电气工程及其自动化专业本科毕业论文[1]盱眙供电公司郑汉林

山东大学现代远程教育毕业设计（论文）

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可控励磁发电系统综合性实验的设计

摘 要

现代电力系统的发展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。发电

机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及

负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反映作用是不同的，要维

持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随

时调节同步发电机的励磁。在各类电站中，励磁系统是保证同步发电机正

常工作，提高电网稳定水平的关键设备。同步发电机励磁的自动控制在保

证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起

着十分重要的意义。

本文主要对可控励磁发电系统进行了实验设计，首先对可控励磁发电

系统做了相关简介并探讨了可控励磁发电系统的国内外未来发展形势。本

文着重在可控励磁系统中的过励限制方面作了重点分析，并设计了相关的

一个过励限制特性试验，对过励限制系统加深了了解。

关键词:

电力系统；励磁控制系统；过励限制

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目录

摘要 ...................................................................................................................... I

Abstract ............................................................................................................. Ⅱ

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 发电机励磁控制系统简介 ....................................................................... 1

1.2励磁控制系统的作用 ................................................................................ 2

1.2.1维持发电机端电压在给定水平 ....................................................... 2

1.2.2提高电力系统的静态稳定性 ........................................................... 2

1.2.3改善电力系统的暂态稳定性 ........................................................... 4

1.2.4改善电力系统的动态稳定性 ........................................................... 4

1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率 ................................... 5

1.3自动励磁调节器的组成及功能 ............................................................... 5

1.3.1基本工作电路 ................................................................................... 5

1.3.2辅助工作电路 ................................................................................... 6

1.4同步发电机励磁控制方式研究现状 ....................................................... 6

1.4.1基于单变量控制方式 ....................................................................... 6

1.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式 ........................................... 7

1.4.3非线性多变量励磁控制方式 ........................................................... 8

1.4.4智能控制方法 ................................................................................... 9

1.5国外研究及发展状况 ............................................................................. 10

第2章 励磁系统的过励限制 .......................................................................... 13

2.1 过励限制的主要特性 ............................................................................. 13

2.2限制过程 ................................................................................................. 14

2.3级差 .......................................................................................................... 14

2.4以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定 ................. 15

2.5无发电机转子过负荷保护的处理 ......................................................... 15

2.6过热量的释放和再次过励的条件 ......................................................... 15

2.7过励保护 .................................................................................................. 16

2.7.1顶值电流保护 ................................................................................. 16

2.7.2过励反时限保护 ............................................................................. 16

2.7.3过励报警信号 ................................................................................. 16

第3章 可控励磁发电系统实验装置操作及维护 .......................................... 17

3.1 实验装置操作说明 ................................................................................. 17

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3.2实验的基本要求 ..................................................................................... 18

3.3可控励磁发电系统操作运行及检测维护 .............................................. 19

3.3.1可控励磁自动调节系统的投入运行的操作步骤 ......................... 19

3.3.2自动—手动控制切换操作要点 ..................................................... 20

3.3.3可控励磁自动调节系统的正常运行要点 ..................................... 20

3.3.4励磁调节装置的退出及停机操作要点 ......................................... 21

3.3.5可控励磁自动调节装置的检查与维护 ......................................... 22

3.4控励磁发电系统常见故障及处理方法 .................................................. 23

3.4.1灭磁开关QFG的常见故障及处理方法 ....................................... 23

3.4.2调试中常见故障及处理方法 ......................................................... 24

3.4.3起励中常见故障及处理 ................................................................. 25

3.4.4空载运行中的常见故障及处理方法 ............................................. 26

3.4.5负载运行中的常见故障及处理方法 ............................................. 26

第4章 过励限制特性实验 .............................................................................. 31

4.1可控励磁发电系统过励限制电路原理及其工作特性 ......................... 31

4.2实验设备 .................................................................................................. 32

4.3实验内容与步骤 ..................................................................................... 33

结论 .................................................................................................................... 37

致谢 .................................................................................................................... 38

参考文献 ............................................................................................................ 39

附 录A .......................................................................................................... 40

附 录B .......................................................................... 错误！未定义书签。

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第1章 绪论

1.1 发电机励磁控制系统简介

同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步

发电机的励磁电源的一套系统。励磁装置一般由两部分组成，一部分用于

向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分;另

一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行

的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元，亦称励磁调节器)。 同

步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电

机励磁电流IL的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中

的运行特性。因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实施

控制的重要内容之一。

电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水

平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压

降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电

机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电

机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统

运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。

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个部分组

成。如图1-1所示。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。

励

磁

系

统

励磁功Ug

率单元

Ig

自动励磁

调节器

I

U

LH

YH

图1-1 同步发电机励磁控制系统构成示意图

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在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电

机组同轴的直流发电机供给，即直流励磁机方式。随着发电机容量的提

高，所需励磁电流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率

过大时制造存在困难，因此在大容量的发电机组上很少采用。同步发电机

半导体励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经半导体整流后

得到的。根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机半导体励磁系统又可

分为两大类：

1.他励半导体励磁系统

这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，

经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励

磁系统由于交流励磁电源取自轴功率，即主发电机之外的独立电源，故称

为他励半导体励磁系统，简称他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机

称为交流励磁机

。

2.自励半导体励磁系统

这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发

电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电

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流动的有功功率P与线路两端电压、，线路电抗X间的关系为：

