发电机励磁系统基础理论教材

发电机励磁系统

基础理论大唐集团发电机励磁专业培训本课程主要内容第一章：发电机励磁系统的任务第二章：同步发电机励磁系统类型第三章：励磁系统中转子磁场的建立和灭磁第四章：励磁控制系统的调节特性和并联机组间的无功分配第五章：励磁调节装置原理第六章：励磁自动控制系统的动态特性参考教材《电力系统自动装置原理》

杨冠城主编中国电力出版社《电力系统自动化》李先彬主编中国电力出版社

与励磁系统相关的专业知识《电力系统分析》《电机学》《自动控制原理》第一章发电机励磁系统的任务概述同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流。励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。概述

图1.1励磁系统结构框图发电机励磁系统的任务电压控制无功分配提高稳定强行励磁强行减磁发电机励磁系统的任务电压控制

等值电路相量图GGEWUEF.IEF.UGIG..xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.φjIGxd.Eq.δGφjIQxd.发电机励磁系统的任务一、电压控制同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持机端电压为给定水平的（IEF对应

Eq）。同步发电机的外特性（图）发电机励磁系统的任务图1.2同步发电机的外特性发电机励磁系统的任务同步发电机的外特性是下降的。当励磁电流IEF一定时，发电机端电压UG随着无功负荷增大而下降。同步发电机的励磁控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持机端电压为给定水平。发电机励磁系统的任务二、控制无功功率的分配

设单机无穷大系统：GIG.UG=常数.改变功角改变无功发电机励磁系统的任务二、控制无功功率的分配由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。发电机励磁系统的任务二、控制无功功率的分配在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，母线电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电流与它的母线电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。因此同步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。讨论：励磁系统是否完全不影响有功调节？发电机励磁系统的任务三、提高发电机并联运行的稳定性静态稳定:电力系统在正常运行状态下,经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力.暂态稳定:电力系统在某一正常方式下突然遭受大扰动后能否过渡到一个新的稳定运行状态\或者恢复到原来运行状态的能力.动态稳定:电力系统受到小的或大的扰动后,计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定稳定称为动态稳定.发电机励磁系统的任务三、提高并联运行的稳定性1、励磁对静态稳定的影响发电机的输出功率为发电机励磁系统的任务三、提高并联运行的稳定性abc图同步发电机的功角特性最大可能传输的功率极限为

发电机励磁系统的任务三、提高并联运行的稳定性它使发电机能在大于90度范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。另外，当系统联系较弱时，PSS可以抑制低频振荡。内功角特性：无自动励磁调节器，Eq为常数。外功角特性：有自动励磁调节器，恒Ug，Eq变化。发电机励磁系统的任务2、励磁对暂态稳定的影响三、提高并联运行的稳定性发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务没有励磁调节器的情况下（Eq保持不变）暂态过程：线路II发生短路（电压降低，输送功率减小）线路II故障切除（输送功率增加，但仍小于正常情况）线路I单独供电发电机励磁系统的任务三、提高并联运行的稳定性2、励磁对暂态稳定的影响图发电机的暂态稳定等面积法则

发电机励磁系统的任务如果在摆动过程中故障切除，则跳到曲线III上运行，此时输送的极限功率小于曲线I。如果励磁系统装设自动调节器，则在故障II短路时增加励磁，这时不但减少了加速面积，而且还增大了减速面积。当往回摆动时，调节曲线，减少减速面积，减少回程振幅。发电机励磁系统的任务三、提高并联运行的稳定性

2、对暂态稳定的影响在一定的条件下,励磁自动控制系统如果能按照要求进行某种适当的控制，同样可以改善电力系统的暂态稳定性。要求励磁系统首先必须具备快速响应的条件:一方面缩小励磁系统的时间常数,

另一方面要尽可能提高强行励磁的倍数（同样的时间，曲线更陡）.发电机励磁系统的任务四、强行励磁以改善电力系统运行条件1改善异步电动机的自启动2为异步发电机运行创造条件3提高继电保护工作的准确性发电机励磁系统的任务水轮发电机强行减磁当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度，所以，在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。对励磁系统的基本要求对励磁调节器的要求1、对励磁调节器的要求：1.1、电压静差率，半导体＜1%。（规程）1.2、电压调差率，±10%。1.3、连续调节，没有失灵区。1.4、能迅速反应系统故障，具备强励等功能。1.5、具有较小的时间常数。1.6、长期可靠工作。对励磁系统的基本要求2、对励磁功率单元的要求2.1、足够的容量，N-1冗余配置。2.2、具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。强励倍数，励磁电压响应比。高起始响应励磁系统（励磁电压响应时间为0.1S或更短的励磁系统，快速励磁系统）。第二章同步发电机

