摘要：发电机的自动励磁调节器（AER）是为了提高电力系统稳态和动态性能，对同步发电机、同步调相机和大型同步电动机的励磁进行自动调节的一种关键控制装置。按其调节原理可分为模拟式和数字式两大类。两类AER的基本功能相同，但数字式AER具有更大的灵活性，可实现和扩充模拟式AER难以实现的功能，充分发挥数字技术的优越性。本文系统阐述了数字式AER的基本功能性框图，详细解析了调差环节、测量比较、PID调节、移相与脉冲放大、可控整流等主通道各组成部分的功能与工作原理——当发电机电压升高时，偏差电压经PID调节使移相触发脉冲后移、控制角α增大、整流输出电压减小、励磁电流下降、机端电压回落，反之则相反；介绍了模拟式AER的基本控制（调差、测量比较、综合放大、移相触发、可控整流）与辅助控制（励磁系统稳定器、电力系统稳定器、励磁限制器）两大部分的作用；深入分析了励磁控制系统动态特性的定义、评价指标（上升时间、超调量、调节时间、振荡次数）及其影响因素，阐述了电压速率负反馈环节（励磁系统稳定器）对提高系统稳定性的作用机理与参数整定原则，以及改善动态特性的其他措施；最后对比说明了数字式励磁调节器以微型计算机为核心，通过数据采集、脉冲输出、控制输出过程通道和人机接口实现对发电机组励磁的综合调节控制，并指出数字式AER与模拟式AER在原理上的共同点与差异。本文可为发电机励磁控制系统的选型、设计与调试提供技术参考。
一、励磁调节装置的组成
图1示出了数字式AER的基本功能性框图，其主通道由调差环节、测量比较、PID调节、移相和脉冲放大、可控整流等基本部分组成，构成以机端电压为被调量的自动励磁调节系统。此外，为保证发电机运行安全，还设有各种励磁限制功能（如过励限制、欠励限制、强励限制等）；为便于发电机运行操作，装置设有电压给定值系统。除上述主通道调节外，还可切换为以励磁电流（通过TA2测量）为被调量的闭环控制运行。由于采用自动跟踪系统，切换不会引起发电机无功功率的摆动。以励磁电流为被调量的闭环控制运行，也称手动运行，通常应用于发电机零起升压（从零电压开始逐步建立机端电压）以及自动控制通道故障时的备用运行方式。
1. 主通道自动励磁调节的工作过程
在图1的主通道自动励磁调节中，其核心调节原理如下：
（1）当发电机电压升高时（如因甩负荷或系统电压波动），偏差电压ΔU（给定值与实际值的差值，为负值）经PID调节后得到控制量y，使移相触发脉冲后移，控制角α（晶闸管触发延迟角）增大，可控整流桥输出电压减小，励磁电流下降，发电机转子磁场减弱，机端电压随之下降至给定值。
（2）反之，当发电机电压下降时（如突加负载），偏差电压ΔU为正值，控制量y使移相触发脉冲前移，控制角α减小，可控整流桥输出电压增大，励磁电流上升，发电机转子磁场增强，机端电压随之升高至给定值。
（3）因此，通过上述闭环调节，可使机端电压稳定在给定值水平，实现电压的自动恒定控制。
2. 数字式AER各组成部分的功能
（1）调差环节：实现发电机不同的调差特性及调差系数，用于并联运行时无功功率的稳定分配（通常调差系数设定为3%～5%）。
（2）测量比较环节：将输入发电机电压与电压给定值进行比较，得出偏差电压ΔU。
（3）PID调节环节：对偏差电压进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，改善系统的稳态精度和动态响应特性。
（4）移相与脉冲放大环节：用PID输出的控制量产生滞后于同步电压α角的移相触发脉冲（每隔60°一个双脉冲，适用于三相全控整流桥），相应改变整流输出电压的大小。
（5）可控整流环节：可控整流桥在移相触发脉冲作用下，将交流励磁电压（来自励磁变压器或励磁机）整流成可变大小的直流励磁电压供给发电机转子励磁绕组。
图1 发电机数字式AER基本功能性框图
二、励磁调节装置的作用
在传统的模拟式AER中，是用模拟电子电路（运算放大器、比较器、RC网络等）来实现上述调节功能的。图2所示为电子式模拟励磁调节器的构成框图，它由基本控制和辅助控制两大部分组成。
1. 基本控制部分
基本控制由调差单元、测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元及可控整流单元组成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。各部分作用如下：
（1）调差单元：实现发电机不同的调差特性及调差系数，确保并联运行机组间无功功率的稳定分配（调差系数一般整定在3%～5%）。
（2）测量比较单元：输入发电机电压与给定值进行比较，得出偏差信号（放大前的微伏或毫伏级差值）。
