同步发电机自动励磁.ppt

电力系统自动化内容电力系统自动化内容电力系统电力系统调度自动化调度自动化发电厂发电厂自动化自动化变电站自变电站自动化动化发电自动控制无功/电压有功/频率第第5章章 同步发电机自动励磁控制系统同步发电机自动励磁控制系统5.1 同步发电机励磁系统的任务同步发电机励磁系统的任务 一、电力系统无功功率控制的必要性一、电力系统无功功率控制的必要性1.维持系统电压正常水平维持系统电压正常水平电力系统电压水平主要是由电力系统中无功功率平衡来维持的。电力系统电压水平主要是由电力系统中无功功率平衡来维持的。整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：整个电力系统无功功率平衡关系可由下式表示：无功电源无功电源i向系统供给的无功功率；向系统供给的无功功率；负荷负荷j所消耗的无功功率；所消耗的无功功率；电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；电力系统中变压器、线路中所损耗的无功功率；在任意时刻，系统所产生的无功功率与系统中所消耗的无功功率总是平衡的。在任意时刻，系统所产生的无功功率与系统中所消耗的无功功率总是平衡的。问题是在多高的电压下达到平衡的问题是在多高的电压下达到平衡的?系统无功负荷系统无功负荷(包括无功损耗包括无功损耗)静态电压特性如图静态电压特性如图5.15.1所示。所示。系统无功电源所发出的无功功率偏系统无功电源所发出的无功功率偏离系统在额定电压下的无功需求越离系统在额定电压下的无功需求越大，系统实际运行电压就偏离额定大，系统实际运行电压就偏离额定电压越大，电网电能质量越差，有电压越大，电网电能质量越差，有可能使电网电压超出其允许范围。可能使电网电压超出其允许范围。控控制制无无功功电电源源所所发发出出的的无无功功功功率率就就可可以以维维持持系系统统电电压压运运行行在在其其允允许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。许变化范围之内，保证电网电压正常运行水平。2.提高电力系统运行的经济性提高电力系统运行的经济性（1 1）系统的无功电源：）系统的无功电源：主要主要:同步发电机同步发电机,另外另外:并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器并联电容器、同步调相机、同步电动机、静止补偿器等。等。（2 2）选用哪种无功电源，将它们配置在何处如何控制系统中无功电源的出）选用哪种无功电源，将它们配置在何处如何控制系统中无功电源的出力，是很重要的。力，是很重要的。这些工作做得好不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功这些工作做得好不仅可以提高电力系统的电压质量，而且还会减少无功功率传输过程中造成的无功和有功功率损耗，因而可以提高系统运行的经济性。率传输过程中造成的无功和有功功率损耗，因而可以提高系统运行的经济性。例如例如:对于远离负荷中心的电厂，就不要它发过多的无功功率送往负荷对于远离负荷中心的电厂，就不要它发过多的无功功率送往负荷,这是这是因为远距离地从电源经过变压器和输电线路内负荷输送无功功率，会产生电因为远距离地从电源经过变压器和输电线路内负荷输送无功功率，会产生电压损耗压损耗(高压线路和变压器上的电压损失主要是出无功功率造成的高压线路和变压器上的电压损失主要是出无功功率造成的)和有功功和有功功率损托，而且输送距离越远，经过的环节越多，电压损耗和有功功率损耗也率损托，而且输送距离越远，经过的环节越多，电压损耗和有功功率损耗也就越大。就越大。因此，因此，无功功率一般都尽可能地就地、就近平衡无功功率一般都尽可能地就地、就近平衡。3.维持电力系统运行的稳定性维持电力系统运行的稳定性发发电电机机是是电电力力系系统统中中主主要要的的无无功功电电源源，发发电电机机的的端口电压是由其励磁调节系统自动控制的。端口电压是由其励磁调节系统自动控制的。合合理理的的选选用用自自动动励励磁磁调调节节器器，就就可可以以保保证证发发电电机机的的端端口口电电压压维维持持不不变变，从从而而提提高高系系统统的的静静态态稳稳定定性。性。