励磁系统类型同步发电机励磁系统类型励磁系统直流励磁机交流励磁机静止励磁同步发电机励磁系统类型同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源同步发电机励磁系统类型一、直流励磁机系统过去常用的一种励磁方式。靠机械整流子换向整流，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只用在10万KW以下小容量机组中采用。（一）、自励直流励磁机系统（见图3.13）发电机转子由专用的直流励磁机供电，调整励磁机磁场电阻改变励磁机励磁电流。同步发电机励磁系统类型（二）、他励直流励磁机励磁系统（见图3.14）他励直流励磁机励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多了一台励磁机。他励方式取消了励磁机的自并励，励磁单元的时间常数就是励磁机绕组的时间常数，与自励方式相比，时间常数减少了，即提高了励磁系统的电压增长率。

同步发电机励磁系统类型直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，从可靠性来说，它又是励磁系统中的薄弱环节。讨论：IGBT管在励磁系统中的应用。

（整流+IGBT，直流励磁机+IGBT）

同步发电机励磁系统类型二、交流励磁机励磁系统交流励磁机系统用在100MW以上机组，同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，其输出电压经大功率整流器整流后供给发电机转子。交流励磁机频率一般为100HZ或更高（整流波形更好）。调节器控制不同的可控硅，可控硅容量区别大，但响应时间也差别大！同步发电机励磁系统类型交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同有多种方式。（一）、他励交流励磁机励磁系统交流励磁机备有他励电源——中频副励磁机或永磁副励磁机。交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁，其中硅整流器可以是静止的也可以是旋转的，因此又可以分为下列两种方式：同步发电机励磁系统类型1、交流励磁机静止整流器励磁系统同步发电机励磁系统类型特点：1、交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。2、交流励磁机时间常数较大，为了提高励磁系统快速响应，励磁机转子采用叠片结构，以减少其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗，频率采用100HZ或150HZ，与相同尺寸的50HZ实心转子相比，励磁机时间常数减少约一半。交流副励磁机励磁机频率为400～500HZ（采用转子电压负反馈，并联校正）。同步发电机励磁系统类型特点：

3、同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度，使厂房的长度增加，因此造价较高。

4、仍有转动部件，需要一定的维护工作量。

5、副励磁机一般采用永磁机，可靠性高。同步发电机励磁系统类型2、交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）同步发电机励磁系统类型2、交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）永磁副励磁机：磁极旋转，电枢静止。交流励磁机：磁极静止，电枢旋转。发电机：磁极旋转，电枢静止。同步发电机励磁系统类型同步发电机励磁系统类型（二）、自励交流励磁机励磁系统

1、自励交流励磁机静止可控硅整流器励磁系统（见图3.17），与图3.15相比励磁机容量要大。

2、自励交流励磁机静止整流器励磁系统（见图3.18）与他励相比励磁电源从本机获得（少了一个励磁机）但时间常数较大。

1、2两种方式可控硅容量和时间常数不一样。

同步发电机励磁系统类型三、静止励磁系统（发电机自并励系统）同步发电机励磁系统类型自并励：Ug=k*V*Efd，Efd=k*V

三机系统：Effd=k*V,Efd=k’*Effd=k*k’*V*V同步发电机励磁系统类型（4）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数那样的响应速度。

讨论：自并励系统的稳定性。（近端短路，正反馈，阻尼，短路电流等，转子时间常数，0.5s）相复励水电厂优先采用，机轴的问题。励磁系统的整流电路整流电路三相桥式不可控三相桥式半控三相桥式全控励磁系统的整流电路三相桥式不可控整流电路

1、任何时刻都是阳极电压最高和阴极电压最低的两个二极管处于正向电压而导通，其他四个二极管受到反向电压而不能导通。

2、每个二极管导通120度，每对二极管导通60度。

3、在自然自然换相点导通，相当于0度导通。

4、输出电压Ud=1.35Eab励磁系统的整流电路三相桥式半控整流电路三相桥式全控整流电路

1、当控制角α<60度时，波形是连续的，否则是间断的。

2、当α>60度时，如果是电感负载，波形出现负的部分。

3、当控制角α<90度时，整流状态，输出电压为正。

4、当控制角α>90度时，逆变状态，输出电压为负。励磁系统的整流电路三相桥式全控整流电路

5、输出电压U=1.35Eabcosα6、因交流回路存在电感，电流不能突变，有换流过程。

7、最小逆变角，α=180度时，容易逆变颠覆，晶闸管因连续导通而烧毁。考虑一定裕度，α≤150～155度。第三章励磁系统中转子磁场的建立和灭磁励磁系统中转子磁场的建立和灭磁磁场建立过程中两个重要的指标：强励顶值（转子励磁电压的最大值）与响应比（磁场建立的速度）。一、强励作用及继电强行励磁

