摘要： 发电机励磁控制系统可根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；同时控制并列运行各发电机间无功功率分配，提高发电机并列运行的静态稳定性与暂态稳定性；在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。本文说明励磁系统维持机端或系统中某点电压水平的基本原理，分析其控制无功功率分配的作用，并从静态稳定性与暂态稳定性两方面说明其对并联运行稳定性的提高，最后说明其对电动机自启动条件、发电机失磁后异步运行条件及继电保护正确性的改善作用。
一、维持机端或系统中某点电压水平
1. 单机系统的分析
电力系统在正常运行时，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定水平（电压控制）。励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务，这是励磁系统最基本的任务。为了阐明它的基本概念，可用最简单的单机系统来分析。
（1）原理图与等值电路
图1所示为同步发电机运行原理图，其中Ufd、Ifd为发电机励磁电压、电流。图2所示为稳态运行情况下的等值电路，其中Eq为发电机空载电动势，Xd为直轴同步电抗，UG、IG为发电机端电压、电流。
（2）相量图分析
图3所示为对应相量图。图中δG为Ėq、ỦG间的角，即功率角；IQ为发电机电流无功分量。
2. 电动势与端电压的关系
（1）近似关系式
由图3可知，由于一般δG很小，cosδG≈1，因此得发电机电动势与端电压关系为
（2）无功电流的影响
可见当发电机励磁电流保持不变时引起机端电压降低的主要原因是发电机的感性无功电流。当励磁电流一定时，无功电流输出增加，发电机端电压下降；无功减少则端电压上升。
（3）外特性的下降趋势
发电机的外特性 必然是下降的，如图4所示。要维持发电机端电压不变，需要随电压的变化改变励磁电流。
3. 励磁电流的调节过程
（1）无功电流增大时的调节
设发电机的励磁电流为Ifd1，此时发电机无功电流为IGQ1，机端电压为额定电压UN，如图4中的1点；当无功电流增大到IGQ2时，若励磁电流仍为Ifd1，则机端电压降到UG1，如图4中的2点；为保持机端电压为额定值运行，应增大励磁电流到Ifd2，如图4中的3点，即将外特性曲线上移。
（2）无功电流减小时的调节
同样，无功电流减小时为保持机端额定电压运行，励磁电流应减小，即外特性曲线下移。
（3）手动与自动调节
这种机端电压维持额定电压的励磁电流调节，可以手动进行，也可以自动进行。自动进行励磁电流调节的装置是AER（AVR）。
（4）AER的构成与作用
励磁功率单元提供同步发电机正常运行、系统故障情况下的励磁电流，AER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。如果AER足够灵敏，调节结束时总有ΔU→0，从而使发电机UG正常运行时维持给定电压水平。
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图1 同步发电机原理图 |
图2 同步发电机等值电路图 |
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图3 同步发电机稳态运行相量图 |
图4 同步发电机无功电压外特性曲线图 |
二、控制无功功率分配
1. 与无穷大容量母线并联运行的条件
（1）无穷大系统的定义
当发电机与无穷大容量母线并联运行时，根据无穷大系统定义，系统阻抗为零，发电机与系统相联的母线电压恒定。
（2）有功功率的决定因素
发电机输出功率由原动机输入功率决定，与励磁电流大小无关。当原动机输入功率不变时，发电机输出有功功率为常数。
（3）有功功率的功角特性
另一方面，对隐极发电机，发电机输出有功功率可由功角特性得到，则发电机有功功率为
2. 无功功率的控制原理
（1）常数关系式
当UG保持不变时，即有
式中 Xd——常数；K1、K2——常数。
（2）改变励磁对无功输出的影响
