【文章內容簡介】 求同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的構成如圖 1所示。它由同步發(fā)電機及其電壓互感器（ YH）、電流互感器（ LH）和勵磁系統(tǒng)組成的一個反饋自動控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是向發(fā)電機供給勵磁電流的系統(tǒng)，包括生產發(fā)電機勵磁電流的勵磁功率單元、自動勵磁調節(jié)器、手動調節(jié)部分以及滅磁、保護、監(jiān)視裝置和儀表等。自動勵磁調節(jié)器是根據發(fā)電機電壓和電流的變化以及其它輸入信號，按事先確定的調節(jié)準則控制勵磁功率單元輸出（勵磁）電流的自動裝置。第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求一、同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)的主要任務（一）、同步發(fā)電機的允許運行范圍EqnXdIN UNINUNEqnjINXdIq jIqx第一節(jié)同步發(fā)電機的運行受限條件定子繞組： IN為限 —S 園弧轉子繞組： 勵磁電流為限 —F 園弧原動機出力：額定有功功率 —BC 直線其它約束： 靜穩(wěn)、進相導致漏磁引起溫升 —T 弧第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求在系統(tǒng)正常運行條件下，供給同步發(fā)電機所要求的勵磁功率，對于不同的負載情況，均應能對勵磁電流自動調節(jié)，以維持機端或系統(tǒng)某點電壓在給定的水平。右圖為在 10s時突增一無功負荷 20s時切除時發(fā)電機各參數的變化仿真曲線，可見無功負荷增加時，勵磁系統(tǒng)調節(jié)輸出的勵磁電壓以滿足無功負荷要求，來維持機端電壓保持不變。二、同步發(fā)電機的進相與調相運行進相發(fā)有功，吸收無功輸電線路長、電容大、輕載時電壓升高，需吸收無功 時，發(fā)電機從遲相轉為進相， If越小， 越大靜穩(wěn)態(tài)儲備下降、端部嚴重發(fā)熱、影響出力調相只發(fā)或吸收無功調壓需要水輪機低水位汽輪機處于檢修汽輪機的經濟技術指標很低第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求應能保證并聯運行發(fā)電機組的無功功率得到合理分配，因此對調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)特性應有一定的要求。0機組 1機組 2第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求 如果兩臺并聯運行機組中機組 I具有無差特性，機組并列運行時，其無功功率也可以確定分配，運行也是穩(wěn)定的。系統(tǒng)勵磁裝置調節(jié)的結果，將維持母線電壓 VI,機組 II的特性與VI的相交點，決定了機組 II所帶的無功負荷電流 IQ2,其余的無功則全部由機組 I承擔。當系統(tǒng)無功負荷變動時，母線電壓仍然可以保持恒定值 VI ，機組 II無功負荷保持不變，而全部無功負荷的變動將由機組 I獨自承擔，這容易引起機組 I的過負荷。假如要使機組間的無功負荷重新分配，則可將機組 II的特性位置上移到 II’處，這時所帶無功負荷電流將增加為 I’Q2，而機組 I則承擔其余部分。如果希望改變母線電壓則要將機組 I的特性曲線上下移動。0機組 1機組 II機組 II’第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求 在運行中，假如需要重新分配發(fā)電廠中的無功負荷，可以手動調整某臺自動勵磁調節(jié)器裝置的給定電位器，便能使該機組的特性曲線上下移動。如果母線電壓偏差超過要求，希望只改變電壓整定，而不影響一個發(fā)電廠內各機組間的無功分配時，則需要對各臺機組作同樣的調整。在正常運行及事故情況下，能提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定及動態(tài)穩(wěn)定性。當發(fā)電機裝有無失靈區(qū)的自動調節(jié)勵磁裝置時，電機與系統(tǒng)間的功率角度可大于 90o，即進入人工穩(wěn)定區(qū)運行，輸送的極限功率可以提高。在系統(tǒng)事故情況下，可以實行強勵，從而大大提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性能夠顯著改善電力系統(tǒng)的運行條件。由于水輪機的調速裝置不夠靈敏和迅速，所以水輪機的勵磁裝置應能強行滅磁，以免發(fā)電機甩負荷時因超速而產生危險的過電壓。汽輪機因調速器比較靈敏，不易超速，可不作此項要求。第三節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的主要任務和對它的基本要求二、對同步發(fā)電機自動調節(jié)勵磁裝置的基本要求勵磁系統(tǒng)應能保證發(fā)電機所要求的勵磁容量，并適當留有裕度（電流、電壓各約 10％）。應具有足夠大的強勵頂值電壓倍數及電壓上升速度。這是勵磁裝置兩項主要的技術指標，根據我國技術標準規(guī)定，應滿足表 1所示的要求。根據運行的需要，應有足夠的電壓調節(jié)范圍，裝置的電壓調差率亦應能隨系統(tǒng)要求而改變。系統(tǒng)應沒有失靈區(qū)，以保證電機能在人工穩(wěn)定區(qū)工作，所以裝置只有采用電磁式或電子式才能達到此要求。裝置本身應簡單可靠，動作迅速，調節(jié)過程穩(wěn)定。