发电机励磁系统稳定性分析和控制研究

马明锐

摘 要：随着社会的高速发展，在各个领域呈现出一派繁荣景象，特别是在科技化创新战略的引导下，越来越多的产业向着科学化、信息化的发展目标转移，作为时代标志的电力事业自然也是成绩显著，特别是在电力供应性能上，展开了对励磁系统的开发与研究，只有将励磁系统研究的更加深入透彻，才会使得励磁系统在电力系统中真正起到辅助性作用，成为电力运行的基本保障。

关键词：发电机；励磁系统；稳定性；控制

一、发电机励磁系统概述

说到电力系统，大家都耳熟能详，可以说电力始终是时代不可或缺的基本保障之一，而且随着社会的不断发展，大家对电力的依赖性就愈加强烈，但是谈及励磁系统，在大多数人看来还很陌生，这样就对电力事业进一步的发展形成阻力，而且也不利于励磁系统的开拓与完善，只有深入了解和认识励磁系统，才能更好的促进和推动励磁系统在电力运行中的发展和研究。

（一）发电机励磁系统简介

发电机励磁系统是指在同步发电机的条件下，为两台发电机提供电源以及相关的附属设备统称为励磁系统。励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，励磁功率单元是给转子绕组提供励磁电源供给，励磁调节器则是对励磁功率单元实行控制的输出装置。

在日常生活中，常见的励磁方式有：直流发电机、交流励磁机以及无励磁机三种，其中利用直流发电机达到励磁效果的应用方式比较明显。

（二）发电机励磁系统的作用

励磁系统在生产生活中，主要是作为电气控制装置为企业服务。励磁系统是电站设备中不可或缺重要组成部分之一，通过励磁机、励磁变压器等各元件间的相互配合、协调，维持同步发电机端电压在同一水平上，与此同时，对励磁电流进行适当的调节，进而实现整个电力系统得到平稳供应，另外，对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能，使整个发电机体的电流保持在一个波动幅度内，由此保证了电流输送的稳定。

二、对于发电机励磁系统稳定性分析

对于发电机励磁系统来说，要想验证系统能否真正发挥作用，主要还要看其稳定性能，励磁系统的稳定性能越强，就代表其调控能力越强，从而对电力系统的保障性就越高，所以，只有保证了励磁系统的稳定性，才能使电力系统更加平稳的运行。

（一）励磁系统稳定性分析模型的构建

为了对励磁稳定性进行更加直观、透彻的分析，采用建立数据模型的方式对励磁系统稳定性展开研究，模型主要是以单片机无穷大作为理论基础，利用线性模型Heffron-Philips对发电机及其控制系统进行叙述，此外，同步发电机则是通过计及凸极效应和励磁回路动态相结合的方式，建立了三阶实用模型，在保证机械功率不变的状态下，分别对转速偏差Δω、转子角偏差Δδ、q 轴暂态电动势偏差ΔE′q、发电机励磁压偏差ΔEfd四个状态变量作出分析，同时得出了小干扰动态稳定理论的同步机动态增量方程等式，如下式所示。

通过模型我们可以很直观的观察到发电机各个部分与励磁系统之间的接口位置，但单纯的依靠Heffron-Philips 模型对励磁系统稳定性进行分析是远不够的，这其中还欠缺了恒无功和恒功率因素对励磁系统产生的干扰，为此，为了更好的对励磁系统稳定性进行分析，选用两种励磁方式作为参考，如图1所示。

如图1中控制框图所示，控制参数分别是KA、TA、TE、KF、TF，励磁机的饱和系数为SE，p 则代表微分算子，其主要实现保持发电机端电压保持不变的功能，通过与恒无功励磁控制框图相融合之后，可以得出励磁系统的控制框图，此时TR为测量时间常数，KQ为附加控制放大倍数，TQ为附加控制时间常数，通过公式之间的推导以及矩阵根特征的分布情况，从而判断出系统小于干扰稳定的特性。

（二）影响发电机励磁系统稳定性的因素

为了对励磁系统稳定性进行深入分析，利用根轨迹法来验证影响励磁系统稳定的因素都有哪些，通过对两种不同控制方式的探究，分析得出了 KQ，TR和 TQ三个参数的影响，具体其中负荷 100 MW，发电机有功出力 45 MW，xd=xq=2.22，xd=xq=0.26，xL=0.11，M=6s，T ′d=6.48s，KA=20，TA=0.1s，TE=0.5s，SEMAX=0.8，SE0.75MAX=0.5，KF=0.04，TF=0.7s，TR=0.02，KQ=20，TQ=0.3s，经过一系列演算之后，得出结论励磁系统的稳定情况随着KQ，TR和 TQ的改变而改变。

三、案例控制分析

某企业电网于某日发生故障，后查明：造成电网自备机组振荡解列的原因是由于励磁控制方式选择不当所致。该企业此前一直采用的是恒无功励磁控制方式，事故发生后，励磁方式改由恒电压控制方式后，解决了事故的再发，保证了工厂的正常运作。

经过分析得到：励磁方式采用恒无功的状态下，出现了系统震荡现象，通过结果对比，震荡现象是由于励磁系统自身失稳造成的，采用恒电压控制方式后，无论是负荷冲击故障还是三相短路故障，系统均可保持良好的稳定性能，和更改励磁模式后的震荡现象相符合。

由此可以证明通过改变励磁系统的控制参数，仍可达到其他励磁方式的效果。

参考文献：

[1] 刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].中国电力出版社，2006.

[2] 倪以信等.动态电力系统的理论和分析[M].清华大学出版社，2002.