另另外外，现现代代发发电电机机都都装装有有快快速速响响应应的的励励磁磁调调节节系系统统，可可以以保保证证当当系系统统发发生生故故障障而而使使发发电电机机端端电电压压低低于于(85%90%)(85%90%)时时，能能快快速速而而大大幅幅度度地地增增大大励励磁磁电电流流，提提高高了了发发电电机机电电动动势势，增增加加了了发发电电机机输输出出的的电电磁磁功功率率，减减小小了了转转子子的的不不平平衡衡功功率率，从从而而减减小加速面积，有效地改善系统的暂态稳定性小加速面积，有效地改善系统的暂态稳定性。发电机励磁系统的任务电电压压控控制制无无功功分分配配提提高高稳稳定定强强行行励励磁磁强强行行减减磁磁同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统=励磁功率单元励磁功率单元+励磁调节器励磁调节器 同步发电机励磁控制系统示意图同步发电机励磁控制系统示意图二、同步发电机励磁系统的任务二、同步发电机励磁系统的任务同同步步发发电电机机是是系系统统重重要要的的无无功功电电源源，其其无无功功功功率率的的输输出出是是由由它它的励磁系统来控制的的励磁系统来控制的同步发电机励磁系统的任务主要有以下几个方面。同步发电机励磁系统的任务主要有以下几个方面。1.1.控制发电机端电压控制发电机端电压 通过励磁系统来控制调节控制同步发电机的端电压是通过励磁系统来控制调节控制同步发电机的端电压是一种不需一种不需耗费投资而且最直接的调压手段。耗费投资而且最直接的调压手段。在在发发电电机机不不经经升升压压直直接接向向用用户户供供电电的的简简单单系系统统中中，若若供供电电线线路路不不长长，线线路路上上电电压压损损耗耗不不大大，单单靠靠调调节节发发电电机机的的励励磁磁来来控控制制发发电机的端电压就能满足负荷对电压质量的要求。电机的端电压就能满足负荷对电压质量的要求。（1 1）单机运行时：）单机运行时：在正常运行时，励磁电流在正常运行时，励磁电流I IEFEF在发电机励磁线圈在发电机励磁线圈FLQFLQ中建立磁场，使定子绕组中建立磁场，使定子绕组产生感应电势产生感应电势EqEq，在不考，在不考虑铁心饱和程度影响时，虑铁心饱和程度影响时，感应电势的大小与励磁电感应电势的大小与励磁电流的大小成正比，因此通流的大小成正比，因此通过调整过调整I IEFEF的大小就可使的大小就可使EqEq发生相应的变化发生相应的变化.其电势平衡方程为其电势平衡方程为发发电电机机稳稳态态运运行行时时的的向向量量图图如如图图5.3(c)5.3(c)所示，由向量关系可得所示，由向量关系可得 发电机功角，即发电机功角，即EqEq与与U UG G的相位差；的相位差；IqIq发电机定子电流无功分量；发电机定子电流无功分量；发电机功率因数发电机功率因数(亦是负荷功率因数亦是负荷功率因数)。一般一般值很小，可近似认为值很小，可近似认为cos =1，由式，由式(5-2)(5-2)可得可得I IG G发电机定子电流发电机定子电流(亦是负荷电流亦是负荷电流)XdXd发电机直轴电抗发电机直轴电抗 因因发发电电机机的的直直轴轴电电抗抗XdXd为为常常数数，发发电电机机的的端端电电压压U UG G的的大大小小是是由由其感应电势其感应电势EqEq及负荷电流无功分量及负荷电流无功分量IqIq的大小决定的。的大小决定的。EqEq和和发发电电机机励励磁磁电电流流I IEFEF成成正正比比,上上式式说说明明，当当I IEFEF 不不变变时时,Iq,Iq变变化化将将引引起起U UG G变变化化，即即发发电电机机单单机机带带负负荷荷运运行行时时，电电压压变变化化主主要要是由定子电流的无功分量是由定子电流的无功分量IqIq的变化引起的。的变化引起的。上式还说明，如果发电机无功电流上式还说明，如果发电机无功电流IqIq不变，改变不变，改变I IEFEF可以改变可以改变EqEq，进而可以改变，进而可以改变U UG G或使或使U UG G保持恒定保持恒定.即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。即发电机单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机电压。（2 2）当发电机并入电力系统运行时）当发电机并入电力系统运行时发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无发电机并入电力系统运行时，电力系统的电压水平由系统中无功电源发出的功电源发出的无功功率总和无功功率总和与系统中负荷所与系统中负荷所消耗的无功功率总消耗的无功功率总和之间的平衡关系决定。