摘要：当电力系统发生故障时，增加励磁电流可以保持系统电压水平，保证供电质量。在当系统负荷突然增大或减小时，系统的电压会减小或增大，电压的变化会影响系统的稳定性。电力系统负荷是不断变化的，为了保持电力系统电压和无功配电的稳定，励磁控制系统需要对发电机励磁电流进行不断、快速的调节。由于励磁控制系统对发电机的控制作用，短期内最佳的控制效果可能会导致后期电力系统的不稳定。因此，励磁控制系统对电力系统稳定性的影响分为暂态（短期）稳定性和动态（长期）稳定性。
关键词：同步发电机；励磁系统；系统稳定性；
同步发电机的励磁系统对电力系统的稳定性起着非常关键的作用。从典型的同步发电机励磁系统入手推导其传递函数模型，并基于阶跃响应曲线和奈奎斯特曲线对2台励磁控制系统的响应特性进行了分析。
一、同步发电机的极限功率与功角稳定性
对于大扰动作用下的暂态稳定水平有2种判别标准。一种是利用暂态稳定的功率极限，另一种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故障最大允许切除时间。发电机的输出功率为
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式中Xd为发电机电抗，XL为变压器和输电线路的电抗之和，δ为Eq.和受端电压U·之间的相角，δG为发电机内功角，δL为机端电压与受端U·之间的相角。当空载电势为固定值时，发电机的传输功率PG是功率角δ的正弦函数。当δ小于90°时发电机是静态稳定的，当δ大于90°时发电机运行不稳定，δ等于90°为稳定的极限。故发电机传输的极限功率为
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此稳定极限功率与发电机Eq成正比，而Eq又与励磁电流有关。当励磁调节是有差调节系统时，Eq为一固定值，把此时的功角特性称为内功率特性。如果励磁系统能够自动调节励磁电流大小以维持机端电压，则发电机功率特性为PG=（UGU/XL）sinδL，称为外功率特性。提高同步发电机励磁可以提高静态稳定极限功率，从而提高系统的稳定裕度。
二、励磁系统对暂态稳定性的影响
暂态稳定性是指当系统遭受到较大负荷冲击时的运行性能，以及系统在负荷冲击期间和过后恢复到稳定运行状态的能力。暂态期间影响系统性能的主要因素有：（1）扰动的类型及持续时间；（2）传输系统维持强有力的同步能力；（3）原动机与发电机的参数。如果暂态是由系统故障引起的，靠近发生故障点的发电机表现为电枢去磁反应，励磁调节系统将抬高系统磁通水平。励磁系统对暂态稳定性影响的关键在于发生电力系统故障或者遭受较大负荷冲击时，励磁控制系统应维持发电机磁链平衡。下以一台单机带负荷与无穷大系统相连为例使用Simulink仿真，观察当电力系统发生两相短路对地故障时，2台励磁控制系统的调节效果。仿真步骤为：在0.1s时AB两相发生短路对地故障，在0.3 s电网继电保护动作使得断路器跳闸切除故障负载。
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图1励磁系统在系统故障时ABC三相的机端电压
图1（a）所示为采用理想励磁系统后，系统发生故障时的系统电压。图1（b）所示为采用西屋TＲA-1励磁系统后系统故障时的电压。由图1可见，在电力系统故障时两台励磁系统对系统电压的控制效果很接近。如图1（a）所示，0～0.1 s系统为额定电压值13.8 kV。第0.1秒变压器升压端发生AB两相短路接地故障，发电机机端A相电压降为8 kV左右，B相电压降为5 kV，C相电压降为10 kV。第0.3 s故障线路被切除，发电机机端ABC三相电压突增到11.5 kV，然后在0.7s回升至13.8 kV。由图1（a）的仿真结果可见，当AB两相发生对地短路故障时，非故障相C相的电压也会受到故障相的影响，从而使得系统失去平衡不再稳定。当短路故障被切除后，机端电压向故障前的状态跃变，但离故障前的稳定状态还有一段距离，此时发电机的励磁控制系统迅速调节励磁电流，使得发电机电压逐渐过度到稳定状态。故障切除后，由于励磁系统的调节使得系统经过一个0.4 s的调节回到稳定状态。仿真表明在系统发生故障电压骤然降低的时候，励磁控制系统将增大励磁电流，增大同步发电机的电磁功率输出以提高系统的稳定性。励磁控制系统根据反馈的发电机端电压和负载电流，快速地调节励磁电流，对于维持系统暂态稳定起着非常重要的作用。励磁系统能限制过载时定子和转子的有效电流值，当发生故障时励磁系统不光具有增磁作用，还具有减磁作用，因而励磁控制系统对提高电力系统稳定性起着关键作用。励磁系统的调节使得机端电压维持在一个稳定的允许值内，使得非故障负载正常工作，不至于导致整个电网的崩溃。