（3）综合放大单元：测量单元输出的电压差值一般较小，为提高灵敏性并考虑运行要求，需接入其他辅助的限制量（如过励限制信号、欠励限制信号）及稳定控制量（如励磁系统稳定器反馈信号），进行综合和放大，输出足够幅值的控制电压。
（4）移相触发单元：以综合放大输出作控制量，产生滞后于同步电压α角的移相触发脉冲，相应改变整流电压输出的大小。
（5）可控整流单元：可控整流桥在α角的移相触发脉冲（每隔60°一个双脉冲）作用下，将交流励磁电压整流成可变大小的直流励磁电压。
2. 辅助控制部分
辅助控制是为了满足发电机的不同运行工况、改善电力系统稳定性、改善励磁控制系统动态特性而设置的单元，主要包括：
（1）励磁系统稳定器（ESS）：通过电压速率负反馈环节抑制励磁系统的低频振荡，提高系统稳定性。
（2）电力系统稳定器（PSS）：检测发电机转速或频率的波动，通过附加励磁控制信号阻尼电力系统的低频振荡（通常为0.1～2.0 Hz），提高电力系统的小干扰稳定性。
（3）励磁限制器：包括过励限制（防止转子绕组过热）、欠励限制（防止发电机失步和定子端部过热）、强励限制（限制强励电流和时间）等，保护发电机在安全运行区域内工作。
图2 发电机电子式模拟励磁调节器的构成框图
三、励磁控制系统动态特性
励磁控制系统动态特性是指在较小的或随机的干扰下（如负荷小波动、系统频率微变、电压小扰动等），励磁自动控制系统的时间响应特性。动态特性的优劣直接关系到发电机端电压的稳定质量和电力系统的安全运行。
1. 动态特性的定义与评价指标
1）动态特性的定义：当励磁控制系统受到扰动后，机端电压从初始稳态过渡到新的稳态（或恢复到原稳态）的过程称为动态过程。该过程的品质即为动态特性。
2）动态特性的评价指标（在阶跃扰动下）：
① 上升时间（t_r）：电压从终值的10%上升到90%所需的时间，反映系统的响应速度。
② 超调量（σ%）：电压首次超过终值的最大偏差与终值之比（以百分比表示），反映系统的相对稳定性。过大的超调量会导致电压剧烈波动，一般要求σ<20%。
③ 调节时间（t_s）：电压进入终值±2%（或±5%）误差带并不再超出所需的时间，反映系统的收敛速度。一般要求t_s<2～3秒。
④ 振荡次数（N）：在调节时间内电压穿越终值的次数，反映系统的阻尼特性。一般要求N<2～3次。
2. 影响动态特性的主要因素
1）励磁调节器参数（PID参数）：
① 比例增益（K_P）过大：响应速度加快，但可能导致超调量增大、振荡加剧，甚至系统失稳。
② 积分时间常数（T_I）过小：积分作用增强，稳态误差减小，但可能引入滞后效应，恶化动态响应。
③ 微分时间常数（T_D）过大：微分作用过强，可能放大高频噪声，导致晶闸管触发不稳定。
2）励磁机及整流电路的时间常数：励磁机（或励磁变压器）的电气时间常数影响励磁电压的建立速度，时间常数越大，响应越慢。
3）发电机本身的时间常数：发电机励磁绕组的时间常数（T_d0'，直轴开路瞬态时间常数）决定了励磁电流变化的惯性，典型值为2～10秒。
4）系统运行方式：发电机所接系统的短路容量、线路阻抗、负荷特性等均影响电压调节的动态响应。
3. 励磁系统稳定器（ESS）的作用机理
发电机励磁系统加入励磁调节器后，若PID参数配置不当（尤其是比例增益过高），可能出现励磁系统不稳定的现象——表现为机端电压持续振荡或低频波动（通常为1～3 Hz的励磁系统固有振荡）。
1）电压速率负反馈的基本原理：
在励磁控制系统中，通常采用电压速率负反馈环节来提高系统的稳定性。该环节将励磁系统输出的励磁电压进行微分（即检测励磁电压的变化速率）后，再反馈到输入端（综合放大单元），形成一个并联校正的微分反馈网络。此网络称为励磁系统稳定器（ESS）。
2）ESS的三项核心作用：
① 增加励磁系统的阻尼：等效地在系统中引入了一个与励磁电压变化率成正比的负反馈信号，抑制电压振荡，使电压波动迅速衰减。
② 改善动态响应特性：使电压调节过程快速收敛而不产生持续超调振荡，电压波形更加平滑。
③ 允许提高调节器增益：在ESS的阻尼作用下，可以适当提高PID的比例增益，从而提高稳态电压精度（减小静差），同时保持系统的稳定裕度。
3）ESS参数的整定原则：
① 时间常数选择：ESS的微分时间常数应根据励磁系统的时间常数和振荡频率确定，一般整定在0.05～0.2秒之间。
② 反馈强度调整：反馈强度（增益）应适当——过强会削弱调节作用，导致电压恢复缓慢；过弱则阻尼不足，振荡不能有效抑制。
③ 现场调试方法：通常通过在励磁系统上施加小阶跃扰动（如电压给定值阶跃±1%～2%），观察电压响应波形，逐步调整ESS参数直至响应满足要求（超调量<20%、调节时间<3秒、振荡次数<3次）。
