浅谈同步发电机自动励磁调节作用
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【摘要】当前，在电力系统中同步发电机励磁系统主要是通过励磁调节来充分发挥发电机的作以提高电力系统稳定性。且随着电网的扩大，电网的稳定和安全运行的问题日益突出，因此，发电机励磁系统自动励磁调节作用在电力系统中的重要性也就愈来愈为人们所关注。
【关键词】自动励磁稳定调节作用
前言
励磁系统为同步发电机的重要组成部分，其直接影响发电机的运行特性，对电力系统的稳定安全的运行有者重要的影响。近年来国内大型发电机组应用自并励磁系统的方式已经得到广泛普及，因采用自并励磁系统发电机组比采用无刷励磁系统发电机组造价低，性能价格比高。
一、自动励磁调节系统的构成
励磁系统是供给同步发电机励磁电源的一套系统，它一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作功率单元；另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁调节器。
励磁控制器的硬件结构已经从传统的模拟式调节单元发展到了以微机计算机为核心的数字式，现阶段16位机已经成为自此控制器CPU的主流，它的输入信号来自电压互感器和电流互感器，通过软件调节输入量去控制功率单元，数字式自动励磁调节器借助其软件优势，在调节规律和辅助功能等方面可以有很大的灵活性，对应于软件的励磁控制方式也是从最初的比例控制发展到PID控制方式以及AVR+PSS控制方式，近年来线型最优控制和非线型励磁控制理论已经得到了充分的眼界并在我国看是应用。
二、同步发电机励磁发展历史和现状
控制理论的发展是由单变量到多变量，由线性到非线性，最终向智能控制方向迈进，励磁控制规律也经历了与之完全相适应的发展过程。
励磁控制器的控制规律研究一直是控制领域和电力系统一个极为活跃的课题。同步发电机的励磁控制技术总是随着控制理论的发展而发展的，控制理论的每一步发展都将引起同步发电机励磁控制技术的突破。
从20世纪40年代开始，励磁控制规律主要经历了以下几个发展阶段
（1）古典励磁控制
首先从单机系统的分析和研究开始，提出了按机端电压偏差调节的比例调节方式。由于比例调节方式是以电压调节为主的单一调节方式，不能很好的满足系统稳定以及稳态调压精度等多方面的要求，于是人们提出了按电压偏差调节的P(比例)――I(积分)――D(微分)调节方式。
这种电压调节方式的基本功能是调节发电机机端电压和分配机组间无功功率，它在一定程度上提高了系统的静态和暂态稳定性，但是仍然无法有效地解决其在调节精度和稳定性之间的矛盾。
（2）强力式励磁控制
为了确保大型水轮发电机远距离输电稳定性和抑制电力系统低频振荡，前苏联专家在上世纪50年代末期研制了强力式励磁调节器。这种励磁调节器设计的基本思想是：利用与功率有关的多个参量进行综合控制以阻止低频功率振荡和提高电力系统运行稳定性。但只适用于前苏联成员国内。
（3）线性最优励磁控制
随着线性最优控制技术的发展，为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及其动态品质，20世纪70年代初国际上一些学者提出了线性最优励磁方式。
用线性最优控制技术设计的线性最优励磁控制器具有很宽的适用范围，能够满足电力系统运行方式变化的要求。从理论上讲线性最优励磁控制可以从根本上解决电力系统的多种模式振荡问题，能取得比PSS更好的效果。
（4）非线性励磁控制
电力系统是一个非线性动力系统，它的工作条件和运行状态时刻都在发生变化，若想要真实地反映系统及其运行的状况，系统的模型就必须选择非线性的模型。非线性励磁控制方式的研究也取得了令人瞩目的成就，形成了一套独特的设计方法．20世纪80年代末，根据非线性控制系统的微分几何结构原理，提出了非线性励磁控制器。
（5）自适应励磁控制
自适应控制在电力系统中的应用研究始于20世纪80年代初，其目标是使控制系统自动跟踪被控系统在运行过程中发生的结构、参数等的动态变化，不断修正控制器参数或者调节控制策略以达到最佳控制。
由于电力系统的电磁暂态过程变化很快，要求运算速度快，而自适应励磁控制的计算量过大导致的运算速度缓慢使其在快速时变电力系统中的实际应用还存在一定的困难。
（6）智能励磁控制
智能控制包括了：人工神经网络控制、专家控制、模糊控制以及基于进化算法的控制等。他们的基本特点为不依赖于被控对象的精确数学模型，而是基于某种智能概念模型，将控制理论和人们的经验与直觉推理相结合，具有处理非线性、自适应、并行计算、自学习、自组织等方面的能力。
三、同步发电机自动励磁系统的作用
同步发电机运行时，不许再励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流成为励磁电流，二供给电流的种鸽系统称为励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子，故励磁电流也叫转子电流，