由图5可见，机端电压恒定不变，改变励磁，仅改变Eq电动势，Eq端点将始终在A线上；Eq变化，将使δ跟随变化。例如增大励磁，Eq增大，δ角减小，IG滞后于电压的角度φ将增大，由于IG端点应始终在B线上，所以发电机对应无功功率输出增加；相反，减小励磁将使发电机输出无功功率减小。
（3）进相运行
当减小励磁使发电机电动势低于母线电压后，发电机将从系统中吸收无功功率，这种运行方式即为"进相运行"。
（4）无功分配的调节
由此可知，当发电机与大系统并联运行时，通过改变发电机励磁，可控制发电机的无功功率输出，使机组间的无功功率合理分配。
图5 同步发电机与无穷大系统并联运行相量图
三、提高同步发电机并联运行稳定性
1. 提高静态稳定性
（1）静态稳定的含义
同步发电机并列于电力系统运行，系统中经常存在小的干扰。静态稳定讨论的是发电机在小干扰作用下，能否具备恢复至原运行点的能力。设发电机经升压变压器与系统相联，系统电压为US恒定不变。
（2）功角特性与工作点
如图6所示，当发电机输入功率为P0时，与发电机功角特性相交于a点，输出电磁功率PG3对应功角为δ0。不同的励磁对应不同的Eq值，Eq1<Eq2<Eq3。
（3）稳定工作点与不稳定工作点
由电力系统知识可知a点为稳定工作点，在该点上系统负荷有小干扰，能够恢复至a点运行；而b点为不稳定工作点。
（4）无自动励磁调节时的情况
无自动励磁调节时，励磁电流不变，保持Eq恒定。功角特性最高点对应发电机输出最大电磁功率Pm，δ＝90°为静态稳定极限。Pm与P0之间的差值与发电机额定有功容量的比值为稳定裕度。
（5）有自动励磁调节时的情况
当有自动励磁调节器时，发电机功率变化时，为维持端电压，必须调节Eq值。即具有AER的发电机的有功功率变化时，式（5）示出的功角特性中Eq与δ都是变化量。
（6）装设AER后的功角特性
分析表明，对具有AER的隐极式同步发电机，功角特性也可表示为
式中，E′q——发电机直轴暂态电动势（AER可保持E′q恒定）；
X′d——发电机直轴暂态电抗；
Xq——发电机交轴同步电抗。
（7）人工稳定区
虽然E′q＜Eq，但由于X′d远小于Xd，故功角特性要比式（5）的功角特性高，作出功角特性如图6中虚线所示，功率极限出现在δ＞90°的区域。当发电机不装设AER时，功角δ极限为90°；当发电机装设AER后，功角δ极限δlim＞90°，发电机可以稳定运行在90°＜δ＜δlim的区域，该区域是人工稳定区，静稳定水平提高。有无自动励磁调节器的比较见图6。
2. 对暂态稳定的作用
（1）暂态稳定的含义
发电机与系统并列运行受到大干扰后是否能够保持同步运行状态，称为暂态稳定分析，包括发生各种类型的能够影响系统稳定的短路故障、继电保护切除故障的时间。这里讨论发电机的励磁调节系统在电网发生故障后，对电压下降所作出的强行励磁的作用。
（2）故障前后的功角特性变化
系统正常运行时，发电机功角特性曲线为图7中的曲线I。在双回线路中一回线路发生故障后，系统母线电压急剧降低，发电机功角特性曲线下降为功角特性曲线II，运行点从a点变为b点。
（3）故障期间的过程
由于短暂时间内发电机调速装置不可能迅速反应，可假设发电机输入机械功率不变，此时，发电机输入机械功率大于输出电磁功率，发电机有正的角加速度，且角速度高于系统同步速，发电机功角从b点增大向c点变化。
（4）故障切除后的过程
由于线路继电保护动作，断开故障线路，系统母线电压恢复，但线路单回路阻抗较大，发电机功角特性曲线上升为曲线III，虽然此时发电机输入机械功率小于输出电磁功率，角加速度变负，但由于发电机角速度高于系统同步速，发电机功角从e点增大向f点变化。
（5）暂态稳定的两种结果
若发电机功角e增大而越过f点，发电机又将进入加速过程，从而导致发电机与系统之间失去同步，我们称之为暂态不稳定。若发电机功角δ在越过f点之前角速度减小到低于系统同步速，发电机功角δ从增大变为减小，向发电机与系统之间稳定方向变化，经多次阻尼振荡，最终稳定在新的同步运行点，该过程我们认为是暂态稳定的。
（6）加速面积与减速面积
在线路发生故障后，形成abce围成的区域是发电机加速，动能、势能增加的区域，称为加速面积；而def围成的区域是发电机减速，剩余动能转化为势能的区域，称为减速面积。根据发电机与电力系统暂态稳定的面积定则判据，当加速面积大于减速面积时，系统是暂态不稳定的；反之，加速面积小于减速面积时，系统是暂态稳定的。