三、励磁系统对动态稳定性的影响
动态稳定性指电力系统受到扰动后，能够回到原有平衡状态或者过度到另一种平衡状态的能力，可以理解为电力系统的机电振荡阻尼的问题。当系统振荡阻尼为正则动态是稳定的，当阻尼为负则动态是不稳定的，阻尼为零则是临界稳定状态。仿真采用1台200 MVA、13.8 kV的发电机，机端电压经一台变压器将13.8 kV变为230 kV，再经4台断路器分别连接4台50 MW的负载。系统运行后分别合上4个负载，观察2台励磁系统对电力系统动态稳定性的影响。在0.3 s、0.7 s、1 s、1.5 s分别合上发电机额定容量的25%的4个负载。在第2 s切除所有负载观察系统短期内的情况。图8为负荷的增加和卸载过程，图2为理想励磁系统和西屋TＲA-1系统的电力系统电压变化情况，
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图2励磁系统的系统电压
从图2可以观察到，在0～2s期间内发电机在小负荷增加过程中机端电压的波动较小。在第2s系统突然卸载100%的额定负荷，此时采用理想励磁系统的电力系统和采用西屋TＲA-1励磁系统的电力系统的动态稳定性不同。图2（a）中，在第2s经历满负荷突卸后，采用了理想励磁系统的电力系统电压经过2.5s的波动后回到稳定状态。而图2（b）中，采用西屋TＲA-1励磁系统的电力系统在第2s秒遭受满负荷突卸后，系统电压在第8s才回到稳定状态。在图2（a）中由于系统采用了响应性能较好的理想励磁系统，使得系统电压在遭受较大的波动后能够较快速恢复至稳定状态。而图2（b）中由于采用的励磁系统响应性能较差，使得电力系统的动态稳定性较差。对比图3可以发现，理想励磁系统相比西屋TＲA-1励磁系统具有更加快速的电压调节性能，
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图3系统电压波动放大图
如图3（a）所示，在0～2 s时间段内，每次负荷的增加电力系统的电压都有电压降，电压降低后理想励磁系统增加励磁输出使系统的电压增加（图中上翘部分）。然而图3（b）显示，在每次负荷增加后，采用西屋TＲA-1励磁系统的系统电压没有明显的增加，这是由于西屋TＲA-1励磁系统的响应速度慢。在对两励磁系统控制性能的分析以及对电力系统动态稳定性影响的仿真中可得出如下结论：（1）电力系统的电压在遭受冲击性负载的时候主要依靠励磁系统的调节来恢复至稳定状态；（2）响应速度快的励磁系统对电力系统动态稳定所起的作用越明显。同时仿真表明，由于励磁系统内部的反馈使得外部的电力系统的振荡阻尼增加，使得电力系统具有良好的动态稳定性。
总之，现在电力系统越来越依靠励磁系统来改善系统的稳定性，使得电力系统的设计稳定极限降低。为了提高系统的暂态稳定性，理想的励磁系统特性应具有快速的响应特性。在系统发生故障时应具有增强励磁和快速响应性，负荷突变时应具有快速的调节性能。对于电力系统的动态稳定性来说，由于电力系统中的负荷是随时变化的，而且变化有大有小。要使得电力系统一直保持稳定运行，必须时刻调节发电机的励磁，使得负荷变化后系统能安全进入另一个稳定状态。
参考文献：
[1]李萍.现代同步发电机励磁系统设计及应用.2018..
[2]张海燕。浅谈同步发电机励磁系统对电力系统稳定性影响的仿真与分析.2017.
论文作者:苟文杰1,张兵2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：系统论文; 励磁论文; 发电机论文; 电力系统论文; 电压论文; 稳定性论文; 稳定论文; 《基层建设》2019年第28期论文;