和之间的平衡关系决定。由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因由于单机容量相对电力系统中发电机总容量来说是有限的，因此改变一台发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不此改变一台发电机的励磁电流对电力系统电压水平的影响就不象单机带负荷运行时对发电机电压的影响那么大。而且电力系象单机带负荷运行时对发电机电压的影响那么大。而且电力系统的容量越大，这种特征越明显。统的容量越大，这种特征越明显。当电力系统容量无穷大时，系统电压为恒定值。改变一台发电当电力系统容量无穷大时，系统电压为恒定值。改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水平就一点影响也没有了。机的励磁电流对系统的电压水平就一点影响也没有了。但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入但是，由于电力系统中各节点电压是不相同的，因此，对并入电力系统的发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。电力系统的发电机电压随励磁电流变化的情况要做具体分折。下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：下面是发电机经变压器和输电线路并入电力系统的情况：变变压压器器漏漏抗抗和和输输电电线线路路电电抗抗归归算算值值(归归算算到到发发电电机机电电压压等等级级下下)；电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值电力系统电压和变压器高压侧电压的归算值。而而所以所以通通过过调调节节发发电电机机励励磁磁电电流流来来改改变变发发电电机机感感应应电电势势Eq,Eq,可可以以改改变变发发电电机机输输出出的的无无功功电电流流IqIq，从从而而调调节节发发电电机机端端电电压压UxUx和和变变压压器器高高压压侧侧电电压压U UB B，或维持它们在给定的范围内，或维持它们在给定的范围内.如如发发电电机机直直接接接接入入无无穷穷大大电电力力系系统统，即即X XB B=0=0，X XL L=0=0，则则发发电电机机端端电电压压等等于于系系统统电电压压，并并随随系系统统电电压压的的变变化化而而变变化化，此此时时发发电电机机励励磁磁调调节系统不再有调节发电机端电压的作用。节系统不再有调节发电机端电压的作用。由以上分析可知：由以上分析可知：结论结论:同同步步发发电电机机励励磁磁控控制制系系统统对对发发电电机机端端电电压压的的调调节节控控制制作作用用是是与与接入系统容量的大小有关，接入系统容量的大小有关，其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，通通常常在在由由一一台台发发电电机机供供电电的的小小系系统统中中，仅仅靠靠发发电电机机的的励励磁磁控控制制系系统统对对发发电电机机端端电电压压的的调调节节作作用用，就就能能满满足足系系统统对对电电压压质质量量的的要求。要求。注注意意：真真正正无无穷穷大大系系统统是是不不存存在在的的，只只是是发发电电机机端端电电压压受受励励磁磁电流的影响较小罢了。电流的影响较小罢了。由以上分析可知：由以上分析可知：结论结论:同同步步发发电电机机励励磁磁控控制制系系统统对对发发电电机机端端电电压压的的调调节节控控制制作作用用是是与与接入系统容量的大小有关，接入系统容量的大小有关，其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，通通常常在在由由一一台台发发电电机机供供电电的的小小系系统统中中，仅仅靠靠发发电电机机的的励励磁磁控控制制系系统统对对发发电电机机端端电电压压的的调调节节作作用用，就就能能满满足足系系统统对对电电压压质质量量的的要求。要求。注注意意：真真正正无无穷穷大大系系统统是是不不存存在在的的，只只是是发发电电机机端端电电压压受受励励磁磁电流的影响较小罢了。电流的影响较小罢了。2.