1、强励作用：当系统发生短路性故障时。有助于继电保护的正确动作；有利于电动机的自启动。

2、继电强行励磁励磁系统中转子磁场的建立和灭磁二、电压响应比电压响应比反应磁场建立的速度。图转子回路图说明转子磁场的建立与端电压的函数密切相关，电压上升越快，磁场建立越快。励磁系统中转子磁场的建立和灭磁图电压响应比强励倍数：Ud/Ua，Ua为额定励磁电压。提高励磁顶值电压，增加电压响应比。快速励磁系统0.5s改为0.1s二、电压响应比：励磁系统中转子磁场的建立和灭磁励磁系统中转子磁场的建立和灭磁转子回路的灭磁问题当发电机发生内部故障，在继电保护动作切断主断路器后，还要求快速地熄灭故障点电弧，故障电弧由磁场旋转切割定子绕组产生，熄灭电弧即要消除励磁电源及磁场储能，对灭磁系统的要求：

安全切断发电机的励磁电源；

快速消耗磁场绕组储存的磁场能量；励磁系统中转子磁场的建立和灭磁发电机磁场绕组为典型电感+电阻负载：稳态时（电流不变时）表现为电阻和磁场储能：灭磁原理励磁系统中转子磁场的建立和灭磁Er假设没有灭磁电阻，断开励磁回路时，转子绕组能量只能消耗在开关触头之间。此时Er=Ldi/dt。因电流衰减太快，转子绕组承受很高的电压。另外，开关触头承受的电压为Ue+Er。由于Er很高，开关S断弧负担很重，造成触头损坏或灭弧时间延长。励磁系统中转子磁场的建立和灭磁Rf灭磁时，先合上灭磁电阻，再断开灭磁开关，转子绕组电流按指数曲线衰减（T=L/R），转子内磁场能量几乎全部变成热能，消耗在Rf上。灭磁过程中，er=URf。Rf越大，时间常数越小，电流衰减越快，灭磁越快，但转子绕组电压越高。Rf越小，转子绕组比较安全，但灭磁过程慢。直流励磁机一般为5～7s，自并励系统一般小于1s。励磁系统中转子磁场的建立和灭磁理想灭磁：励磁回路分断过程中产生的电压将在开关断口处产生电弧，这不仅延迟励磁电源分断的时间，也影响开关分断的可靠性。灭磁过程中平均灭磁功率越大，磁场消除得越快，故障电流所存在的时间就越短，所产生损害就越小。平均灭磁功率为灭磁过程中瞬时功率平均值，瞬时功率为：P=U*I，灭磁越快，灭磁等效电阻就越大，灭磁过程中所产生反向过电压就越高，对设备有产生绝缘损坏的危险。励磁系统中转子磁场的建立和灭磁理想的灭磁过程与快速灭磁开关理想的灭磁过程，就是在灭磁过程中始终保持端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。这一过程是通过特殊的灭磁开关来实现的：利用串联短弧的端电压不变的特性控制灭磁过程。灭磁时：USD=Ue+Url。利用灭弧栅保持USD不变，而Ue近似认为不变，则Url=Ldi/dt保持不变，即按曲线2变化。实际通过灭弧电压间接控制了电流的变化。励磁系统中转子磁场的建立和灭磁一个典型的励磁主回路励磁系统中转子磁场的建立和灭磁交流励磁机系统逆变灭磁：第四章励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配励磁控制系统框图

同步发电机励磁功率单元励磁调节器手动自动励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。

励磁系统其他信号一、励磁调节器的基本特性与框图

图改变RC值调节励磁电流在人工调节过程中：测量、判断、执行的闭环过程励磁调节器的基本特性与框图

比例式励磁调节器

励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。常用的励磁调节器是比例式调节器，它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。电压升高时输出减小，电压降低时输出增大(负斜率调节特性)。励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器基本框图励磁调节器的基本特性与框图图典型的可控硅自动励磁调节器框图二、励磁调节器的静态工作特性励磁调节器的简化框图励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即测量K1综合放大K2移相触发K3可控整流K4UGUREFUdeUSMUAVRK——调节器的放大倍数二、励磁调节器的静态工作特性励磁调节器的静态工作特性调节器放大系数K与组成调节器的各单元增益的关系为励磁调节器总的放大倍数等于各组成单元放大倍数的乘积

0000UdeUAVRUAVRUdeUGUGUSMUSMUREFba不同的整定值，特性曲线位置不一样放大倍数越大，曲线越陡，电压变化越小励磁调节器的静态工作特性在励磁调节器工作范围内，UG升高，UAVR急剧减小；UG降低，UAVR急剧增大。其中线段ab为调节器的工作区，工作区内发电机电压变化极小，可以达到维持发电机机端电压水平的目的。当改变UREF时，就是平移特性曲线。图（d）综合特性励磁调节器的静态工作特性发电机励磁控制系统静态特性（因为有了调节器，电压变化很小）发电机调节特性同样的无功，电压越高，励磁电流越大励磁调节器的静态工作特性励磁控制系统静态特性

