摘要： 同步发电机中的核心部分由发电机励磁系统构成，其主要作用是在运作过程中为同步发电机励磁电源提供一套全面性、优质性的系统服务。通常情况下，发电机励磁系统由两大核心部分构成：其一为励磁功率输出部分，其核心作用是供应直流电流给同步发电机的磁场绕组，从而建立直流磁场；其二为励磁控制部分，其主要作用是确保电力系统的安全稳定运行，在正常运作或发生故障的情况下，能够及时对励磁电流给予适当调整。本文系统阐述电力系统静态、动态及暂态三种稳定性的定义与区别，详细解析励磁控制系统的基本原理——通过检测机端电压并与参考电压比较，经综合放大后控制励磁机励磁电流，从而维持电压水平并提高功率极限，同时介绍励磁调节器与励磁功率单元的协同工作关系。在此基础上，分别分析励磁系统对静态稳定性（功率极限与功角特性）、动态稳定性（机电振荡阻尼与PSS附加控制）以及暂态稳定性（强行励磁与故障切除时间）的影响机理，揭示电压调节精度与动态稳定性之间的固有矛盾及其解决途径。
一、稳定性的定义和分类
电力系统的稳定性划分为静态、动态及暂态稳定性三种方式，其含义分别如下。
1. 静态稳定性（Steady State Stability）
（1）基本定义。静态稳定性是指当电力系统的负载（或电压）发生微小扰动时，系统本身保持稳定传输的能力。这一稳定性定义主要涉及发电机转子功角过大而使发电机同步能力减少的情况。静态稳定问题的本质是系统在平衡点附近受到无限小的持续扰动后，是否能够自动恢复到初始平衡状态或趋近于新的邻近平衡状态。
（2）静态稳定的判据。静态稳定的工程判据通常为 ，即功率随功角的增加而增加时系统是静态稳定的；当功角达到90°（对应于功率极限点）时，，系统处于临界稳定状态；若继续增加功角使 ，则系统将丧失静态稳定。
2. 动态稳定性（Dynamic Stability）
（1）基本定义。动态稳定性主要指系统遭受大扰动之后，同步发电机保持和恢复到稳定运行状态的能力。失去动态稳定性的主要形式为发电机之间的功角及其他量产生随时间而增长的振荡，或者由于系统非线性的影响而保持等幅振荡。这一振荡也可能是自发性的，其过程较长。
（2）动态稳定问题的本质。动态稳定问题本质上是电力系统机电振荡的阻尼问题。当系统阻尼为正时，振荡逐渐衰减，系统保持动态稳定；当阻尼为负时，振荡持续增长，最终导致失步。动态稳定性通常涉及较长的时间尺度（数秒至数十秒），与励磁系统、调速器及负荷特性等密切相关。
3. 暂态稳定性（Transient Stability）
（1）基本定义。当系统受到大扰动时，例如各种短路、接地、断线故障以及切断故障线路后系统保持稳定的能力。发生暂态不稳定的过程时间较短，主要发生在事故后发电机转子第一摇摆周期内（通常为0.5～1.5秒）。
（2）暂态稳定的特点。暂态稳定问题主要关注故障发生后的第一个功角摇摆周期内发电机是否能够保持同步。若第一摇摆周期内功角超过180°，则发电机将失去同步，造成系统解列。暂态稳定性取决于故障类型、故障持续时间、系统阻抗及励磁系统的快速响应能力。
二、励磁控制原理
励磁控制系统对电力系统稳定的影响与同步发电机的特性密切相关。同步发电机的结构外形和励磁控制原理分别如图1和图2所示。
1. 励磁系统的基本构成
励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两大部分构成。
（1）励磁功率单元。其核心作用是向同步发电机的磁场绕组供应直流电流，从而建立直流磁场。励磁功率单元只有在接收到励磁调节器的控制命令后才会改变其输出的励磁电压。励磁功率单元要有足够的可靠性，并具有足够的调节容量，同时具备足够的励磁电压顶值和电压上升速度。