（7）强行励磁的作用
线路故障使发电机端电压过低，于是强行励磁动作，升高励磁电压，增加转子励磁电流，使发电机电动势提高，即发电机功角特性曲线不再是曲线III，而变为曲线IV，使减速面积增加了一大块，提高了系统暂态稳定性。
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图6 同步发电机功角特性曲线图 |
图7 发电机暂态稳定功角特性曲线图 |
四、改善电力系统运行条件
1. 改善电动机自启动条件
（1）机端电压降低的影响
在发电机外部系统发生故障时，由于短路电流较大，使发电机机端电压降低，而现代大型发电机厂用电均取自于发电机端，厂用电压降低将使电动机减速，电动机将出力不足，从而使发电机的工作状态不稳定。
（2）自启动过程的要求
当故障切除后，机端电压得以恢复，电动机则进入自启动过程，更希望厂用电电压能够在电动机自启动过程中有较高的电压水平，这种过程应该能够尽快完成。
（3）励磁调节器的作用
发电机励磁系统装设了励磁调节器后，能够快速响应机端电压的变化，见图8，从而可保持机端电压的稳定，即改善了电动机自启动条件。
图8 发电机励磁调节控制图
2. 改善其他发电机失磁后异步运行条件
（1）失磁发电机的影响
一个现代电力系统中，有很多发电机并在电网中同步运行，保持系统的无功功率平衡也是各台发电机的任务。若电网中的某台发电机由于失磁而进入异步运行，此时这台发电机不但不能继续向系统提供无功功率，反而会从系统中吸收无功功率，来维持其异步运行，因此系统需要有大量无功功率支援，才能达到保持系统的无功功率平衡和维护各母线电压的要求。
（2）无功功率的不平衡分析
设系统正常运行时发电机G1发出Q1无功功率；发电机G2发出Q2无功功率，系统无功功率是平衡的，满足电压变换和负荷对无功的需求。若发电机G2发生失磁，需要从系统吸收Q′2无功功率，见图9。
（3）无功需求的增加
发电机G1所发无功功率应为
所需增大的无功功率是较大的，因此要求发电机励磁系统应该有较大的无功功率提供能力。
3. 提高继电保护正确性
（1）短路电流与保护灵敏性
当电力系统中发生故障时，继电保护装置对电流的突然增大作出响应，动作于跳闸。短路电流越大，继电保护装置对故障的灵敏性越高。
（2）励磁调节的作用
当短路发生时，发电机端电压降低，励磁调节装置自动作出增加发电机励磁的反应，提高了机端电压，从而增大了短路电流，见图10。
（3）有利作用的条件
只要断路器的开断容量允许和电气设备动热稳定允许，励磁调节装置对短路电流的增加对提高继电保护正确性是有利的。
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图9 发电机无功功率变化示意图 |
图10 发电机励磁调节对短路电流的影响曲线图 |
总结
本文围绕发电机励磁控制系统的功能与作用展开，说明励磁系统最基本的任务是维持机端或系统中某点的电压水平，其原理在于发电机外特性随无功电流增加而下降，需通过增大励磁电流将外特性上移以维持端电压。当发电机与无穷大容量母线并联运行时，改变励磁可控制无功功率输出，增大励磁使无功输出增加，减小励磁则使无功输出减小，甚至进入进相运行吸收无功。在稳定性方面，装设自动励磁调节器后，功角特性提高，功率极限出现在δ＞90°的区域，形成人工稳定区，静态稳定水平提高；暂态过程中，强行励磁使功角特性曲线升高，减速面积增大，从而提高暂态稳定性。此外，励磁系统还可改善电动机自启动条件，为失磁发电机提供无功支援，并在设备允许的前提下增大短路电流以提高继电保护正确性。其意义在于：励磁控制系统通过电压控制、无功分配、稳定性提升与运行条件改善四个方面的作用，直接关系到发电机能否稳定运行以及电力系统的电压质量与供电可靠性，理解其原理与各项作用，有助于在励磁系统调试、参数整定与故障处理中作出正确判断，从而保障发电机组及整个电力系统的安全稳定运行。
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