图无功调节特性在公共母线上并联运行的发电机组间无功功率的分配，主要取决于各台发电机的无功调节特性。而无功调节特性是用调差系数来表征的:调差系数越小说明IQ对UG影响越小UGUG1UG20IQIQNΔUG调差系数表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力励磁调节器的静态工作特性一般取UG2=UGN。对于按电压偏差进行比例调节的励磁控制系统，当调差单元退出工作时，其固有的无功调节特性也是下倾的，称为自然调差系数。其值随控制系统放大倍数的增大而减小。自然调差率一般小于1%。讨论：如果调节器没有无功调差环节，控制器运行在恒电压模式，调差特性怎样，如果此时增加给定，各电气量如何变化？（单机/多机）调差系数δ表示无功电流从0增加到额定值，发电机电压的相对变化励磁调节器的静态工作特性调差系数

调差系数存在的意义:①能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击（偏差是无功，而不是电压）；②保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。UGIQδ=0δ<0δ>0UG0正调差、负调差、无差调节因机组要并列运行，而电子式调节器自然调差系数一般小于1（因为调压精度的要求），所以必须人为附加调差环节。励磁调节器的静态工作特性发电机调节特性的平移

3-2-1IQ投入运行到合适点,无冲击1-2-3退出运行,IQ减小到零,无冲击UGIQUM123IQ2IQ1移动发电机调节特性是通过改变励磁调节器的给定值来实现的此时调节给定值，发电机电压不变化！此时Eq变化。讨论：调节给定值是如何平移曲线的？并联运行机组间的无功功率分配无差调节特性

1无差+有差有困难UGIQⅠ

δ=0Ⅱ’δ<0Ⅱ

δ>0UⅠUⅡUⅡ’IQ2IQ如果电网无功负荷变化，第I台机组无功变化，第II台不变。移动第II台机组特性曲线可以改变发电机之间无功分配（此时第I台无功会变化）。如果需要改变母线电压，可移动第I台机组调节特性曲线（讨论：此时无功分配怎么变化？）。但在实际运行中，由于无差调节的机组承担无功功率的全部增量，一方面机组容量有限，另一方面无功分配也不合理，实际上很少采用并联运行机组间的无功功率分配无差调节特性UGIQⅠ

δ=0Ⅱ’δ<0Ⅱ

δ>0UⅠUⅡUⅡ’IQ2无法稳定如果某种原因使负调差特性机组无功增加，励磁调节器将增大励磁电流，力图使机端电压升高，但无差调节机组为保持电压不变将减少励磁电流。这样一增一减，系统不能稳定（而上一种情况是都增或都减）。并联运行机组间的无功功率分配无差调节特性不能并联运行

2无差+无差

UGIQⅠⅡUⅠUⅡ实际上UI、UII很难一样，系统不能稳定运行。并联运行机组间的无功功率分配正调差特性机组的并联运行

UGUGⅠUGⅡ0IQI’QⅠⅠⅡUG0UGNIQⅠIQⅡI’QⅡIQN并联运行机组间的无功功率分配负号表示在正调差情况下，当母线电压降低时，发电机无功电流将增大。当母线电压波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比，与电压整定值无关。当系统无功波动时，电压偏差相同，调差系数越小，承担的无功波动越大。希望无功波动时，各机组承担的无功波动量与额定容量成正比，即△IQ*相同。因此要求并联运行机组具有相同的调差系数。讨论：如果主动增加或减少一台机组的给定值，无功分配如何变化？（完全不同于前面的情况，互不影响）第五章励磁调节装置原理我国励磁调节器的发展及分类

机械式机电型磁放大器电磁型电子模拟放大器电子型CPU存储逻辑数字型20世纪初1950s’1960s’1980s’数字式励磁调节器的优点

方便地实现复杂的控制策略

便于修改，灵活性强

可以实现更加完备的限制和保护功能

操作简单、维护方便以及便于试验和调试励磁调节装置原理励磁调节装置原理图为600MW发电机自并励励磁系统励磁调节装置原理图为300MW三机励磁系统励磁调节器人—机接口调节控制输出励磁调节装置原理基本控制电压调节无功分配辅助控制瞬时电流限制最大励磁电流限制最小励磁电流限制电压频率保护失磁监控励磁系统稳定器PSS等等数字式励磁调节器硬件+软件信息采集单元主控制单元励磁调节装置原理数字式励磁调节器原理框图硬件设计硬件原理主控单元：单片机、DSP+MCU、ARM、工控机。操作系统。总线不出板、总线不出芯片、单芯片（RAM、Flash）。串行总线（SPI、I2C）、网络节点(RS485、CAN)。硬件原理主控单元硬件设计外扩RAM主控单元硬件设计TMS320F2812芯片供电电源连接图主控单元硬件设计外扩EEPROM电路，含硬件看门狗电路大容量flashRom主控单元硬件设计实时时钟电路串行DS1305并行DS12887主控单元硬件设计串行AD（LTC1417）注意：模拟和数字的结合点主控单元硬件设计并行AD（MAX125）外围电路设计模拟量采集电路交流电压UAUBUCUA’UB’UC’外围电路设计模拟量采集电路交流电流IAIBIC外围电路设计模拟量采集电路（直流信号，也可以用线性光隔）励磁电压UFD（霍尔电压传感器TBV5/10A

