刘华林
（广西桂能科技发展有限公司，广西 南宁 530007）
【摘要】发电机励磁系统是同步发电机中的核心构成部分，其主要的作用是为同步发电机励电源提供一套全面性、优质性的系统服务。先进的励磁系统能够确保电源质量的优良性能，保障电力系统安全顺利的运作以及电力系统运行相关的稳定性质量。
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关键词 励磁系统；电力系统；内功率；阻尼
0 引言
同步发电机中的核心部分是由发电机励磁系统构成的，发电机励磁系统主要的作用是，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，发电机励磁系统是由两大核心部分构成。其中的一部分是励磁功率输出部分，其主要的核心作用是，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；发电机励磁系统的另一部分的主要作用是，为了确保电力系统的安全稳定运行，在正常运作或者是运作过程中发生故障的情况下，能够及时地对励磁电流给予适当的调整。根据上述综合性的分析可知，同步发电机励磁系统对于电力系统的正常运作具有举足轻重的作用。
1 励磁系统对电力系统静态稳定的影响
通常情况下，汽轮发电机的功角特性用下属公式进行表示，即：
其中，公式中的Eq表示的是发电机的内电势；
Us表示的是，在发电机系统中受端电网的电压值；
Xd表示的是，在发电机系统运作的过程中，发电机与电网两者之间产生的总电抗。
当发动机运作过程中，没有任何的励磁调节时，发电机的内电势Eq的值为常数，此时所对应的汽轮发电机的功角特性如图1(a)所示。在该图中，这条曲线在发电机系统中也被称作是内功率特性曲线，其静态稳定功率的极限值在此时等于
，所对应的功角度数为90。
如果发电机系统在其运作的过程中，对于励磁进行自动的调节，那么，此时的发电机的内电势Eq的值不是常数，而是一个变值，所对应的发电机系统的传输功率会有所提升。
假设，电动机系统中的自动励磁调节具有无惯性的特性，同时，假设在发电机系统运作的过程中，负载变化的 情况下，能够确保发电机的暂态电势Eq´的值趋近于一个常数。在这个过程中，由于随着发电机系统用的负载变化，发电机的内电势Eq 会随着发电机系统中的励磁调节而产生相应的数值变化，这种情况下的内功率特性不再是上图中的正弦曲线，是由一组发电机的内电势Eq等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成，具体的曲线图如图1(c)所示。为了有效地与发电机内电势Eq值为常数或恒定值时的内功率特性曲线相互区分，将内电势Eq随发电机系统负载发生相应变化的曲线称作为外功率特性曲线。根据下图1(d)可清晰地发现，当发电机的暂态电势Eq´ 保持恒定不变的情况下，发电机的内电势Eq会随着负载的提升而不断地增高，此时的静态稳定功率极限理论值公式表示为，其数值与微动态稳定的条件有直接的关联性，所对应的功角度数要大于90 度。
如图1所示，图1(a)中的发电机内电势Eq的值是恒定不变的；
图1(b)中的内电势Eq是恒定的，表示的是暂态电势Eq´ 与受端电网的电压U之间的变化；
图1(c)中的暂态电势Eq´是恒定不变的；
图1(d)中，当暂态电势Eq´为恒定的情况下，内电势Eq 与U之间会产生一定的变化；
图1(e)中的受端电网的电压值U是恒定不变的；
图1(f)中，当受端电网的电压值U为恒定的情况下，该图表示的是Eq 与E q´ 之间的变化关系图；
通过上述综合性的分析可知，在发电机系统中，如果发电机的励磁调节器具有优质的性能和较高的电压放大倍数。此时，当负载变化的情况下，会维持发电机的电压U的值恒定不变，外功率特性曲线将具有更高的斜率，此时的外功率特性曲线如2(e)所示。发电机系统的静态稳定功率极限理论值表示为，其具体的数值与发电机系统的微动态稳定性的条件具有直接的作用，所对应的转子功角的度数要远大于90 度。也就是说，发电机系统的传输功率与静态稳定能力成正比例关系。
通过大量的实验研究与理论分析，最终的研究结果表明，发电机的励磁系统的电压放大倍数Kou 与励磁系统的时间常数Te 、转子功角δ 三者之间的关系图如图2 所示。通过该图可以清晰地发现，发电机系统在同一转子功角的条件下，随着时间常数Te的提升，为了有效地确保发电机系统在其运行中的安全稳定性，此时的电压U放大系数会不断地提升。也就是说，在同一时间常数Te 条件下,随转子功角δ 的增加所允许的电压放大系数会呈现下降的趋势。此时的功率震荡情况如图1(c)、1(e) 所示。
２ 励磁系统对电力系统暂态稳定的影响
在分析发电机励磁系统对暂态稳定性的影响过程中，本文主要依据图3(a)中的功率变化曲线为例，来分析短路故障下的发电机的功率变化特征。图4(b)中的功率变化曲1所表示的是，双回路供电情况下的功率特性曲线图，此状态下幅值公式表示为，其中XΣ=Xd+XT+Xe/2。
图3 发电机系统短路情况下的功率特性曲线的变化图
图3(a) 所表示的是单机无限大母线系统；