（2）励磁调节器。励磁控制的主要部分是励磁调节器，其作用在于感受发电机电压的变化，并发出控制命令对励磁功率单元加以控制。励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机机端电压在给定水平，能合理分配发电机组的无功功率，并且应具备强行励磁功能以迅速反应系统故障，从而提高暂态稳定和改善系统运行条件。
2. 电压调节的基本原理
在这个系统中，励磁控制器检测发电机的机端电压 ，并将 与参考电压 相比较，得到电压差 ：
由该式不难看出：当发电机的机端电压 上升时，电压差 也会降低，励磁机的励磁电流以及发电机的转子电压都会随之下降，发电机的机端电压 也随之下降，发电机机端电压上升的扰动因此被抵消。反之，当机端电压下降时，控制电压升高，励磁电流增大，机端电压回升。这种闭环负反馈控制机制是励磁系统维持电压稳定的核心原理。因此，励磁系统具有提高电力系统稳定运行、维持电压水平以及提高同步电机功率极限和电力系统传输功率等功能。除此之外，在这个系统中还可以根据实际需要附加阻尼控制、模糊神经控制等辅助控制功能。
3. 励磁系统模型与快速励磁控制
励磁系统的模型，根据不同的分类可以分为许多种。我国常用的励磁系统模型主要有直流励磁系统、交流励磁系统及静止励磁系统（包括自并励和自复励）。在电力系统的实际分析中，通常采用简化的实用模型。通用的励磁系统之中附加了快速励磁控制方式，其作用在于能够在系统发生故障时快速捕捉发电机端电压等的变化信号并加以控制，以此控制发电机转差的摇摆，提高暂态及静态稳定性。为了快速控制发电机端电压，必须提高整个励磁系统的反应速度。为此，有必要提高励磁系统（包括自动电压调节器AVR）的适应性能和励磁系统的峰值电压。
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图1 康明斯斯坦福发电机实物外形 |
图2 励磁系统控制原理图 |
三、励磁系统对电力系统稳定性的影响
在小干扰作用下，标志发电机组稳定性水平的主要指标是发电机的电磁功率极限与转子运行角度的极限。当发电机的电磁功率超过最大极限时，微动态稳定将被破坏。对于大扰动作用下的暂态稳定水平，是在一定输出功率条件下，在同一故障点及同一故障形式下比较短路最大故障允许切除时间。即当输电线路在某一输送功率下，在K点发生某一形式短路，其故障切除时间系统仍保持稳定，则称该时间为系统在K点发生该类故障时的最大允许切除时间。切除时间值越大，标志系统的暂态稳定水平越高。
1. 励磁系统对电力系统静态稳定性的影响
（1）无励磁调节时的静态稳定极限。当发动机运作过程中没有任何励磁调节时，发电机的内电势 为常数，其静态稳定功率极限对应于功角 。
（2）有励磁调节时的静态稳定提升。电力系统必须具有在遭受微小扰动后快速恢复到原来的正常运行状态的能力，这就是电力系统的静态稳定。当电力系统发生扰动时，发电机端的电压下降，定子电流相应增加，励磁电流也会随之增加。在这种情况下，如果接入励磁调节器，当发电机电压下降时，励磁调节器将使励磁电流增加，其增加量和速度取决于励磁系统增益和时间常数。如果励磁电流的增加分量与功角变化引起的衰减分量相抵消，则系统可以达到一个新的静稳定极限，功率极限对应的功角可以大于90°。发电机功率特性和调节特性如图3、图4所示。
（3）高增益调节的静态稳定效果。采用高放大倍数的励磁调节器可以将静态稳定极限提高到接近于发电机的功率极限，有效缩小发电机的稳定运行区域限制，使发电机能够在更高的负荷水平下稳定运行。
2. 励磁调节对电力系统动态稳定性的影响
（1）动态稳定与机电振荡阻尼。电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。阻尼问题一直都是励磁控制系统的重要组成部分，它不仅影响到励磁控制系统的安全稳定性，同时对于系统的质量保障也起到一定的影响。电力系统动态稳定性的影响也就是振荡阻尼影响。