合理分配并联运行发电机间的无功功率合理分配并联运行发电机间的无功功率 现代电力系统是由许多发电厂、变电所及线路组成的庞大而复现代电力系统是由许多发电厂、变电所及线路组成的庞大而复杂的系统，无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机及杂的系统，无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机及静止补偿器等。静止补偿器等。由于发电机是系统中主要的无功电源。为了保证系统的电压质由于发电机是系统中主要的无功电源。为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分布量和无功潮流合理分布,要求合理控制电力系统中并联运行发要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功劝率。电机输出的无功劝率。所谓所谓“合理控制合理控制”包含两层意思；包含两层意思；(1)(1)每台发电机发出的无功功率数量要合理；每台发电机发出的无功功率数量要合理；(2)(2)当系统电压变化时每台发电机输出的无功功率要随之自当系统电压变化时每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。动调节，而且调节量要合理。(1)发电机无功功率的控制原理发电机无功功率的控制原理设单机无穷大系统其接线图如图所示：GIG.UG=常数常数.以同步发电机接于无穷大电力系统为例说明发电机无功功率的以同步发电机接于无穷大电力系统为例说明发电机无功功率的控制原理。控制原理。因因系系统统为为无无穷穷大大，系系统统电电压压U UX X恒恒定定不不变变，发发电电机机端端电电压压U UG G亦亦恒恒定定不不变变，另另外外在在调调整整发发电电机机无无功功功功率率时时不不会会引引起起发发电电机机有有功功功功率率的的改改变变，即即发发电机输出的有功功率电机输出的有功功率P PG G为一常数。为一常数。在在忽忽略略发发电电机机定定子子损损耗耗及及凸凸极极效效应应时，发电机输出的有功功率为时，发电机输出的有功功率为得出：得出：发发电电机机输输出出电电流流I IG G在在横横轴轴上上的的分分量量是是不不变变的的，I IG G的的端端点点在在相相量量图图中中只能沿虚线只能沿虚线BBBB移动移动.发电机端电压不变发电机端电压不变当当励励磁磁电电流流由由I IEF1EF1增增加加I IEF2EF2时时，发发电电机机的的各各运运行行参参数数将将由由下下角角标标为为“1”“1”的的量量变变为为下下角角标标为为“2”“2”的的量量，从从相相量量图图中中可可以以看看出出，当当励励磁磁电电流流增增加加时时，发发电电机机输输出出电电流流I IG G的的无无功功分分量量I IG Gsinsin是是增增加加的的，故故发电机发出的无功功率发电机发出的无功功率 亦是增加的亦是增加的.同同理理，当当发发电电机机的的励励磁磁电电流流I IG G减减小小时时，发发电电机机发发出出的的无无功功功功率率就就减减少。少。以以上上分分析析说说明明：当当发发电电机机接接于于无无穷穷大大系系统统时时，通通过过调调节节发发电电机机励励磁磁电电流流的的大大小小就就可可以以控控制制发发电电机机输输出出的的无无功功功功率率的的大大小小，这这就就是是发发电电机无功功率调节控制原理。机无功功率调节控制原理。由上可知：当调节发电机的励磁电由上可知：当调节发电机的励磁电流时，发电机感应电势流时，发电机感应电势EqEq在纵轴上在纵轴上的分量是不变的，的分量是不变的，EqEq的端点在相量的端点在相量图中只能沿虚线图中只能沿虚线AAAA移动；移动；在实际运行中，与发电机并联的电力系统并不是真正在实际运行中，与发电机并联的电力系统并不是真正意义上的无穷大系统，系统电压意义上的无穷大系统，系统电压U UG G将随系统负荷的变将随系统负荷的变化而变化。化而变化。发电机输出的无功功率不仅与发电机的励磁电流发电机输出的无功功率不仅与发电机的励磁电流I IEFEF有有关，还与发电机的端电压关，还与发电机的端电压U UG G(即系统电压即系统电压U UX X)有关，并且有关，并且也影响与之并联运行机组输出的无功功率。也影响与之并联运行机组输出的无功功率。同步发电机的励磁自动控制系统还承担着并联运行机同步发电机的励磁自动控制系统还承担着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。