励磁对电力系统稳定性的影响

电力系统自动装置

励磁对电力系统稳定性的影响

来自伟大的京哥 QQ：1181611530

1

目录

摘要：............................................................................................................................ 3 一.相关简介................................................................................................................... 4

Ⅰ：励磁.......................................................................................................... 4

2.主要作用 ................................................................................. 4 3.种类 ......................................................................................... 4 4.励磁任务 ................................................................................. 4

Ⅱ：电力系统稳定性...................................................................................... 5

1.静态稳定 ................................................................................. 5 2.暂态稳定 ................................................................................. 5 3.动态稳定 ................................................................................. 5 4.稳定水平的判据 ..................................................................... 5

二. 励磁系统对电力系统稳定性的影响..................................................................... 6

Ⅰ磁控制系统对静态稳定的影响.................................................................. 7 Ⅱ励磁调节对暂态稳定的影响.................................................................... 10 Ⅲ.励磁调节对动态稳定的影响................................................................... 12 Ⅳ通过励磁控制改善电力系统稳定性的措施............................................ 12

1 改善静态稳定性 .................................................................. 12 2 改善暂态稳定性 .................................................................. 12 3 改善动态稳定性 .................................................................. 13

三．电力系统稳定器（PSS）简介 ............................................................................ 13 四．总结...................................................................................................................... 14 参考文献：.................................................................................................................. 14

2

摘要：为了探讨发电机励磁对电力系统稳定性的影响，论文以单

机无穷大系统为例，分析了负荷补偿对同步转矩以及阻尼转矩的影响，深入探讨了不同系统参数和运行状态下补偿系数与同步转矩和阻尼转矩的关系，从而研究了励磁对电力系统稳定性的影响。简介了PSS的原理。

关键词：励磁，电力系统；电力系统稳定器；励磁控制, 系统稳定性

ABSTRACT：To illustrate the exciting relationship with the power system stability,this paper details of Lord Compensation on synchronizing torque and damping torque of one-machine-infinite-bus system,especially the relationship between them under different system parameters and compensation coefficient.Introduct the principles of PSS.

Key words：excitation；power system；PSS；exciting control；system stability

3

一.相关简介

Ⅰ：励磁

1.解释:

励磁就是向发电机或者同步电动机定子提供定子电源的装置。

根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速，改变励磁同样起到改变转速的作用 2.主要作用

①.维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。

②.合理分配并列运行机组之间的无功分配。

③.提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。 3.种类

按整流方式可分为旋转式励磁和静止式励磁两大类。其中旋转式励磁又包括直流交流和无刷励磁；静止式励磁包括电势源静止励磁机和复合电源静止励磁机。 一般我们把根据电磁感应原理使发电机定子形成旋转磁场的过程称为励磁. 励磁分类方法很多，比如按照发电机励磁的交流电源供给方式来分类：

第一类:是由与发电机同轴的交流励磁机供电，称为交流励磁（他励）系统，此系统又可分为四种方式：

① 交流励磁机（磁场旋转）加静止硅整流器（有刷） ② 交流励磁机（磁场旋转）加静止可控硅整流器（有刷） ③ 交流励磁机（电枢旋转）加硅整流器（无刷） ④ 交流励磁机（电枢旋转）加可控硅整流器（无刷）

第二类:是采用变压器供电，称为全静态励磁（自励）系统，当励磁变压器接在发电机的机端或接在单元式发电机组的厂用电母线上，称为自励励磁方式，把机端励磁变压器与发电机定子串联的励磁变流器结合起来向发电机转子供电的称为自复励励磁方式.这种结合方法也有四种： ① 直流侧并联 ② 直流侧串联 ③ 交流侧并联 ④ 交流侧串联 4.励磁任务

发电机励磁系统的任务:

①.发电机并网前，调节发电机输出的端电压； ②发电机并网后，调节发电机承担的无功功率；

4

③提高同步发电机并列运行的静、动态稳定

a: 静态稳定： 采用灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定性（静态稳定）；

b:动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以提高发电机在的大扰动下的稳定性（动态稳定、暂态稳定）

⑤ 发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以保护发电机的安全。

Ⅱ：电力系统稳定性

电力系统的稳定性一般划分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定三种方式，其

含义如下。 1.静态稳定

静态稳定是指电力系统遭受小扰动后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始运行状态的能力。此期间表现出的是电力系统不受控制作用的自然特性。其稳定性主要取决于系统的同步力距。 2.暂态稳定