（2）自动电压调节的负阻尼效应。由于微机自动励磁控制系统的应用，励磁控制系统中的自动电压调节造成电力系统机电振荡阻尼变弱（甚至变负），这是影响动态稳定性的最重要原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，励磁调节器在维持发电机电压不变的同时，产生负的阻尼作用。在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而提高。因此，提高励磁调节装置的精度和提高系统动态稳定性是矛盾的。当调节不当、操作者技术不过关或时间把握不佳时，也会对阻尼情况产生不利影响。
（3）解决矛盾的有效措施——PSS。解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其它控制信号，即在励磁调节系统中采用辅助措施，使励磁调节装置提供一个正的阻尼，使整个励磁控制系统提供的阻尼为正。自并励励磁系统中的微机励磁装置配置附加励磁控制PSS（电力系统稳定器）后，由于反应速度快，有利于PSS发挥作用，从而有效提高动态稳定性。PSS通过检测发电机转速或频率偏差，产生一个附加的励磁控制信号，补偿电压调节器产生的负阻尼，使系统在维持电压精度的同时获得足够的正阻尼。
3. 励磁调节对电力系统暂态稳定的影响
（1）暂态稳定问题。电力系统必须具有在遭受短路、发电机切除等大的扰动后过渡或恢复到新的稳定状态的能力，这就是电力系统的暂态稳定。在分析发电机励磁系统对暂态稳定性的影响过程中，以短路故障为例，此状态下的等效电抗幅值可表示为：
式中，为发电机直轴同步电抗，为变压器电抗，为线路电抗。短路故障导致系统等值电抗增大，发电机的电磁功率下降，转子加速，功角迅速增大。
（2）提高暂态稳定的途径。提高电力系统暂态稳定通常有两种方法：一是提高从故障开始直至故障结束时发电机的电磁力矩（即增大励磁），二是减小原动机的机械力矩（即快关汽门或切机）。其中，增大励磁电流是增加电磁力矩的有效措施。由于不同的系统结构及故障性质以及发电机励磁系统时间常数等因素，发电机恢复的速度也不尽相同。
（3）强行励磁的作用。为此，励磁系统必须具备快速响应的能力。励磁系统的时间常数要缩小，同时要提高强行励磁的倍数。强行励磁是指在系统故障导致机端电压大幅下降时，励磁调节器迅速将励磁电压升至顶值（通常为额定励磁电压的1.5～2.0倍），从而在故障持续期间最大限度地增加发电机的电磁功率，减小转子加速面积，增大减速面积，提高暂态稳定极限。快速响应的励磁系统可以将故障极限切除时间延长，为继电保护动作提供更多的裕度。
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图3 发电机的功率特性曲线图 |
图4 发电机励磁调节器的调差单元 |
总结： 同步发电机励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两大部分构成，其核心控制原理基于电压负反馈——检测机端电压并与参考值比较，经综合放大后调节励磁机的励磁电流，从而维持发电机端电压恒定、合理分配无功功率并提高功率极限。在静态稳定方面，采用高增益励磁调节可将功率极限对应的功角由90°后移，显著提升静态稳定裕度；在动态稳定方面，自动电压调节器在提高电压精度的同时引入负阻尼，通过在励磁系统中附加PSS提供正阻尼，是解决电压精度与动态稳定性矛盾的有效途径；在暂态稳定方面，快速响应的励磁系统配合强行励磁功能，可在故障期间增大电磁功率，提高故障极限切除时间，改善系统在大扰动后的恢复能力。三种稳定性对励磁系统的要求存在差异，综合设计时需兼顾静态增益、动态阻尼和暂态响应速度，以实现电力系统在不同运行状态下的安全稳定运行。
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