浅析中、小型同步发电机励磁调节

摘要：  本文主要分析中、小型同步发电机励磁调节

对于单机运行的同步发电机，它的等值电路如图1(a)，矢量图如图1(b)。

由(2)式可知，造成机端电压下降的主要原因是无功电流(定子阻抗主要是电抗，等效电阻很小)。我们取机端电压作励磁系统负反馈信号，作所谓的“恒电压”运行，一般就可以实现负载电流增加—机端电压下降—励磁电流增加—机端电压回升的调节过程。一般“并网”发电机在并网前通常也可以采用这种工作方式。

现实中大部分发电机都是需要并网运行的，“并网”发电机的等值电路如图2(a)，矢量图如图2(b)。

此时发电机的矢量电流：

我们再来分析一下此时电网电压变化时的发电机的工作状况：当网电压偏低时(根据(3)式)必然使发电机无功电流增加，Uq增加，由于是(Uac+Uq)恒定，相应的机端电压Ug(Uac)会减小，因而无功电流增加不至于太多;反过来当网电压偏高时，无功电流会减小甚至变负，同样由于(Uac+Uq)恒定，机端电压Ug(Uac)必然会升高，无功电流的减小会变缓，不容易出现“无功倒灌”的现象。总的来说由于(Uac+Uq)恒定，因而机端电压能基本保持稳定，有利于发电机转速稳定防止“失步”，同时又能使机端电压适当地随电网电压变化有利于减小无功电流的波动和功率因素的稳定，这也是大多数励磁系统采用此调节方式的原因。

但是，对大多数中、小型发电机组特别农村小水电机组来说由于本身容量有限，它们对电网的调节作用是非常微小的，而往往它们所连接的局部电网通常品质很差，电压波动激烈(上班/下班，大设备投入/切除，白天/晚上，前半夜/后半夜)，如果仍然采用传统的带“无功调差”的“恒电压”调节方式，虽然兼顾了无功电流问题，但由于本质上仍然是“恒电压”调节，当电网电压过低或过高时仍然会引起功率因素和无功电流的大幅摆动，功率因素和无功电流的大幅摆动除了造成发电机无法满发、“无功不足”罚款外，甚至可能出现“无功倒灌”、“过流”跳闸、进而“飞车”等故障，给发电机组的安全运行造成很大危害。为了避免这些危害，通常由值班人员不断的调整励磁给定值使功率因素稳定在预期的范围内，这不可避免地造成值班人员心理压力大、劳动强度高。另外，如果局部电网中有某台发电机出现振荡造成电网电压快速波动时，人是不可能调整过来的。因此对于中、小型发电机组来说采用传统的调节方法不是最合适的，有时是无法使用的。

我们总结一下中、小型发电机组特别农村小水电机组的运行特点：

1. 它们的容量都有限，它们不应该也不可能成为稳定电网电压的主力机组。

2. 它们所连接的局部电网通常品质很差，电压波动激烈，功率因素和无功电流的激烈波动成为危害发电机组的安全运行的主要矛盾。

为此，我们提出新的控制思路：以稳定功率因素运行为主要控制目标。

由(3)式我们可以推出：

其中：Idq为发电机电流的无功分量，Uq为对应的无功调差电压。

假定并网后我们可以保证发电机机端电压是电网电压Us与无功调差电压Uq的和，并且无功调差电压Uq是可以锁定不变的，那么实际上发电机的无功电流就是恒定的。由于小型发电机有功电流跟输入的机械能量有关，在输入的机械能量不变的情况下发电机的有功电流就基本不变。无功电流恒定，有功电流又基本不变那么功率因素自然就稳定了。

如果采用计算机控制，上述控制思路在技术上就比较容易实现：

1. 加一个电网电压Us测量通路。

2. 在通常的调差控制中加一个无功调差电压Uq的测量环节，并且能在功率因素合适时测量出此时的Uq的值作为附加的不变的无功调差给定值。

3. 在人工干预了励磁调节器(比如增、减了励磁电压，改变了当时的功率因素)后，调节器应能自动测量出新的Uq值作为附加的不变的无功调差给定值。

4. 将电网电压Us与不变的无功调差给定值Uq的和(Us+Uq )作为机端电压Ug给定值。

因此，机端电压Ug是跟随电网电压Us变化的，但无功调差电压Uq却不变，即对应的无功电流不变。此励磁调节方案的核心就是锁定无功电流，使机端电压跟随电网电压变化。

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