）外围电路设计模拟量采集电路励磁电流IFD霍尔元件，分流器（ma信号）三机系统也可以采集励磁机输出电流代替励磁电流外围电路设计模拟量前置处理滤波电路（注意时间常数40ms左右）外围电路设计模拟量前置处理滤波电路外围电路设计模拟量采集电路通道选择和采样保持外围电路设计和PSS相关的模拟量电路随机噪声输入外围电路设计和PSS相关的模拟量电路频谱输出信号（DA）外围电路设计测频电路硬件测频、软件测频。去抖动电路外围电路设计开关量输入信号开入信号包括断路器位置、灭磁开关、自动/手动、增磁、减磁、启动/停止等（灭磁开关和断路器开关）

外围电路设计开关量输出信号跳闸告警等外围电路设计通讯接口

RS485或CAN外围电路设计数字型触发电路很多种实现方式：

集成电路TC7878253CPLDFPGACPU（8098）外围电路设计数字型触发电路1、计数时间基准。2、上升沿启动计数。3、实测同步时钟频率（频率跟踪）。4、根据设定间隔输出。外围电路设计同步变压器线电压，自然换相点原边△接法，去掉3次谐波讨论：用一相同步信号行不行？外围电路设计方波发生器（注意滤波电容，高频特性）外围电路设计脉冲输出（脉冲指示灯、失脉冲检测）外围电路设计宽脉冲、双窄脉冲宽脉冲需要增加调制电路，对脉冲变压器要求更高。

励磁调节器原理各模拟量的计算交流采样、直流采样、频率采样傅氏算法（12点、16点、24点，本身具有滤波作用）

N为一周采样点数，n为谐波次数，XK为第k次采样值。

励磁调节器原理12点算法：励磁调节器原理UG、IG、P、Q、UFD、IFD、f的计算UA=SQRT(UAr*UAr+UAi*UAi)，其他类推。

UG=(UA+UB+UC)/3励磁调节器原理频率跟踪原理机端电压频率跟踪的重要性。硬件测量频率。实时调整采样周期。开关量扫描开关量的作用（增磁、减磁、启动、停止、模式切换等）

励磁调节器原理励磁调节器原理手动调节不用考虑附加控制及调差励磁调节器原理励磁调节装置原理控制的数学模型理想PID模型:离散化为

励磁调节装置原理PID各参数的作用开环放大倍数讨论：无差调节和电压误差率的关系？励磁调节装置原理实际常用的的数学模型

通常有T1>T2>T3>T4.

为滞后环节。

为超前环节励磁调节装置原理模型的离散化(差分方程)

H(S)→H(Z)。将代入H(S)或直接推导模拟→数字直接数字励磁调节装置原理整理得：上式左边第一项体现积分的效果，其输出和历史值有关，且放大倍数恒小于1，T1越大，Y(K-1)系数越接近1，积分效果越明显。后两项体现出微分的效果，而且T2越大，效果越明显。一般来说，T必须远小于T1、T2.则后面就是对X(K)-X(K-1)的放大。且T1（T2>T1）越大，微分效果越明显。可以看出本身比理想PID稳定。本模型既有微分的作用，也有积分的作用。励磁调节装置原理控制器输出各量均采用标幺值计算由公式Ud=1.35*u*cosα可知，最后将输出量转换成移相角输出。线性移相和反余弦移相。为了保证励磁电压输出与控制器输出的线性关系（这有助于电力系统建立线性的模型），一般采用反余弦移相。讨论：正调差区“+”还是“-”？

从上式如何看出PID调节能力和调差的关系，只有AVR稳态误差越小，才能实现预定的调差系数。励磁调节装置原理自动、手动方式的跟踪原理考虑故障情况下的平稳跟踪（故障前的N秒的数据）考虑电压限制的手动调节。（手动运行情况，故障或试验）励磁调节装置原理其他各种模式的平稳切换原理（自动实时跟踪手动，手动延时跟踪自动）PT断线的判断及处理（励磁PT断线切手动、仪表PT断线发信号。电压加电流综合判断/空载情况下）断路器跳闸“回空”处理。励磁调节装置原理各种保护限制原理一、最小励磁限制器（欠励限制）同步发电机欠励运行时，由滞后功率因数变为超前功率因数，发电机从系统吸收无功功率，这种运行方式称为进相运行。发电机进相运行受静态稳定极限限制及定子端部发热限制讨论：与保护配合的基本原则各种保护限制原理