如果系統(tǒng)調節(jié)不夠穩(wěn)定時，必須采取有效的校正措施。第四節(jié)、同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)同步發(fā)電機 勵磁系統(tǒng)勵磁功率單元 自動勵磁調節(jié)器交流電源勵磁 直流電源勵磁機電式勵磁調節(jié)器 半導體勵磁調節(jié)器 計算機勵磁調節(jié)器交流電源 整流電路 它勵 自勵靜止 旋轉第四節(jié)、同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)第四節(jié)、同步發(fā)電機的勵磁自動控制系統(tǒng)第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理基本結構 隨著自動化技術的進步，勵磁調節(jié)器經歷了電磁式、模擬半導體式和數字式等幾個發(fā)展階段。目前，電力系統(tǒng)中運行的勵磁調節(jié)器種類很多、類型各異，但就控制規(guī)律而言，絕大多數屬于比例式調節(jié)器，而且各種不同類型的比例式調節(jié)器的基本構成也基本相同。圖中的輔助控制不是勵磁調節(jié)器的必備單元，只有大容量發(fā)電機的勵磁調節(jié)器才配備。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理工作原理正常狀態(tài)下系統(tǒng)工作在某個穩(wěn)定的工作點。當 UG升高時，經過調差、測量環(huán)節(jié)的輸出 UC升高，測量比較單元輸出一個負的偏差電壓，將使 ILL變小從而使 IL變小，這樣可以降低UG；當 UG降低時，經過調差、測量環(huán)節(jié)的輸出 UC降低，測量比較單元輸出一個正的偏差電壓，將使 ILL變大從而使 IL變大，這樣可以升高 UG；達到維持機端電壓基本不變的目的 第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 電壓測量比較單元電壓測量比較單元的基本作用是把發(fā)電機電壓變換為與其成正比的直流電壓，與給定電壓進行比較，得到兩者的偏差。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 電路結構正序電壓濾過器的作用是在電力系統(tǒng)的三相電壓不平衡時，輸出一個對稱的反映電壓水平的正序電壓，以提高測量單元的靈敏度。它并不是測量比較單元必須設置的環(huán)節(jié)。測量變壓器的作用是將從電壓互感器二次側來的電壓降低為適合于整流電路所需要的值。整流濾波的作用是將測量變壓器的副邊輸出的電壓變換成平穩(wěn)的直流電壓。 UC與 U’g成正比。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 比較整定電路比較整定電路的作用：（ 1）把測量輸出的電壓 UC與給定電壓 Ugd相比較，輸出一個表征發(fā)電機電壓與其給定值偏差的直流電壓 Ub；（ 2）通過調節(jié)發(fā)電機電壓的給定值Ugd去調節(jié) Ub的大小，進而調節(jié)發(fā)電機端電壓或無功功率，可以就地手動調節(jié)，也可以遠方手動調節(jié)或通過自動裝置調節(jié)。下圖是半導體勵磁調節(jié)器中常用的一種比較整定電路，其中穩(wěn)壓管和電阻組成比較電路，電位器的作用是整定發(fā)電機機端電壓。電路中 R1＝ R2，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓相等。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 發(fā)電機電壓整定的原理發(fā)電機電壓整定是通過調整電位器 W 阻值 RW 實現的。設發(fā)電機運行在電壓 UG。與之對應，比較電路輸出電壓 Ub＝ 0。如果這時調整 W ，使其阻值 RW 增加，則 RW 上的電壓降就會增加。由于改變 W 的阻值是在很短的時間內完成的，在調整 W的阻值時發(fā)電機電壓是不變的， UC不會變化。這樣， RW 增加的結果會使 Uab↓→Ub↓ 。 Ub下降會引起勵磁調節(jié)器各單元的動作，從而使發(fā)電機電壓 UG上升→UC↑→Uab↑→Ub↑ 。當上升到 Ub≈0時，調節(jié)過程停止，發(fā)電機進入新的穩(wěn)定點運行?？梢?，當增加 W 的電阻值的結果使發(fā)電機電壓升高。當減少 W 的阻值時，調節(jié)過程與W 的阻值增加相反，可以使發(fā)電機電壓下降。這就是發(fā)電機電壓整定的原理。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 綜合放大單元 綜合放大單元的作用大各種勵磁控制信號。這些信號包括發(fā) 電機電壓偏差信號、電力系統(tǒng)穩(wěn)定信號以及低勵限制和過勵限制信號等。改善勵磁自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標。輸出移相單元所需的輸入電壓。 對綜合放大單元的基本要求要求能線性無關地綜合、放大各輸入信號。 有足夠地運算精度和放大系數，放大系數可調。 響應速度快，即時間常數要小 工作穩(wěn)定、輸出阻抗低。 輸出電壓范圍滿足移相觸發(fā)單元地要求。第五節(jié)、比例式勵磁自動控制系統(tǒng)的基本原理 可控硅整流電路 可控硅整流電路的作用可控硅整流電路的作用是將交流電壓整流成直流電壓向發(fā)電機勵磁繞組或勵磁機勵磁繞組供給可控制的勵磁電流。勵磁調節(jié)器中使用的可控硅整流電路有三相半控式整流電路和三相全控式整流電路兩種。