暂态稳定是指电力系统遭受大的扰动后，各个同步电极保持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来状态运行的能力（通常指保持第一个或第二个摇摆周期不失步）。在这期间，系统中的短路故障性质、主保护动作情况、重合闸成功与否的影响最大。 3.动态稳定

动态稳定是指电力系统遭受扰动后，在自动调节装置和附加控制的作用下，保持较长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步），在这期间电力系统阻尼特性影响较大。[1] 4.稳定水平的判据

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Pmax与转子运行角度的极限δmax ，在图4－1中示出了同一发电机组在采用不同控制方式时的微动态稳定水平。当发电机的电磁功率超过图中所示的Pmax1 或Pmax2 ，微动态稳定将被破坏。

对于大扰动作用下的暂态稳定水平有两种判别准则，第一种是用暂态稳定的功率极限

5

来表示。暂态稳定极限功率Pmax的定义为：设与系统并联运行的发电机组在正常运行方式下输出有功功率为Pe= Pel ，在该情况，若在系统K点发种类型短路故障，系统仍能保持稳定，但在Pe= Pel + Δpe(Δpe为比Pel小得多的微小增量)的正常运行条件下，当在K点发生同一类型故障时，系统将失去稳定，则称Pel为该系统在K点发生该种类型故障下的暂态稳定极限功率，以 Pel = Pmax1表示。在正常运行方式下，与Pel l所对应的转子功角则称为暂态稳定极限角δmax 。 暂态稳定水平的另一表示方法是，在一定输送功率条件下，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点发生某种形式的短路，其故障切除时间t＝t1+Δt1(Δt1为比t1小得多的微小增量)时，系统不能保持稳定，则称该系统在K点发生该种类型故障时的最大允许故障切除时间t1 = tmax (一般为零点几秒)。显然t1之值越大，标志系统的暂态稳定水平越高。

二. 励磁系统对电力系统稳定性的影响

条件：

为了简化分析，设发电机工作于单机对无穷大母线系统中。发电机经过升压变压器及输电线接到受端母线，由于受端母线为无穷大母线，它的电压幅值U和相位（设置为零）都保持恒定。图2表示了系统的接线图及等值电路图。

接线图

等值电路 图2

6

Ⅰ磁控制系统对静态稳定的影响

在正常运行情况下，同步发电机的机械输入功率与电磁输出功率是保持平衡的。同步发电机以同步转速运转。其特征通常可用功－角特性予以表示，对于汽轮发电机，其功－角特性:

P=

Eq∙Us

∙sinδ XΣ

式中 Eq-发电机内电势； Us-受端电网电压； X∑ -发电机与电网间的总电抗。

相应的功－角特性如图3所示。此曲线亦称内功率特性曲线。当无励磁调节时，Eq 为常数，最大输出功率PM( dP∣δ=δQ=0 )称为静态稳定极限，其值等于

δ

d

Eq∙Us

Pm=

XΣ

在正常运行时，平衡点在a点处。如果机械输入功率由P0增加到P’0，过剩功率将使发电机转子加速，使内电势Eq相对于受端系 统电压Us的功率角由δa增加到δb，工作点由a移到b，达到新的平衡。当励磁恒定，即Eq为常数，静态稳定功率极限为

Eq∙Us

Pm=

XΣ

静态稳定的判别式为：

dP

>0或者δ<=90° dδ

如果发电机在运行中可自动调节励磁，则此时Eq为变值，相应的传输功率可得到显著的提高。假定自动励磁调节是无惯性的，并假定在负载变化时可保持发电机的暂态电势E’q近似为常数，由于随负载变化时，内电势Eq亦随励磁调节而变化，此时的功率特性已不是一条正弦曲线，而是由一组Eq等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成，如下图 4(a)中曲线1－2－3－4所示。为区别Eq等于恒定值时的内功率特性曲线，当Eq随负载而变化的1－2－3－4功率特性曲线称之为外功率特性曲线。

7

同时，由于外功率特性曲线系借助于励磁调节而工作在此曲线部分，故相应工作段亦称人工稳定区。第I组外功率特性曲线a-b-c-d-e与第II组不同的是励磁调节器具有更高的电压放大倍数Kou，故可维持更高的电压水平。