图3(b) 所表示的是，发电机系统在出现短路故障的情况下，其功率特性曲线的变化图。其中，该图中的曲线2代表的是，在发生短路情况下，将发电机系统中的短路故障线路进行切断之后的功率特性曲线图。在发电机系统中，线路阻抗值由先前的Xe/2增加到Xe, 使得功率特性曲线的幅值减小到EqUs/X∑，此时的X´Σ=X d+XT +Xe，该图中的曲线3代表的是，发电机系统发生故障时的功率特性曲线。
如果发电机初始工作点是在功率特性曲线1中的a点的情况下，短路后工作点的位置是由功率特性曲3所决定。在发电机系统分发生故障的情况下，在发生故障的一瞬间，系统受到惯性的影响，转速在此时会保持恒定不变，此时的功率角δ 为δ0，工作点的位置δ0由先前的a点转移到b点。
随后，由于发电机的输出电磁功率不断地降低，其转子的速度会加快，其功率角的度数会随之增大。当功率角的度数达到δ1 的情况下，系统会将短路故障线路进行切断，此时的功率特性曲线是该图中的曲线2，其工作点的位置会由先前的c点转移到e点。此时发电机系统会受到惯性作用的影响，其转子转动的速度会沿着功率特性曲线2不断地加速到曲线中的f 点，此时所对应转子功率角由先前的δ1变化为δ2。经过反复不断地的振荡。最终的工作点稳定在曲线图中的g点处。
根据上述综合性的分析可知，暂态稳定性是由决功率特性曲线图4中的加速面积abed与减速面积dfed所决定。根据图4中的功率特性曲线图可知，当故障切除的速度较慢的情况下,转子功率角δ1会增大，此时的加速面积abed也会增大。当功率特性曲线图中的减速面积dfed小于加速面积abedde 的情况下，此时会出现进一步的加速，甚至会失去暂态稳定性。
在电力系统运行的过程中，为了有效地提高暂态稳定性，通常采用两个方式，一是，减小加速面积；二是，增大减速面积。其中，减小加速面积最为快捷、有效方式是，加快切除故障线路的时间；增加减速面积最为快捷、有效的方式是，增强发电机励磁系统中的励磁电压响应比，并且提升发电机系统中的强行励磁电压倍数，促使故障线路得到有效切除后，其发电机的内电势Eq 不断地提升，有效地增功率输出，为了达到增强系统的减速面积的最终目的。上述综合性的变化分析如图4所示。
在发电机系统正常运作的过程中，发电机的工作点的具体位置在功率特性曲线1 的a点处；当系统发生短路的情况下，所对应的功率特性曲线图为曲线3。如果在这种情况下，为发电机系统提供强行励磁，目的是不断地提高发电机内电势Eq, 会使功率特性曲线由先前的bc 不断地增加到bc´ 段。也就是说，在系统中故障线路切除前就降低了加速的面积。
在δ=δc的情况下，系统中的故障线路进行切除后，能够有效地增加减速面积，曲线面积会由前面曲线2 中的dehg 增加到de´h´g。此时，如果面积de´h´g的面积与def´f的面积相等的情况下，可以使转子功角的最大值由降低到δm，最终达到了提升系统的暂态稳定性的目的。
３ 励磁系统对电力系统动态稳定的影响
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主要组成部分。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。
电力系统的动态稳定性的影响也就是振荡阻尼影响。由于微机自动励磁控制系统的应用，使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)的最重要的原因之一。在—定的运行方式及励磁系统参数下，励磁调节器用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，或者操作者技术不过关，或者时间把握不佳，也会影响到阻尼情况。在—定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，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加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。
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，是在励磁调节系统中采用其它辅助措施。即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是正的。自并励励磁系统中的微机励磁装装置配置附加励磁控制PSS后，由于反应速度快，有利于PSS发挥作用提高动态稳定性。
4 结束语
同步发电机中的核心部分是由发电机励磁系统构成的，发电机励磁系统主要的作用是，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。随着科学技术的不断发展与完善，近年来的发电机的励磁方式随着新技术、新设备的引进得到了全面化的更新。通常情况下，发电机励磁系统是由两大核心部分构成。其中的一部分是励磁功率输出部分，其主要的核心作用是，供应直流电流给同步发电机的磁场绕组，从而创建直流磁场；发电机励磁系统的另一部分的主要作用是，为了确保电力系统的安全稳定运行，在正常运作或者是运作过程中发生故障的情况下，能够及时地对励磁电流给予适当的调整。
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参考文献
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［责任编辑：杨玉洁］