浅析同步发电机励磁系统

【摘要】作为同步发电机的重要组成部分，励磁系统直接影响着发电机的运行特性，同时对电力系统的运行有重要的影响。随着电力系统的并联，电网运行的安全稳定问题日益突出，发电机励磁系统愈来愈为人们所关注。文章从发电机励磁系统的组成及基本原理入手，探讨了发电机获得励磁电流的几种方式，并对励磁系统的任务进行了详细研究，文章具有一定的指导意义。

【关键词】同步发电机；励磁系统；静态稳定性

1.发电机励磁系统的组成及基本原理

同步发电机的空载电动势值对其运行特性有很大影响，而空载电动势则是励磁电流函数，可以通过调节励磁电流改变同步发电机在统中的运行特性。因此，控制同步发电机的励磁，是实现发电机的运行控制的重要内容之一。

2.发电机获得励磁电流的几种方式

2.1 直流发电机供电的励磁方式

该励磁方式的发电机称为直流励磁机，励磁机与发电机同轴，轴上装有滑环及固定电刷，励磁绕组通过电刷和滑环获得直流电流。这种励磁方式的优点是励磁电流独立，自用电消耗量少，工作可靠，是以往几十年间发电机主要励磁方式，运行经验较成熟。但其又励磁调节速度较慢，维护麻烦的缺点，故很少用在10MW以上的机组中。

2.2 交流励磁机供电的励磁方式

一些大容量发电机采用交流励磁机提供励磁电流。励磁机也与发电机同轴，输出的交流电流经过整流后供给转子励磁，该种励磁方式属他励方式，又因为采用静止的整流装置，称其为他励静止励磁，采用交流副励磁机供给励磁电流。交流副励磁机为永磁机或自励恒压的交流发电机。

2.3 无励磁机的励磁方式

该励磁方式没有专门的励磁机，从发电机本身获得励磁电源，整流后供给发电机本身的励磁，这种方式称为自励式静止励磁。

3.发电机励磁系统的任务

在同步发电机的运行过程中，合理控制励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行，还能保证电力系统的安全稳定，提供合格的电能，同时，有效地提高系统技术指标。同步电机励磁系统应完成以下的任务。

3.1 电压控制

发电机正常运行时，其励磁系统应维持机端电压在给定水平。当发电机负荷变化引起端电压改变时，应在励磁调节器作用下，励磁系统将自动地减小或增大励磁电流，使机端电压保持在额定值，且保证有一定的调压精度。当机组发生甩负荷情况时，励磁调节器应限制机端电压，使其不过分升高。

励磁系统进行电压控制时，采用调压精度及发电机调压静差率两个指标衡量。其中，调压精度是指，退出调差单元，投入自动励磁调节器，发电机负荷从零变化到功率额定值时，引起的发电机机端电压的最大变化，以发电机额定电压的百分数表示。调压静差率则定义为退出自动励磁调节器的调差单元，发电机负载从额定功率减小到零时机端电压的变化率，由下式计算：

（1）

3.2 控制无功功率的分配

发电机并入系统运行时，其输出的有功由原动机输入的功率决定，而输出的无功则与励磁电流有关。发电机并入无穷大电网时，调节励磁电流可以改变输出的无功。实际运行中，发电机并联的母线不是无穷大母线，此时如果改变励磁，不仅会改变输出的无功，也会使影响发电机的机端电压，但一般而言，端电压变化较小，而无功变化却比较大。发电机励磁系统的一个重要功能应该是保证并联运行的发电机机组间合理的无功分配。

研究并联运行机组间的无功合理分配问题时，常用指标为发电机端电压调差率，即指投入自动励磁调节器的调差单元，给定电压额定值，发电机功率因数为零，发电机的无功负载由零升高到额定值时，发电机端电压的变化率，通常用端电压百分数表示，由下式计算：

（2）

3.3 提高同步发电机并列运行的稳定性

暂态稳定性指电力系统受到大扰动后（如高压输电网发生短路，主要供电机组故障等），系统不失步，恢复到新的或保持原来运行状态的能力。

动态稳定性是指电力系统受到干扰后（小干扰及大干扰），在自动控制装置的作用下，维持长时间的稳定性的能力。

励磁系统调节可以有效地提高系统的静态稳定性，而且在一定程度上改善暂态稳定性（如提高强励顶值倍数等），如图2为调节励磁对发电机输出特性的影响。

3.4 提高继电保护动作的灵敏度

系统低负荷运行时，发电机的励磁电流较小，若此时发生短路故障，则短路电流较小，并随时间衰减，可能导致带时限的继电保护无法正确工作。此时，励磁控制系统可以通过调节励磁，对发电机进行强励，以提高电力系统稳定性，加大短路电流，提高继电保护的动作的灵敏度。

3.5 快速灭磁

发电机或单元接线的变压器内部故障时，要求发电机能快速灭磁，以降低故障所造成的损害。此外，机组发生甩负荷情况时，机端电压会迅速升高，特别对于水轮机，其机组惯性时间常数较大，甩负荷会导致可能会较严重的过速，进而造成严重过压，危及定子绝缘，也需要励磁系统有快速灭磁能力。

3.6 改善电力系统的运行条件

3.6.1 水轮发电机组实行强行减磁

上文已提到，水轮发机调速装置的惯性大，发电机因故甩负荷的时将超速导致危险的过电压，情况严重时电压可以升高至危及定子绝缘的程度，此时，要求励磁装置进行强行减磁，避免这种危险过电压的产生。

3.6.2 为发电机失磁异步运行创造了条件

发电机因为各种原因失磁时，可以不退出运行，但必须吸收大量无功功率转入异步运行，此时会使系统电压下降，如果系统内其他正常运行机组的励磁系统，可以及时增加励磁提供足够无功，保持系统电压，则失磁的发电机在允许时间内便能以异步方式维持运行，确保系统安全，利于机组热力设备。

3.6.3 改善电机自启动条件

电力系统发生短路时，电网电压会降低，此时未切除的电动机组会因此处于制动状态。切除短路故障以后，电动机自启动时，会吸收大量的无功功率，这样一来会使系统电压恢复过程变长，可能会引起系统甩负荷。这种情况下，如果发电机励磁装置可以进行强行励磁，便能加速电网电压的恢复，有效地改善了发动机的启动条件。

4.结语

近年來电力系统快速发展、电网规模的越来越大，日益扩大的电网系统的安全稳定可靠运行提出了更高的要求。同步发电机是电力系统的一个核心元件，保证其稳定安全运行对电网起着非常关键的作用，因此，对同步发电机以及其励磁系统更深入的研究和探索具有非常重要并且紧迫的现实意义。

参考文献

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[2]李家坤.同步发电机励磁控制方式发展综述[J].电力学报，2005（01）.

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[4]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

作者简介：王燕（1986—），男，湖南郴州人，大学本科，助理工程师，主要从事水电厂励磁系统及直流电源系统检修工作。