组间无功功率合理分配的任务。(2)(2)合理分配并联运行发电机间的无功功率。合理分配并联运行发电机间的无功功率。当当多多台台同同步步发发电电机机接接于于同同一一母母线线并并联联运运行行时时，系系统统所所取取用用的的无无功功功功率率由由这这多多台台发发电电机机共共同同承承担担。根根据据负负荷荷变变化化的的需需要要，当当系系统统所所取取用用的的无无功功功功率率发发生生变变化化时时，并并联联运运行行的的各各发发电电机机输输出出的的无无功功功功率率是是如如何何分配的呢？分配的呢？下下面面以以两两台台发发电电机机并并联联运运行行为为例例，分分析析无无功功功功率率的的分配情况。分配情况。如图如图5.6(a)5.6(a)所示，所示，U UM M为母线电压，为母线电压，Iq1Iq1、Iq2Iq2分别为发电机分别为发电机G1G1、G2G2输出的无功电流，输出的无功电流，IqIq为系统所取用的无功电流，为系统所取用的无功电流，二者之间的关系如下：二者之间的关系如下：并并联联运运行行的的各各发发电电机机间间无无功功电电流流的的分分配配取取决决于于各各发电机的外特性，如图发电机的外特性，如图5.6(b)5.6(b)所示。所示。当当母母线线电电压压为为U UM1M1时时，发发电电机机G1G1所所发发出出的的无无功功电电流流为为Iq1Iq1，G2G2所所发发出出的的无无功功电电流流为为Iq2Iq2，并并有有Iq1Iq2Iq1Iq2。当当电电网网的的无无功功负负荷荷增增加加时时，即即系系统统取取用用的的无无功功电电流流增增加加，则则要要求求发发电电机机输输出出的的无无功功电电流流也也要要相相应应地地增增加加。由由于于发发电电机机G1G1、G2G2都都有有下下倾倾的的外外特特性性，所所以以母母线线电电压压必必然然相相应应地地下下降降。假假设设母母线线电电压压由由UM1UM1下下降降到到UM2UM2，发发电电机机G1G1的的无无功功电电流流将将增增至至Iq1Iq1，G2G2的无功电流将增至的无功电流将增至Iq2Iq2。从从图图中中可可看看出出：由由于于两两台台发发电电机机的的外外特特性性不不同同，造造 成成 它它 们们 无无 功功 电电 流流 的的 变变 化化 亦亦 不不 相相 同同，即即 ，改改变变了了负负荷荷增增加加前前两两台台发发电电机机无无功功电电流流分分配配的的比例。外特性斜率相差越大，其改变程度也越大。比例。外特性斜率相差越大，其改变程度也越大。在在实实际际运运行行中中，为为了了合合理理利利用用发发电电机机组组的的容容量量，希希望望各各台台发发电电机应按照其额定容量的大小成比例的分配其输出的无功电流。机应按照其额定容量的大小成比例的分配其输出的无功电流。从从以以上上分分析析可可以以看看出出，只只要要并并联联发发电电机机的的 特特性性完完全全一一致致时时（为为发发电电机机无无功功电电流流与与其其无无功功电电流流额额定定值值的的比比值值)，才才能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。将将并并联联运运行行且且容容量量不不同同的的发发电电机机组组直直接接做做成成相相同同的的 特特性性是不可能的。是不可能的。在在发发电电机机自自动动励励磁磁调调节节系系统统中中有有一一个个形形成成发发电电机机外外特特性性的的环环节节-调调差差环环节节，通通过过它它可可以以改改变变发发电电机机的的外外特特性性，很很容容易易地地做做到到使使并并联联运运行行发发电电机机组组的的外外特特性性都都一一致致，从从而而达达到到并并联联机机组组间间无无功负荷合理分配的目的。功负荷合理分配的目的。保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。当当系系统统受受到到各各种种干干扰扰或或发发生生各各种种故故障障时时，系系统统稳稳定定运运行行的的平平衡衡条件就被打破，系统将从一种运行状态过渡到另一种运行状态。条件就被打破，系统将从一种运行状态过渡到另一种运行状态。电电力力系系统统运运行行的的稳稳定定性性就就是是指指从从一一种种稳稳定定运运行行状状态态能能否否过过渡渡到到另一种稳定运行状态的能力，它分为静态稳定和暂态稳定两类。另一种稳定运行状态的能力，它分为静态稳定和暂态稳定两类。现现在在，又又把把电电力力系系统统受受到到干干扰扰后后，涉涉及及自自动动调调节节和和控控制制装装置置作作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。