4. 改善动态特性的其他措施
（1）电力系统稳定器（PSS）：除了ESS改善励磁系统自身稳定性外，PSS通过检测发电机转速或频率偏差，附加一个相位补偿信号到励磁调节器输入端，用于阻尼电力系统0.1～2.0 Hz的低频振荡，是提高远距离输电系统动态稳定性的重要措施。
（2）优化PID参数整定：采用工程整定方法（如ZN法，Ziegler-Nichols法）或基于模型的计算方法（极点配置法、LQR最优控制法等），获得最优的PID参数组合。
（3）采用数字式AER的先进控制策略：数字式AER可实现自适应PID（根据工况变化自动调整参数）、模糊控制、预测控制等先进算法，进一步改善动态特性。
（4）加快励磁响应速度：采用高起始响应励磁系统（如采用永磁副励磁机+晶闸管整流器的无刷励磁系统），缩短励磁电压的建立时间，提高电压响应速度。
四、励磁调节装置原理——数字式与模拟式的对比
1. 模拟式励磁调节器
模拟式励磁调节器以模拟电子电路为核心，采用运算放大器、比较器、RC移相网络等模拟元件实现信号的放大、比较、积分、微分和移相触发功能。其特点是：
（1）响应速度快（信号为连续模拟量，无采样延迟）。
（2）结构相对简单，可靠性高，易于维护。
（3）控制策略固定，参数调整需更换电阻、电容等硬件元件，灵活性较差。
（4）难以实现复杂的优化控制算法（如自适应控制、模糊控制、预测控制等）。
2. 数字式励磁调节器
数字式励磁调节器的原理与模拟式基本相同，但实现手段完全不同——它是一台专用微型计算机励磁控制系统，其框图如图3所示。
（1）系统架构：微型计算机的核心是主机（CPU），主机通过系统总线、接口电路与具体控制对象的过程通道连接，采集发电机组的运行状态信息（机端电压、电流、励磁电流、转速等），输出脉冲信号调节励磁功率柜（晶闸管整流桥），实现对发电机组励磁的综合调节控制。
（2）硬件组成：如图3所示，数字式励磁调节器由四个主要单元组成（虚框1～4标识）：
① 主控制单元（主机CPU+系统总线+接口电路）：是系统的核心，执行控制算法、逻辑判断和数据管理。
② 信息采集单元：包括电压互感器（PT）、电流互感器（CT）输入的模拟量采集（经A/D转换）、开关量输入采集等过程通道。
③ 控制输出（移相触发）单元：产生与同步信号同步的移相触发脉冲，经脉冲放大后触发晶闸管可控整流桥。
④ 人机接口单元：包括参数设定、显示、通信接口（如RS485/Modbus、以太网等）以及就地操作面板。
（3）软件配置：主机装有系统软件（实时操作系统、驱动程序）和应用软件（控制算法、逻辑判断程序），构成一台专用的微型计算机励磁调节器，通过数值计算与判断达到精确度高、响应快的控制效果。
3. 数字式AER的优越性
（1）灵活性高：控制策略可通过软件修改，无需更换硬件，便于升级和优化。
（2）可实现复杂算法：能方便地实现模拟式难以实现的先进控制策略（如自适应PID、最优控制、鲁棒控制、模糊控制等）。
（3）自诊断与通信功能：具备系统自检、故障记录和远程通信功能，便于维护和集中监控。
（4）参数设置方便：所有控制参数（PID增益、时间常数、调差系数、限制值等）均可通过软件界面设定，无需更换硬件元件。
图3 发电机数字式磁调节器的构成框图
总结
发电机的自动励磁调节器是维持机端电压恒定、合理分配无功功率及提高电力系统稳定性的核心控制装置。数字式AER与模拟式AER在基本控制功能上相同——均通过调差、测量比较、PID调节、移相触发和可控整流环节实现对励磁电流的闭环调节，使机端电压在负载变化时保持恒定。励磁控制系统动态特性直接关系到电压调节品质，其主要评价指标包括上升时间（反映响应速度）、超调量（反映相对稳定性，一般要求<20%）、调节时间（反映收敛速度，一般要求<3秒）和振荡次数（反映阻尼特性，一般要求<3次）。影响动态特性的主要因素有PID参数（比例增益过大导致振荡）、励磁机时间常数（过大使响应变慢）及发电机励磁绕组时间常数（决定系统惯性）。励磁系统稳定器（ESS）通过电压速率负反馈提供阻尼，抑制低频振荡（1～3 Hz），其参数需通过阶跃扰动试验（电压给定值阶跃±1%～2%）进行整定，确保超调量、调节时间和振荡次数满足要求。数字式AER以微型计算机为核心，通过软件实现控制算法，具备参数调整灵活、可实现复杂优化控制、系统自诊断及远程通信等优势，其先进的PID整定方法和自适应控制策略可进一步改善动态特性。数字式AER代表了励磁控制技术的发展方向，在现代大型发电机组中已逐步取代模拟式AER成为主流配置。
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