另由上图4（b）可看出，如维持E’q近似不变，则随着负载增加，Eq是上升的。同时，对外功率特性而言，最大功率值不是出现在δ=90o，而是δ>90o处。其具体数值取决于微动态稳定的条件。 如果励磁调节器具有更良好的性能和更高的电压放大倍数Kou，在负载变化中可维持发电机的电压U为恒定值，此时的外功率特性曲线将具有更高的斜率，如图5（e）中所示的外功率特性曲线。

d

在下图5（a）中 C1=ρ⁄dδ，c1为内电势Eq为恒定值的同步系数，当c1＝0，δ=90o时，c2、c3分别表示当E’q或U恒定时的同步系数，但是c2或c3=0对应的转子功角δ将大于90o。在图5(c)及(e)中示出了在某一给定参数条件下，外功率特性曲线达到的最大稳定运行功率时，对应的转子功角为δmax，其后随功率的增加将出现发电机端电压及功率振荡的情况，如图5（c）、（d）、（e）及（f）所示。这是由励磁系统参数选择不当所致。[2]

8

理论分析研究结果表明：励磁系统的电压放大倍数Kou与励磁系统的时间常数Te以及转子功角δ间具有下图所示的关系。由此图可看出：在同一转子功角条件下，随时间常数Te的增加，为保证发电机稳定运行所允许的电压放大系数是增加的；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倍数是减少的。由此引起了如上图c）和（e）所示的功率振荡情况。

9

Ⅱ励磁调节对暂态稳定的影响

上述讨论只涉及到在小于扰作用下的微动态稳定问题。下面讨论一下在大扰动条件下励磁调节对暂态稳定的影响。现以图2所示的单机对无限大系统为例，讨论在短路故障下功率特性的变化。在图7中曲线1表示双回路供电时的功率特性，其幅值等于：

Pm=

Eq∙UsXΣ

（XΣ=Xd+XT+XL/2）

曲线2表示切除短路故障线路后的功率特性曲线。由于线路阻抗由XL/2增加到XL ,使功率特性曲线的幅值减小到

10

Pm=

Eq∙UsXΣ

′（XΣ′=Xd+XT+XL）

曲线3表示故障中的功率特性。如果发电机初始工作点在功率特性曲线1的a点，短路后工作点将由功率特性曲线3所决定。在故障瞬间，由于惯性的影响，转速维持不变，功率角δ仍为δ0，工作点由a移至b。其后，因输出电磁功率减小，转子开始加速，功率角开始增加。当达到δ1时故障切除，功率特性为曲线2，工作点由c移到e点。由于惯性的影响，转子沿功率特性曲线2继续加速到f点，对应的转子功率角为δ2.经过反复的振荡，最后稳定在工作点g处。同前所述，暂态稳定性决定于加速面积abcd是否小于或等于减速面积dfed。显然，当故障切除较慢时,δ1将增大，加速面积abcd将增大。如果减速面积小于加速面积,将进一步加速，失去暂态稳定性。 提高暂态稳定性有两种方法，减小加速面积或增大减速面积。减小加速面积的有效措施之一是加快故障切除时间，而增加减速面积的有效措施是在提高励磁系统励磁电压响应比的同时，提高强行励磁电压倍数，使故障切除后的发电机内电势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到增加减速面积的目的。相应变化如图8所示。 [3]

由图8可看出，正常时，发电机的工作点在功率特性曲线1的a处；当发生短路事故时，相应功率特性曲线为曲线3。如在此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势Eq,使功率特性曲线由bc段增加到bc’段，由此在故障前减少了加速面积（由abcd减少到abc’d）。在δ=δc时故障切除后亦能增加减速面积（由曲线2的dehg增加到de’h’g）。如面积de’h’g等于面积def’f，则可使转子功角最大值由δm’降到δm,明显地提高了暂态稳定性。显然，励磁顶值电压越高，电压响应比较快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但是，考虑到发电机绝缘的强度，故强励顶值电压以（7～9）倍为宜，于此基值取为发电机空载励磁电压。[4]

11

Ⅲ.励磁调节对动态稳定的影响

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。励磁控制系统中的自动电压调节作用，是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。在一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，特产生负的阻尼作用。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。

Ⅳ通过励磁控制改善电力系统稳定性的措施

1 改善静态稳定性

由前面的分析可知，对于汽轮发电机，其功－角特性为 Eq∙UsP=∙sinδ XΣ其最大输出功率为PM，称为静态稳定极限，其值等于 Eq∙Us

Pm= XΣ

如果发电机在运行中可自动调节励磁，则此时Eq为变值，相应的传输功率可得到显著的提高。所以要改善其静态稳定性，就是通过改变Eq达到提高其稳定极限PM 2 改善暂态稳定性

暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性．主要是指事故后转子第一个振荡周期内的稳定性，就励磁控制系统而言，其作用由三个因素决定：