下下面面主主要要分分析析发发电电机机的的励励磁磁自自动动控控制制系系统统对对静静态态稳稳定定和和暂暂态态稳稳定的影响。定的影响。3.提高同步发电机并联运行的稳定性提高同步发电机并联运行的稳定性(1)(1)对静态稳定性的影响。对静态稳定性的影响。仍以图仍以图5.55.5为例，发电机直接并联于无穷大系统。当忽略发电机定为例，发电机直接并联于无穷大系统。当忽略发电机定子损耗及凸极效应时，发电机的输出功率为子损耗及凸极效应时，发电机的输出功率为上上式式说说明明，对对应应于于某某一一固固定定感感应应电电势势值值时时，发发电电机机输输出出功功率率是是功功角角的的正正弦弦函函数数，如如图图5.75.7所所示示，称称为为同同步步发发电电机机的的功功角角特特性性。当当功功角角 时时发发电电机机输输出出功功率率为为最最大大值值，该该值值称称为为发发电电机机的的极极限限功率。其大小为功率。其大小为从从理理论论上上讲讲，只只要要系系统统所所取取用用的的有有功功功功率率 ，发发电电机机的的功功角角 ，其其运运行行是是静静态态稳稳定定的的。否否则则，发发电电机机就就不不能能稳稳定定运运行行。从从以以上上分分析析可可知知发发电电机机运运行行的的功功角角愈愈小小，其其抗抗干干扰扰能能力力愈愈强强，运运行行的的静静态态稳稳定定性性愈愈好好。另另一一方方面面，功功角角愈愈小小发发电电机机输输出出功功率率亦亦越越小小，发发电电机机的的容容量量不不能能得得到到充充分分利利用用。在在实实际际运运行行时时，既既要要考考虑虑充充分分发发挥挥发发电电机机效效力力，又又要要考考虑虑因因系系统统干干扰扰造造成成发发电电机机运运行行不不稳稳定定，通通常常是是让让发电机运行在功角发电机运行在功角 。图图5.7 5.7 同步发电机同步发电机的功角特性的功角特性 从图从图5.5(b)5.5(b)发电机稳态运行相量图中可看出，发电机稳态运行相量图中可看出，当当发发电电机机发发出出的的有有功功功功率率P PG G不不变变时时，通通过过增增加加发发电电机机的的励励磁磁电电流流I IEFEF，即即增增大大发发电电机机的的感感应应电电势势EqEq，可可使使发发电电机机的的功功角角减减小小，从从而提高发电机运行的稳定性。而提高发电机运行的稳定性。从从发发电电机机的的功功角角特特性性曲曲线线上上分分析析可可得得到到相相同同的的结结论论，如如当当系系统统电电压压U UG G不不变变时时，提提高高发发电电机机的的励励磁磁电电流流I IEFEF ，即即增增大大发发电电机机的的感感应应电电势势Eq Eq，可可使使发发电电机机的的功功角角特特性性曲曲线线上上移移，在在相相同同的的功功角角下下，使发电机输出的有功功率增大，从而可保证发电机运行的稳定性。使发电机输出的有功功率增大，从而可保证发电机运行的稳定性。(2)(2)对暂态稳定性的影响。对暂态稳定性的影响。当当系系统统正正常常运运行行时时，发发电电机机工工作作在在a a点点，发发电电机机输输出出的的有有功功功功率率为为PG=P1(P1PG=P1(P1为系统取用的有功功率为系统取用的有功功率)。当当系系统统中中某某点点发发生生故故障障时时，阻阻断断了了发发电电机机与与系系统统之之间间的的部部分分联联系系(影影响响程程度度与与故故障障点点至至发发电电机机的的电电气气距距离离有有关关)，系系统统取取用用功功率率由由P1P1急急剧剧减减小小，从从而而使使发发电电机机的的输输出出功功率率PGPG急急剧剧减减小小，其其运运行行点点突突变变到到曲曲线线2 2的的b b点点，发发电电机机的的输输入入功功率率由由于于惯惯性性而而不不会会突突变变减减小小，造造成成发发电电机机的的输输入入功功率率大大于于输输出出功功率率，其其输输入入转转矩矩大大于于发发电电机机的的电电磁磁转转矩矩，使使发发电电机机转转子子加加速速，发发电电机机的的运运行行点点由由b b点点沿沿曲曲线线2 2向向c c点点移移动动，其其功功角角不不断断增增大大。当当故故障障切切除除后后，发发电电机机运运行行到到曲曲线线3 3上上的的d d点点。如如果果在在故故障障时时快快速速提提高高励励磁磁电电流流，即即增增加加发发电电机机的的感感应应电电势势，使使发发电电机机故故障障时时的的功功角角特特性性曲曲线线2 2的的幅幅值值增增加加，从从而而使使发发电电机机在在故故障障时时的的输输出出功功率率相相对对较较大大，降降低低转转子子加加速速程程度度，提高发电机的暂态稳定性。