最小励磁限制以一单机无穷大系统为例讨论（矢量图3-68，手画）各种保护限制原理

进相运行时有功和无功为P=UGIcosφ=UGIcos(δG-ψ)=UGI(cosδGcosψ+sinδGsinψ)Q=UGIsinφ=UGIsin(δG-ψ)=UGI(sinδGcosψ-cosδGsinψ)而

Isinψ=Id=(UG

cosδG-Ucosδ)/Xe

Icosψ=Iq=(UGsinδG)/Xd

代入上式得（得到和功角的关系）各种保护限制原理当处于静稳定极限时时，上式简化为：实际上，当AVR运行时，σ可以大于90度各种保护限制原理两式平方和消除sin和cos得静稳下功率圆图方程为各种保护限制原理功率园M为静态稳定功率极限考虑实际运行因素，最小励磁限制应在N’之内当发电机运行在Q<0的部分时，发电机为进相运行状态注意：半径和Xd、Xe有关各种保护限制原理实际考虑一定的稳定裕度，采用曲线N’。为简化起见，可以采用直线或折线来代替。两个闭环在起作用，当进入低励区时恒无功起作用。水轮机和汽轮机允许进相深度不一样。（汽轮机一般是凸极机，气隙不均匀）当无功没有限制住时且低于保护值时，发告警信号并切手动运行。讨论：进入低励区时，直接增磁行不行？各种保护限制原理发电机失步时，在转子和励磁回路中产生差频电流，使转子铁芯、转子绕组及其他励磁回路产生附加损耗，引起过热。转差越大，过热越严重。汽轮发电机异步功率较大，调速器也较灵敏，因此，当发电机超速时，调速器会立即关小汽门，使汽轮机的输出功率和发电机的异步功率很快达到平衡，可在较小的转差下稳定运行。而水轮机，因其异步功率较小，在较大的转差下才能达到功率平衡。各种保护限制原理瞬时电流限制和最大励磁电流限制（过励限制）由于电力系统稳定性的要求，大容量发电机的励磁系统必须具有高起始响应的性能。采用高励磁顶值的方法能提高励磁机输出电压的起始增长速度。瞬时电流限制器限制励磁电流超过允许强励顶值。各种保护限制原理最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。发电机强励顶值一般为额定电流的1.6～2倍。（内部也有一个恒电流环）表不同励磁电压的允许时间各种保护限制原理最大励磁电流限制一般具有反时限特性采用电流平方积分模拟发热。T=τ/[(i/Is)2-1.052]瞬时电流限制值（定时限）高于最大励磁值（反时限）各种保护限制原理电压/频率（V/Hz）限制和保护也叫磁通限制器，作用是限制发电机机端电压和频率的比值，防止发电机及与其连接的主变压器由于电压过高和频率过低，引起铁芯饱和发热。

由U=kfΦm,得Φm=k(U/f),U/f反映铁芯的饱和程度。

各种保护限制原理正常并网以后V/Hz一般不会动作。动作的原因有：1、发电机甩负荷和解列，电枢反应去磁作用减弱，因而使电压升高（一般会回到空载额定的90%）。2、机组启动时，误操作投入励磁。3、系统性事故导致频率下降。V/Hz动作时，闭锁增磁。延时一段时间仍动作则切手动运行。励磁调节装置原理讨论：双通道或三通道如何互相备用均流问题故障切换问题（如PT断线等）主备问题主系统网络化智能化问题软件编程介绍主程序采样中断10ms中断CAP中断第六章励磁自动控制系统的动态特性励磁自动控制系统的动态特性概述励磁系统的动态特性是指在较小的或随机的干扰下，自动励磁调节系统的时间响应特性。关于自动调节系统的稳定性问题，主要是《自动控制理论》课程的内容。同步发电机的励磁自动控制系统在电力系统运行中的某些特点，则是本课程需要介绍的内容。励磁自动控制系统的动态特性动态特性的一些主要指标上升时间：10%上升到90%稳态值的时间超调量：最大瞬时值与稳态值之比的百分数。调整时间：当输出值与稳态值之差不再超过某一允许误差范围时励磁自动控制系统的动态特性

励磁系统一般是高阶系统，但也可以其中起主导作用的二阶系统来近似。当ζ=0时，系统振荡，ζ=0.7时，超调量很小，ζ=1时，临界阻尼。ζ＞1时过阻尼。励磁自动控制系统的动态特性励磁系统稳定性分析常用方法介绍稳定的根本原因：闭环传递函数的极点位于s平面的左半部，即其实部为负数。只要极点位于左半平面，则h(t)必随时间增长而衰减，故电路是稳定的。研究稳定性的方法很多：