勵磁系統(tǒng)中還使用三相不可控整流電路，這種電路通常用于供給大型發(fā)電機勵磁電流。第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性是指在沒有人工參與調節(jié)的情況下，發(fā)電機機端電壓與發(fā)電機電流的無功分量之間的靜態(tài)特性。此特性通常稱為發(fā)電機外特性或電壓調節(jié)特性，也稱為電壓調差特性。發(fā)電機機端電壓調差率的定義：在自動勵磁調節(jié)器的調差單元投入、電壓給定值固定、發(fā)電機功率因數為零的情況下，發(fā)電機無功負荷從零變化到額定值時，用發(fā)電機額定電壓的百分數表示的發(fā)電機機端電壓變化率。其計算公式為式中 UG1—— 發(fā)電機空載電壓， V； UG2—— 發(fā)電機帶額定無功負荷時的電壓， V； UGe—— 發(fā)電機額定電壓， V。 第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 其中 δT(%) 稱為發(fā)電機端電壓調差率或者調差系數，同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)靜態(tài)工作特性的三種類型：調差系數大于零稱為正調差，表示發(fā)電機機端電壓隨無功電流的增大而下降；調差系數小于零稱為負調差，表示發(fā)電機機端電壓隨無功電流的增大而上升； 調差系數等于零是稱為無差特性，表示發(fā)電機機端電壓不隨無功電流變化，而保持恒定值。第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性勵磁調節(jié)器的調差單元調差單元的接線可分為單相、兩相和三相三種方式。下圖所示為兩相式調差單元，以其為例分析調差單元的基本工作原理。由圖可得下式：第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性當發(fā)電機帶純無功負荷，即cosΨ =0o， Ψ=90 o時，按上式作出的相量圖如圖所示。由圖看出，在 cosΨ =0o 時。勵磁調節(jié)器中增加調差單元之后，輸入勵磁調節(jié)器測量比較單元的電壓 U’a、 U’b和 U’c會隨發(fā)電機電流的增加而增加。按照勵磁系統(tǒng)的工作特性，當U’a、 U’b和 U’c 增加時勵磁系統(tǒng)會自動地減少發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓下降。于是就形成了下斜的發(fā)電機電壓調節(jié)特性。第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 當發(fā)電機帶純無功負荷，即 cosΨ =0o， Ψ=90 o時時，按上式作出的相量圖如圖 b所示。由圖 b看出，在 cosΨ =0o時。勵磁調節(jié)器中增加調差單元之后，輸入勵磁調節(jié)器測量比較單元的電壓 U’a、 U’b和 U’c 基本上不隨發(fā)電機電流的增加而變化，只是將原來由 Ua、 Ub和 Uc組成的電壓三角形以 Ub為圓心逆時針轉動了一個不大的角度。這樣，按照勵磁系統(tǒng)的工作特性，發(fā)電機的勵磁電流和機端電壓將不隨發(fā)電機有功電流的變化而變化。綜合圖 a和圖 b可看出，勵磁調節(jié)器的調差單元只反映發(fā)電機無功功率的變化而基本不反映有功功率的變化。第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性二、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)特性 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性是指在外界干擾信號作用下，該系統(tǒng)從一個穩(wěn)定工作狀態(tài)變化到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的時間響應特性。 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)是一個反饋自動控制系統(tǒng)。一個自動控制系統(tǒng)首先應該是穩(wěn)定的，這是該系統(tǒng)能夠運行的前提；其次應該既有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性。分析同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，首先應求出描述系統(tǒng)運動特性的數學模型，然后應用 “自動控制理論 ”對動態(tài)特性進行分析。下面就以某勵磁系統(tǒng)為例利用MATLAB對勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真分析。第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)的傳遞函數： 經過分析，將各個單元的傳遞函數聯接起來，就得出 300MW 水輪發(fā)電機自并勵可控硅勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數框圖。第六節(jié)、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 對上述傳遞函數框圖模型可以應用 MATLAB進行仿真分析，可以考察各個參數對控制系統(tǒng)的影響。 將各個環(huán)節(jié)的傳遞函數簡化后可以寫出其整個控制系統(tǒng)的簡化傳遞函數，以課本內容為例進行仿真分析。其分析方