提高发电机的暂态稳定性。提提高高同同步步发发电电机机的的强强励励能能力力，即即提提高高励励磁磁顶顶值值电电压压和和励励磁磁电电压压的的上上升升速速度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。同步发电机暂态功角特性曲线如图同步发电机暂态功角特性曲线如图5.85.8所示，所示，曲线曲线1 1对应于正常运行时的状态；曲线对应于正常运行时的状态；曲线2 2对应对应于故障时的运行状态；于故障时的运行状态；曲线曲线3 3对应于故障切除后的运行状态。对应于故障切除后的运行状态。发电机励磁系统的任务强行励磁以改善电力系统运行条件1 1改善异步电动机的自启动改善异步电动机的自启动2 2为异步发电机运行创造条件为异步发电机运行创造条件3 3提高继电保护工作的准确性提高继电保护工作的准确性4.4.改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件4.4.改善电力系统的运行条件改善电力系统的运行条件当当电电力力系系统统由由于于种种种种原原因因，出出现现短短时时低低电电压压时时，发发电电机机的的励励磁磁自自动动控控制制系系统统可可发发挥挥其其调调节节功功能能，即即大大幅幅度度地地快快速速增增加加励励磁磁电电流流以以提提高系统电压来改善系统运行条件。高系统电压来改善系统运行条件。(1)(1)改善异步电动机的自起动条件改善异步电动机的自起动条件。电电力力系系统统发发生生短短路路故故障障时时，故故障障点点附附近近系系统统电电压压大大幅幅下下降降，使使大大多多数数用用户户的的电电动动机机处处于于回回馈馈制制动动状状态态，转转速速下下降降。故故障障切切除除后后，由由于于电电动动机机自自启启动动时时要要吸吸收收大大量量的的无无功功功功率率，以以致致延延缓缓了了电电网网电电压压的的恢恢复复过过程程。发发电电机机强强行行励励磁磁的的作作用用可可以以加加速速系系统统电电压压的的恢恢复复，有有效效地地改改善善电电动动机机的的自自启启动动条条件件。图图5.95.9表表示示了了机机组组有有励励磁磁自自动动控控制和没有励磁自动控制时，短路切除后电压恢复的不同情况制和没有励磁自动控制时，短路切除后电压恢复的不同情况。(2)(2)为发电机异步运行创造条件。为发电机异步运行创造条件。当发电机的励磁系统发生故障时，有可能使同步发电机失去励磁，当发电机的励磁系统发生故障时，有可能使同步发电机失去励磁，这时发电机将从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅下这时发电机将从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅下降，严重时会危及系统的安全运行。降，严重时会危及系统的安全运行。此时，此时，如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率来维持系如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率来维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步方式维统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步方式维持运行。这不但可以确保系统安全运行，而且有利于机组热力设持运行。这不但可以确保系统安全运行，而且有利于机组热力设备的运行。备的运行。(3)(3)提高继电保护装置工作的正确性。提高继电保护装置工作的正确性。当当系系统统处处于于低低负负荷荷运运行行状状态态时时，系系统统中中的的某某些些发发电电机机的的励励磁磁电电流流不不大大，若若系系统统此此时时发发生生短短路路故故障障，其其短短路路电电流流较较小小，且且随随时时间间衰衰减减，有有可可能能导导致致带带时时限限的的继继电电保保护护不不动动。励励磁磁自自动动控控制制系系统统就就可可以以通通过过调调节节发发电电机机的的励励磁磁电电流流以以提提高高系系统统电电压压，增增大大短短路路电电流流，使继电保护装置可靠动作。使继电保护装置可靠动作。5.5.