经典的传递函数法（极点法、频率特性法（Nyquist）、劳斯判据、根轨迹法、阻尼分析）、现代的状态变量法。在励磁系统稳定性分析中一般用频率特性法（相位裕度、幅值裕度）和根轨迹法。励磁自动控制系统的动态特性频率特性法相位裕度：在增益交界频率（幅频特性过零处）上，相频特性在该频率下的值φ与-180度的差值，即Φm=φ+180

增益裕度：在相位交界频率（相频特性上相位等于-180度的频率）上，幅频特性的负值（以分贝计），即

Gm=0-G励磁自动控制系统的动态特性当相位裕度、增益裕度为负时，系统是不稳定的；相位裕度、增益裕度为零时，系统是临界的；相位裕度、增益裕度为正时，系统是稳定的。一般地说，当增益裕度大于10db，相位裕度大于45度时，系统将有良好的动态品质。励磁自动控制系统的动态特性根轨迹法由已知反馈系统的开环传递函数确定其闭环极点分布，实际上就是解决系统特征方程的求根问题，一般来说，当特征方程的阶数较高时，求根过程是很复杂的，特别是在参数变化下求根。根轨迹是在已知反馈系统的开环极点与零点分布的基础上，通过系统参数变化图解特征方程，即根据参数变化研究闭环极点分布的一种图解法。应用根轨迹法通过简单计算便可确定系统的闭环极点分布，并同时可以看出参数变化对闭环极点分布的影响。励磁自动控制系统的动态特性励磁系统的传递函数1、他励直流励磁机的传递函数2、测量比较单元一阶惯性环节励磁控制系统的传递函数3、综合放大单元4、功率放大单元5、同步发电机传递函数

励磁控制系统的传递函数励磁系统总的传递函数励磁控制系统的传递函数励磁系统稳定性计算

求系统的开环传递函数，求开环极点计算以下量，以确定根轨迹的形状（1）根轨迹渐进线与实轴的交点及倾角（2）根轨迹在实轴上的分离点（3）在轴交叉点的放大系数根据劳斯判据，确定根轨迹与虚轴的交点画出根轨迹图(9大规则，《自动控制原理》)励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数励磁控制系统空载稳定性的改善要想改善该励磁自动控制系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点间根轨迹的射出角，也就是要改变根轨迹的渐近线，使之只处于虚轴的左半平面。为此必须增加开环传递函数的零点，使渐近线平行于虚轴并处于左半平面。因此在发电机转自电压处增加一条电压速率负反馈回路。引入电压速率反馈后，由于新增加了一对零点，把励磁系统的根轨迹引向左半平面，从而使控制系统的稳定性大为改善。该回路即励磁系统稳定器（ESS）（利用相位裕度幅值裕度同样可以分析得出同样的结论！）励磁控制系统空载稳定性的改善典型的补偿电路励磁控制系统空载稳定性的改善励磁控制系统空载稳定性的改善励磁控制系统空载稳定性的改善此时根轨迹为：励磁控制系统空载稳定性的改善励磁控制系统空载稳定性的改善从时间常数角度理解ESS闭环放大倍数K=KG/(1+KGKF)=1/(KF+1/KG)但KF较大时，放大倍数主要由反馈回路决定。增加转子电压或转子电流负反馈后，时间参数主要由反馈回路决定。总的（等效）时间常数大大减小。（原动机的仿真也有类似补偿）相位的超前补偿电力系统稳定器PSS电力系统的稳定一般专指有转子角差的振荡过程的稳定问题。电力系统中也有不包含转子角差的振荡过程，如前面讲的电压稳定问题，只有电压幅值的振荡。凡是不包含转子角差振荡的一般不属于电力系统稳定的范畴；只有电压振荡过程的稳定问题，称为调节系统的稳定性。电力系统稳定分为暂态稳定与动态稳定。电力系统稳定器PSS低频振荡产生的原因：1、系统在负阻尼时产生的自发功率振荡。2、系统在受到扰动时，由于阻尼弱其功率振荡长久不能平息。3、系统振荡模与系统中某种功率波动的频率相同，且由于弱阻尼，使联络线上该功率波动得到了放大，产生了强烈的功率振荡。4、由于发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡，其频率约为0.2～2HZ低频振荡一般分为地区模和系统模。电力系统稳定器PSS影响阻尼的因素：1、电网结构的影响。加强系统结构是防止弱阻尼的根本措施，但投资较大。2、联络线负载对阻尼有负的影响。联络线负载增大，功角增大，阻尼减弱，所以低频振荡都在联络线功率较大时发生。3、运行方式的影响。发电机多送无功，功角减小，阻尼增强。夜间或节假日由远方电厂供电，引起联络线重负载，引起低频振荡。电力系统稳定器PSS影响阻尼的因素：4、静止补偿器的影响。减小了功率振荡造成的电压波动，从而减小了电压调节的负阻尼效应。5、负荷性质的影响。电压变化时，负荷吸收有功功率的灵敏度越高，也就是负荷功率随电压变化越大，负荷对阻尼的影响也越大。6、调速器的影响。采用快速的的电液调速器时，对频率较低的振荡模有一定的影响。电力系统稳定器PSS影响阻尼的因素：7、自动电压调节器AVR的影响。当输电线路负荷较重、转子相角发生振荡时，由于励磁调节器是按电压偏差比例调节方式，所以提供的附加励磁电流的相位具有使振荡角度加大的趋势。即有功负荷增大，功角增加，电压降低，调节器增加励磁，产生一个较大的△EQ分量，从而使同步力矩增大，但由于励磁系统的滞后作用，使阻尼力矩为负，并成为发电机动态失稳的重要原因。因此，有功功率对端电压造成影响，励磁系统按电压偏差调整，由于励磁系统的滞后，产生负阻尼，就成了发电机动态失稳的重要原因。讨论：励磁系统不加调节器，对动态稳定的影响？电力系统稳定器PSS同步发电机传递函数K1～K6随发电机工况会有变化，轻负载时，K5为正，重负载时，K5为负，励磁系统产生负的阻尼电力系统稳定器PSS电力系统稳定器PSS电力系统稳定器PSS近年来，由于大型发电机普遍采用由可控硅组成的快速励磁系统（晶闸管直接励磁或高起始励磁系统）。响应时间大大减小。从而降低了系统阻尼（灵敏度增加）。但是，励磁调节器维持电压是发电机运行中最基本的要求，又不能取消其维持电压的功能。因此，需要采用PSS产生正阻尼以抵消励磁控制系统引起的负阻尼。电力系统稳定器PSSPSS原理电力系统稳定器PSSPSS原理励磁系统传递函数框图电力系统稳定器PSSPSS原理励磁系统是一个滞后单元，它由励磁滞后角θg1，发电机磁场滞后角θg2构成，经K6闭环后，其总滞后角θg=θg1+θg1。