(1)励磁系统强励顶值倍数。提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。但是提高强励倍数将使励磁系统的造价增加及对发电机的绝缘要求提高。因此，在当前故障切除时间极短的情况下，过分强调提高强励倍数是没有必要的。

(2)励磁系统顶值电压响应比。励磁系统顶值电压响应比又称励磁电压上升速度。响应比超大励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态稳定越有利。励磁系统项值电压响应比，由励磁系统的性能所决定。

(3)励磁系统强励倍数的利用程度。充分利用励磁系统强励倍数，也是励磁系统改善暂态稳定的一个重要因素。如果电力系统在发电厂附近发生故障，励磁系统的输出电压达不到顶值，或者达到顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的水平时已停止强励，使励磁系统的强励作未充分发挥，降低了改善暂态稳定的效果。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一是提高励磁控制系统的开环增益，开环增益越大，调压精度超高．强励倍数利用越充分，也就越有利于改善电力系统暂态稳定。[5]

12

3 改善动态稳定性

动态稳定是研究电力系统受到扰动后，恢复到原始平衡点或过渡到新的平衡点后)过程的稳定性。研究它的前提是：原始平衡点(或新的平衡点)是静态稳定的，以及大扰动的过程是暂态稳定的。

电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。当阻尼为正时，动态是稳定的；阻尼为负时，动态是不稳定的；阻尼为零时，是临界状态。对于零阻尼或很小的正阻尼，都是电力系统运行中的不安全因素，应采取措施提高阻尼。 分析表明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是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。在一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．也将产生负的阻尼作用。

三．电力系统稳定器（PSS）简介

电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)一般是以励磁调节器电压控制环的附加控制形式出现，其借助于励磁调节器的励磁控制输出来阻尼同步电机的功率振荡[6]。

PSS输出的附加控制信号加到励磁系统上，经过励磁调节器滞后产生附加力矩。该滞后特性称为励磁系统无补偿特性。附加力矩方向与发电机Eq’一致，但是无法实际测量Eq’，而用测量发电机电压Vt代替。试验时要求调整发电机无功在零附近，有功在满负荷附近。根据测得的励磁系统无补偿特性，按照预先设计的PSS环节

相位补偿特性，初选PSS参数。目标是在低频振荡的频率范围内，PSS产生的附加力矩向量Te对应Δω（转速）轴在超前10°~滞后45°以内，并使本机振荡频率力矩向量对应Δω（转速）轴在0°~滞后3 0°以内。P S S输入信号（转速ω，电气功率Pe或机械功率Pm）与Δω的相位关系如下：转速ω和频率f与Δω轴同相，电气功率Pe滞后Δω轴9 0°，机械功率Pm领先Δω轴90°。根据不同的输入信号，PSS环节相位补偿特性的相位Фpss加上励磁系统无补偿特性的相位，可以获得所需的PSS附加力矩与Δω轴的关系，如图9所示。[7]

在有PSS参与调节的工况下，功率振荡会有明显的收敛，可以提高遏制系统低频振荡的能力，这样，从根本上说，由于PSS的原理是通过励磁来是现代，所以可以通过励磁来提高电力系统的稳定性。这是十分必要的。

13

四．总结

对于励磁，是电学中，或者说是生活中常见的现象，也广为我们所利用，但是同样也带来了不少危害，在电力系统中，纪要利用励磁来稳定系统，也要积极的消除励磁所带来的不稳定因素，这是把双刃剑，我们要好好利用，科学同样如此。

感谢老师的指导！

参考文献：

[1] 作者：方李兵．电力系统稳定概述[J]．广东科技2008．10．总第188期． [2] 作者：刘取．电力系统稳定性及发电机励磁控制[M]．北京：中国电力出版社，2007．

[3] 作者：王德生． 浅谈励磁系统对电力系统稳定性的影响[C]．全国大中型水电厂技术协作网技术交流文集．

[4] 作者：李基成．现代同步发电机励磁系统设计及应用[J]．中国电力出版社版．

[5] 作者：程林，孙元章，贾宇，吴琛，李文云．发电机励磁控制中负荷补偿对系统稳定性的影响[J]．中国电机工程学报．

[6] 李小腾，张小庆．安康水电厂PSS投运对改善系统阻尼特性的研究[J]．陕西电力，2009，37(10)：37—40．

[7] 作者：盛超，张俊峰，魏伟．励磁附加控制对电力系统稳定器的影响实例分析[J]．广东电网公司电力科学研究院．

14