防止水轮发电机过电压防止水轮发电机过电压水水轮轮发发电电机机在在因因系系统统故故障障被被切切除除或或突突然然甩甩负负荷荷时时，一一方方面面由由于于水水轮轮发发电电机机组组的的机机械械转转动动惯惯量量很很大大，另另一一方方面面为为了了引引水水管管道道的的安安全全，不不能能迅迅速速关关闭闭水水轮轮机机的的导导水水叶，致使发电机的转速急剧上升。叶，致使发电机的转速急剧上升。如如果果不不采采取取措措施施迅迅速速降降低低发发电电机机的的励励磁磁电电流流，则则发发电电机机感感应应电电势势有有可可能能升升高高到到危危及及定定子子绕绕组组绝绝缘缘的的程程度度。因此要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能因此要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能.三、对同步发电机励磁系统设计的基本要求三、对同步发电机励磁系统设计的基本要求1.1.对励磁调节器的要求对励磁调节器的要求励磁调节器的励磁调节器的主要功能是检测和综合系统运行状态的信息，经相主要功能是检测和综合系统运行状态的信息，经相应处理后，产生控制信号，控制励磁功率单元，以得到所要求的应处理后，产生控制信号，控制励磁功率单元，以得到所要求的发电机励磁电流，发电机励磁电流，对其如下要求对其如下要求:(1)(1)有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。(2)(2)系系统统正正常常运运行行时时，励励磁磁调调节节器器应应能能反反映映发发电电机机端端电电压压的的高高低低，以维持发电机端电压的给定水平。以维持发电机端电压的给定水平。在在调调差差装装置置不不投投入入的的情情况况下下，励励磁磁控控制制系系统统的的自自然然调调差差系系数数一一般般在在1%1%内。内。励磁控制系统结构框图励磁控制系统结构框图励磁系统的组成如图励磁系统的组成如图:(3)(3)励磁调节器应能合理分配机组的无功功率。励磁调节器应能合理分配机组的无功功率。为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10%10%以内进行调整。以内进行调整。(4)(4)对对远远距距离离输输电电的的发发电电机机组组，为为了了能能在在人人工工稳稳定定区区域域运运行行，要求励磁调节器没有失灵区。要求励磁调节器没有失灵区。(5)(5)励励磁磁调调节节器器应应能能迅迅速速反反应应系系统统故故障障，具具备备强强行行励励磁磁等等控控制功能，以提高系统暂态稳定和改善系统运行条件。制功能，以提高系统暂态稳定和改善系统运行条件。2.2.对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求发发电电机机励励磁磁功功率率单单元元向向同同步步发发电电机机提提供供直直流流电电流流，除除自自并并励励励磁方式外，一般是由励磁机担当的。励磁方式外，一般是由励磁机担当的。励磁功率单元受励磁调节器控制励磁功率单元受励磁调节器控制，对其如下要求：，对其如下要求：(1)(1)要要求求励励磁磁功功率率单单元元有有足足够够的的可可靠靠性性并并具具有有一一定定的的调调节节容容量量。在在电电力力系系统统运运行行中中，发发电电机机依依靠靠励励磁磁电电流流的的变变化化进进行行系系统统电电压压和和无功功率控制。无功功率控制。因因此此，励励磁磁功功率率单单元元应应具具备备足足够够的的容容量量以以适适应应电电力力系系统统中中各各种种运运行工况的要求。行工况的要求。(2)(2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从从改改善善电电力力系系统统运运行行条条件件和和提提高高电电力力系系统统暂暂态态稳稳定定性性来来说说，希希望望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因因此此，在在励励磁磁系系统统中中励励磁磁顶顶值值电电压压和和电电压压上上升升速速度度是是两两项项重重要要的的指标。指标。励励磁磁顶顶值值电电压压是是励励磁磁功功率率电电源源在在强强行行励励磁磁时时可可能能提提供供的的最最高高输输出出电电压压值值，该该值值与与额额定定工工况况下下励励磁磁电电压压之之比比称称为为强强励励倍倍数数。其其值值的的大小，涉及制造成本等因素，一般取大小，涉及制造成本等因素，一般取1.621.62。