PSS可以采用转速偏差（△ω）频率偏差（△f），加速度偏差（△Pa），电功率偏差（△Pe）中的一个或几个，作为AVR的附加输入。

当采用△ω作为PSS输入信号时，为了使PSS产生的附加力矩与△ω轴同相位，PSS应有超前相角θd=θg，当采用△Pa或-△Pe

时，因△Pa超前△ω接近90度，因此PSS需要超前角度为θd=θg

-90.电力系统稳定器PSSPSS原理PSS可以用硬件实现，也可以用软件实现，PSS模型不是唯一的。电力系统稳定器PSS信号输入单元

1、以电功率△Pe为输入信号。检测方便，所需超前角小，稳定性好，得到广泛采用，但有“反调”现象。当发生功率振荡时，电功率增加，PSS输出负值使励磁电流减小，从而减小电功率，起阻尼振荡的作用。但正常调节功率时，也会产生调节，对静态稳定不利，称为“反调”。汽轮机“反调”不明显，水轮机“反调”明显。采用△Pe和△ω组合输入，可以相互补偿，减小超调。电力系统稳定器PSS输入信号单元2、以加速度功率△Pa为输入信号。它具有电功率信号的优点，不存在反调问题。但需要增加机械功率信号（汽门开度或水门开度）。

3、以△f为输入信号。近距离输电机组，采用△f效果不好，因为Xe较小，f变化太小。另外，机组附近有冲击负荷，如电弧炉，由于频率受负荷影响大，PSS噪声大。

4、以转速偏差△ω为输入信号。对发电机轴系扭振最敏感。需采用窄带滤波器，以阻止扭振频率信号（7～45HZ）经PSS放大与发电机谐振。电力系统稳定器PSS隔直单元隔直单元的作用是使输入信号达到稳态时，PSS没有输出，也就是PSS不因输入信号的稳态值不同而有恒定输出。隔直单元是一个微分环节。隔直单元具有超前作用。设计参数时要考虑在低频段尽量少超前。电力系统稳定器PSS超前滞后单元快速励磁系统的滞后角一般为50～60度。虽然采用一阶超前单元就能满足要求，但采用二级超前滞后单元，可使频率特性在比较宽的频率范围内得到合适的补偿。常规励磁系统滞后角一般为100度左右，需要二级超前滞后单元。

电力系统稳定器PSS超前滞后单元如果输入信号为电功率，因为-△Pe超前△ω90度，所以对于常规励磁，PSS需要超前角很小，一个超前滞后单元作为超前校正，另一个单元根据励磁系统的频率特性作频率宽度校正。对于快速励磁系统，一个单元作为滞后角校正，另一个单元可作频率宽度校正。电力系统稳定器PSS限幅单元为使大干扰时PSS的输出量造成发电机端电压的变化不超过2%～10%，对PSS的输出应该加以限制。

电力系统稳定器PSS保护单元为了不使发电机空载或甩负荷后，以△ω为输入信号的PSS输出增加，增大过电压，可用发电机主断路器常闭接点闭锁PSS。