在电力系统的运行中，同步发电机是电力系统的无功率主要来源之一，通过调节励磁电流可以改变发电机的无功功率，维持发电机端电压。无论在系统正常运行还是故障情况下，同步发电机的直流励磁电流都需要控制，因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的安全运行，不仅与发电机及其相连的电力系统的运行经济指标密切相关，而且于发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。同步发电机励磁系统主要有以下几点作用
1、无功分配
在发电机负载运行时，根据负载的性质，空载电势 同发电机端电压 的关系发生了变化。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，随着负载的增加， 越来越小于 ，这时为了维持 不变，必须增大励磁电流；当发电机带容性负载是，电枢反应具有助磁性质，随着负载的增加， 越来越大于 ，同样为了维持 不变，必须减少励磁电流。
在发电厂中数台发电机并网运行时，调节一台发电机的励磁电流，不仅会改变这台机的无功，还要影响其他发电机的无功稳定性。所以，励磁系统分配并联运行的发电机无功时，还要考虑其稳定性和合理性，这就要求励磁调节器具有调差功能。
2、提高电力系统稳定性
a提高静态稳定性
静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到歧视运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低，可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断，这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。
b提高暂态稳定性
当电力系统遭受大德扰动后，发电机组或电厂之间联系立即减弱，只有当系统具有较强的暂态稳定能力，才能是系统中各机组保持同步运行，因为现代继电保护装置的快速切除故障作用，励磁自动控制系统对暂态稳定的影响一般不如对静态稳定那样显著，但在一定条件下，也具有明显的作用。
3、电压的控制
电力系统在正常运行时，负荷总是根据用户的变化经常波动的，同步发电机的功率也就随之相应变化，随着负荷的波动，需要励磁电流进行调节以维持机端电压或者系统中某一点的电压在给定的水平上。
在同步发电机空载运行中，转自以同步转速n旋转时，励磁电流产生的主要励磁通Φ 切割N匝定子绕组感应出频率为=或者发电机的 的三相基波电势，其有效值 同f，N，Φ 以及绕组系数k的关系：
fNΦ
这样，改变励磁电流 以改变主磁通Φ ，空载电势 值也会改变，两者的关系就是发电机的空载特性 或者发电机的磁化特性Φ = 。在发电机空载状态下，空载电势 就等于电压 ,改变励磁电流也就改变了发电机端电压。
4、 改善电力系统的运行条件
当电力系统处于各种非正常工作状况，出现暂时低电压是，励磁系统应进行强行励磁，使系统电压迅速恢复，从而改善系统的运行条件。
a水轮发电机组实行强行减磁
由于水轮发电机调速装置的惯性大，所以当发电机因故甩负荷的时候将超速可能导致危险的过电压，严重时可以升高到危及定子绝缘的程度，在此情况下，励磁装置会进行强行减磁，避免产生危险过电压。
b为发电机失磁异步运行创造了条件
在发电机由于各种原因失磁时，可以不退出运行，但要在吸收大量无功功率的条件下转入异步运行，必将导致系统电压下降，严重时甚至危及系统的安全运行，这时，若系统内正常运行机组的励磁系统及时增加励磁来提供足够的无功功率，以保持系统电压水平，那么失磁的发电机可以在允许时间内以异步运行的方式来维持运行，这不仅可以确保系统安全运行而且利于机组热力设备的运行。
c提高继电保护动作的灵敏度和正确性
当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，系统发生短路故障是，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确动作。若励磁自动调节系统在系统发生短路后，实行强行励磁，使短路电流水平变大，可提高带时限动作的继电保护装置的灵敏度，从而也增加了保护动作的正确性，
d改善点击自启动条件
当系统短路时，电网电压会降低，未切除的电动机组经常为此处于制动状态。在短路切除以后，电动机自启动时需吸收大量的无功功率，如此会延缓电压恢复过程，以致可能甩负荷。如果励磁装置进行强行励磁，就可以加速电网电压的恢复，来有效地改善发动机的启动条件。
结语：由于近年来电网的飞速发展、电网规模的日益扩大对电力系统的安全稳定提出了更高的要求，所以同步发电机作为电力系统中的一个核心元件，其安全稳定运行对电网的安全稳定运行起着非常关键的作用，对其进行进一步的探索和研究具有非常重要而又急迫的现实意义。
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