UU

12

Psin

UU

12



（1-1）

X

其中，为两端电压之间的电角度差。在=时线路达到所能输送的极



90

o

限功率，即

P

m

UU

12

X

对于单机——无穷大母线系统，不考虑凸极效应和定子电阻。发电机送出

的有功功率P可用以下两式表示

Psin

eqEq

EU

qs

XXX

dTL



（1-2）

Psin

UtUt

UU

ts



（1-3）

XX

TL

式中：为E与U间的电角度差；为U与U间的电角度差；X为



Eq

qstsd



Ut

发电机同步电抗；X为变压器电抗；X为线路电抗；E为发电机空载电

tLq

动势（励磁电动势）；U为发电机机端电压；Us为无穷大母线电压。

t

在发电机不进行励磁调节，即E=E不变的条件下，极限功率角为

qq0



Eq

=，线路所能传送的静稳极限功率为：

90

o

P

mEq

EU

qs

XXX

dTL

（1-4）

当有励磁调节器，并且具有足够能力维持发电机端电压为恒定不变时，极

限功率角为=，此时线路所能输送的静稳极限功率为



Ut

90

o

P

mUt

UU

ts

（1-5）

XX

TL

XX

d

'

d

那一段器由于允许的反馈增益系数较小，通常只相当于补偿掉

由于同步发电机内电抗较大，通常P要大于P。这样，发电机励

mUtmEq

磁调节器实际上起到了补偿发电机内电抗的作用。最初的复励和电压校正

内阻抗，这时静稳功率极限只提高到维持不变的功角特性最大值。灵

E

'

q

敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端电压恒定，相当于补偿了全部发

电机的d轴同步电抗，即达到线路静稳功率极限。

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1.2.3改善电力系统的暂态稳定性

电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰（如短路，断线等）

时，能否维持同步运行的能力。总的来说，调节励磁对暂态稳定的改善没

有对静态稳定那样显著。励磁系统对提高暂态稳定而言，表现在强行励磁

和快速励磁的作用上。

当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为

电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高

输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最基本的困难之一

是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出

现，使这一问题得到了圆满的解决。

只有励磁电压上升快速并且顶值电压高的励磁系统对于改善暂态稳定

才有较显著的作用，快速强励可减少加速面积，增加减速面积，提高系统

的暂态稳定性。由于提高励磁系统的强励倍数受到励磁系统和发电机制造

成本的制约以及发电机转子时间常数较大使励磁电流上升速度受到限制等

原因，使得靠励磁控制来提高暂稳极限的幅度不可能像提高静稳极限那么

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定性，这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁自动调节系统强励能

力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措

施。

1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率

多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械

功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之

间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并联发电机间承担的无功

功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关

系。

当母线电压发生波动时，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。通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量

的大小成比例的进行分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量

机组担负的无功增量相应小写，这样就可使得各机组无功增量的标幺值相

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1.3.2辅助工作电路

辅助工作电路是为了使发电机安全运行而设置的各种保护电路和便于

运行操作的附加装置。主要有：

1.起励电路：启动发电机时，当发电机转子的剩磁无法建立电压时，

要利用起励电路供给发电机初始励磁电流。

2.手动、自动控制方式切换电路：在发电机组进行试验，线路递升加

压和继电保护试验时，必须由手动方式调节励磁。此外，手动调节励磁电

路还可作为自动调节励磁电路故障时的备用。

3.欠励限制电路：为了防止励磁电流过分降低时，发电机定子电流和

电压关系由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角，导致发电机发生进

相运行，使机组失去稳定或危及机组的安全运行，故设置欠励限制电路。

4.过励限制电路：当系统电压剧降时，自动励磁调节器将对发电机进

行强励，为了保证发电机和可控整流桥的安全，故设置过励限制电路将转

子励磁电流限制在安全范围内。

5.低压触发电路：在自并励型可控硅静止励磁系统中，当发电机端电

压过度降低时，会导致励磁变压器副边电压过低，使励磁系统无法工作。

这时装设低电压触发电路可使可控硅元件在瞬间完全导通，迅速提升励磁

电流。

1.4同步发电机励磁控制方式研究现状

同步发电机励磁调节对提高电力系统稳定性起着重要的作用，随着快

速励磁系统的广泛应用，励磁控制对电力系统稳定性的影响效果越来越明

显，科技工作者对发电机励磁控制系统进行了长期而广泛的研究，取得了

许多显著的成果。研究主要集中在两个方面:一是励磁方式的改进，二是励

磁控制方式的改进。这两方面是相互联系的。随着控制理论的不断发展，

励磁控制方式主要经历了三个发展阶段，即单变量控制阶段、线性多变量

控制阶段和非线性多变量控制阶段。

1.4.1基于单变量控制方式

单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差V的比例进行调



t

节或V的比例一积分一微分进行调节(PID调节方式)。运用古典控制理



t

论建立按V的比例进行的励磁调节是由于无法对控制对象进行精确的数



t

学模型描述而采取的一种简单实用的控制方法，但对增益K的调整却出现

了矛盾。要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益K的值限制在一定范

围，而要提高系统的稳态精度就得使增益K大于某一值，有时这二者是无

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