流）硬負(fù)反饋。直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)在采用相應(yīng)措施后也可達(dá)到或接近高起始勵磁系統(tǒng)。 3. 國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對勵磁系統(tǒng)和勵磁控制系統(tǒng)的基本要求 勵磁系統(tǒng)和 勵磁控制系統(tǒng)的含義不同。勵磁系統(tǒng)是“提供電機(jī)磁場電流的裝置，包括所有調(diào)節(jié)與控制元件，還有磁場放電或滅磁裝置以及保護(hù)裝置”，而勵磁控制系統(tǒng)則是包括所有調(diào)節(jié)與控制元件和控制對象 (同步電機(jī) )的反饋控制系統(tǒng)，不包括那些不參與調(diào)節(jié)與控 9 制的元件如滅磁裝置等。 勵磁系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T ～ “同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)”對勵磁系統(tǒng)的基本性能做出了規(guī)定，主要有 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的勵磁電壓和電流不超過其額定勵磁電壓和電流的 倍時，勵磁系統(tǒng)應(yīng)保證能連續(xù)運(yùn)行。 勵磁頂值電 壓應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)情況與發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的地位確定，但必須： 勵磁系統(tǒng)頂值電壓的倍數(shù)： a. 100MW 及以上汽輪發(fā)電機(jī)不低于 倍； b． 50MW 及以上水輪發(fā)電機(jī)不低