科技前沿 科技风２０１６年５月 发电机励磁系统稳定性分析和控制研究 马明锐 广州粤能电力科技开发有限公司广东广州５１００８０ 摘要：随着社会的高速发展，在各个领域呈现出一派繁荣景象，特别是在科技化创新战略的引导下，越来越多的产业向着科学 化、信息化的发展目标转移，作为时代标志的电力事业自然也是成绩显著，特别是在电力供应性能上，展开了对励磁系统的开发与 研究，只有将励磁系统研究的更加深入透彻，才会使得励磁系统在电力系统中真正起到辅助性作用，成为电力运行的基本保障。 关键词：发电机；励磁系统；稳定性；控制 一、发电机励磁系统概述 磁系统稳定性进行分析是远不够的，这其中还欠缺了恒无功和 为此，为了更好的对励磁系 说到电力系统，大家都耳熟能详，可以说电力始终是时代不 恒功率因素对励磁系统产生的干扰，选用两种励磁方式作为参考，如图１所示。 可或缺的基本保障之一，而且随着社会的不断发展，大家对电力 统稳定性进行分析，的依赖性就愈加强烈，但是谈及励磁系统，在大多数人看来还很 陌生，这样就对电力事业进一步的发展形成阻力，而且也不利于 励磁系统的开拓与完善，只有深入了解和认识励磁系统，才能更 好的促进和推动励磁系统在电力运行中的发展和研究。 （一）发电机励磁系统简介 发电机励磁系统是指在同步发电机的条件下，为两台发电 机提供电源以及相关的附属设备统称为励磁系统。励磁系统主 要由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，励磁功率单元是 给转子绕组提供励磁电源供给，励磁调节器则是对励磁功率单 元实行控制的输出装置。 在日常生活中，常见的励磁方式有：直流发电机、交流励磁 机以及无励磁机三种，其中利用直流发电机达到励磁效果的应 用方式比较明显。 （二）发电机励磁系统的作用 励磁系统在生产生活中，主要是作为电气控制装置为企业 服务。励磁系统是电站设备中不可或缺重要组成部分之一，通过 励磁机、励磁变压器等各元件间的相互配合、协调，维持同步发 电机端电压在同一水平上，与此同时，对励磁电流进行适当的调 节，进而实现整个电力系统得到平稳供应，另外，对于采用励磁 变压器作为励磁电源的还具有整流功能，使整个发电机体的电 流保持在一个波动幅度内，由此保证了电流输送的稳定。 二、对于发电机励磁系统稳定性分析 对于发电机励磁系统来说，要想验证系统能否真正发挥作 用，主要还要看其稳定性能，励磁系统的稳定性能越强，就代表 其调控能力越强，从而对电力系统的保障性就越高，所以，只有 保证了励磁系统的稳定性，才能使电力系统更加平稳的运行。 （一）励磁系统稳定性分析模型的构建 为了对励磁稳定性进行更加直观、透彻的分析，采用建立数 据模型的方式对励磁系统稳定性展开研究，模型主要是以单片 机无穷大作为理论基础，利用线性模型Ｈｅｆｆｒｏｎ—Ｐｈｉｌｉｐｓ对发电 机及其控制系统进行叙述，此外，同步发电机则是通过计及凸极 效应和励磁回路动态相结合的方式，建立了三阶实用模型，在保 证机械功率不变的状态下，分别对转速偏差△ 、转子角偏差 、 ｑ轴暂态电动势偏差△Ｅ ｑ、发电机励磁压偏差△ 四个状态变 量作出分析，同时得出了小于扰动态稳定理论的同步机动态增 量方程等式，如下式所示。 Ｉ△ ＝Ｋ ２△ ｑ ｛ＡＵｔ＝ＫＣ￣６＋Ｋ６３Ｅ ｑ 【ＴｊｐＡｏ）＝ＡＭｍ－ＡＭｅ—ＤＡｔｏ ＰＡ６＝２ ＡＥ。ｑ＝Ｋｃ￣ｅｆｄ Ｉ＋ＫｓＰＴ ｒａｏ）一Ｋ ｆｄ ＋Ｋ ｙｒ ｒｄｎ） 通过模型我们可以很直观的观察到发电机各个部分与励磁 系统之间的接口位置，但单纯的依靠Ｈｅｆｒｏｎ—Ｐｈｉｌｉｐｓ模型对励 ２８．荔 缇Ｊ 图１无刷旋转交流励磁控制框图 如图１中控制框图所示，控制参数分别是 、 、 、 、 ， 励磁机的饱和系数为ｓ ，ｐ则代表微分算子，其主要实现保持发 电机端电压保持不变的功能，通过与恒无功励磁控制框图相融 合之后，可以得出励磁系统的控制框图，此时 为测量时间常 数， 为附加控制放大倍数， 为附加控制时间常数，通过公式 之间的推导以及矩阵根特征的分布情况，从而判断出系统小于 干扰稳定的特性。 （二）影响发电机励磁系统稳定性的因素 为了对励磁系统稳定性进行深入分析，利用根轨迹法来验 证影响励磁系统稳定的因素都有哪些，通过对两种不同控制方 式的探究，分析得出了 ， 和 三个参数的影响，具体其中 负荷１００ ＭＷ，发电机有功出力４５ ＭＷ， ＝２．２２， ：０．２６， 轧＝Ｏ．１１，Ｍ＝６ｓ，Ｔ ｄ＝６．４８ｓ， ＝２０， ＝０．１ｓ， ＝０．５ｓ，ＳＥＭＡＸ＝Ｏ．８， ＳＥＯ．７５ＭＡＸ＝Ｏ．５，Ｋｖ＝０．０４，ｚ ０．７ｓ， ＝０．０２，Ｋｏ＝２０，ｒ， ０．３ｓ，经过 一系列演算之后，得出结论励磁系统的稳定情况随着 ， 和 的改变而改变。 三、案例控制分析 某企业电网于某１３发生故障，后查明：造成电网自备机组 振荡解列的原因是由于励磁控制方式选择不当所致。该企业此 前一直采用的是恒无功励磁控制方式，事故发生后，励磁方式 改由恒电压控制方式后，解决了事故的再发，保证了工厂的正 常运作。 经过分析得到：励磁方式采用恒无功的状态下，出现了系统 震荡现象，通过结果对比，震荡现象是由于励磁系统自身失稳造 成的，采用恒电压控制方式后，无论是负荷冲击故障还是三相短 路故障，系统均可保持良好的稳定性能，和更改励磁模式后的震 荡现象相符合。 由此可以证明通过改变励磁系统的控制参数，仍可达到其 他励磁方式的效果。 参考文献： ｆ１１刘取．电力系统稳定性及发电机励磁控制【Ｍ］．中国电力 出版社．２００６． ｆ２１倪以信等．动态电力系统的理论和分析［Ｍ］．清华大学出 版社．２００２．