发电机电压自动控制装置的作用及其分类
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性能特点和作用说明 |
发电机电压自动控制装置的作用及其分类 |
摘要：同步发电机的电压自动控制装置核心是自动励磁调节器，它是发电机控制系统中的“智能中枢”。它的作用远不止维持电压稳定那么简单，而是多维度、对发电机乃至整个电力系统的安全、稳定、优质运行都至关重要。因此，该装置是柴油发电机组不可或缺的核心控制设备，对保证电能质量、提高系统稳定性和供电可靠性具有决定性意义。
一、电压自动控制装置的作用
1、维持电压在给定水平
（1）工作原理：持续监测发电机的端电压，并将其与一个设定值（参考电压）进行比较。一旦检测到偏差（例如由于负荷变化导致电压下降），立即输出控制信号，增大或减小供给发电机转子绕组的励磁电流，从而改变发电机的内电势，最终将机端电压拉回并稳定在设定值附近。
（2）重要性：保证当地负荷和厂用电的电压质量，是电能质量的重要指标。
2、合理分配并联运行机组间的无功功率
当多台发电机在同一母线上并联运行时，这个作用至关重要。如果没有自动调节，总的无功负荷在各发电机间的分配是不稳定的，会出现“无功抢功”现象，即一台发电机承担过多无功而另一台却吸收无功，导致系统振荡和机组过载。
（1）解决方案：通过自动励磁调节器的“调差”功能，模拟出发电机类似于电阻的下垂外特性（即无功电流增大时，其端电压设定值会略微降低）。这样，各台发电机就能根据自身的调差特性，稳定、合理地按比例分配系统的总无功负荷。
（2）重要性：防止机组间无功功率的振荡，保证发电厂和电网的稳定运行。
3、提高电力系统的稳定性
这是自动励磁调节器最“高级”和关键的作用，尤其在电网发生故障时。
（1）提高静态稳定性：系统在微小扰动下（如负荷的缓慢变化）保持稳定运行的能力。通过快速、精确地维持电压，保证了发电机输出的电磁功率极限，增大了稳定运行的裕度，使发电机能够承受更大的功率波动而不失步。
（2）提高暂态稳定性：系统在大的、突然的扰动后（如短路故障、切除大线路等）保持同步运行的能力。当电网发生短路等故障时，电压会急剧下降。自动励磁调节器会立即进行“强行励磁”（强励），以最短时间将励磁电压和电流升至顶值（最大值）。这极大地增强了发电机的内电势，有助于在故障切除后，将发电机重新拉回同步状态，防止因功角失稳而导致的系统崩溃。这是防止大电网连锁故障和崩溃的最后一道防线之一。
（3）抑制低频振荡：互联电网中，发电机群之间会产生0.1~2.5Hz的持续功率振荡。通过附加的电力系统稳定器（PSS），它以发电机的转速、功率等为辅助信号，向自动励磁调节器提供附加控制信号，产生正阻尼转矩，有效抑制这种振荡。其重要性是释放输电线路的传输容量，提高电网的动态稳定性。
4、改善电力系统的运行条件
（1）加快短路后电压恢复：故障切除后，强励作用能迅速支撑起电网电压，加速系统恢复正常。
（2）限制过电压：在甩负荷（发电机突然与负荷断开）时，转速上升会导致电压升高，调节器能快速减小励磁，抑制工频过电压。
（3）为异步自起动提供支持：电网故障后恢复时，电动机需要吸收大量无功来启动。强大的自动励磁控制可以维持电压水平，为电动机自起动创造条件。
二、类型划分
同步发电机的电压自动控制装置按其被测量的不同可分为三大类，即按负载电流扰动、按端电压偏差和按负载电流扰动与端电压偏差相结合的电压自动控制装置，这是目前公认分类方法。
1、按负载Ig和cosφ扰动控制的励磁调压装置
按发电机负载电流Ig的大小和功率因数cosφ进行励磁电流调整的调节器装置，属于按扰动控制的相复励调压装置，即不可控相复励调压装置，其原理如图1（a）所示。其中，被控制量是发电机端电压，控制信号是励磁电流，扰动量是发电机的负载电流。当发电机负载电流的大小与性质改变时，由于电枢反应作用，端电压会发生变化，而与此同时，由扰动量输入到励磁调节器中，使其控制的励磁电流随之做出相应的改变去补偿扰动所造成的电压变化，使系统输出量电压尽可能保持原有水平，这种作用的原理是“利用扰动、补偿扰动”。
它没有能力对系统输出量进行准确的测量，输出量对控制信号没有作用；换言之，没有被控量的反馈比较，控制过程不构成闭合环路，因此这种控制作用没有按输出量保持不变的要求去调节控制量，而仅是根据输出量的主要扰动去进行控制，是一个开环调节系统，故而调压精度不高，静态调压率大于±2％。但因其结构简单、可靠、动态指标好和易于调整等优点，仍然得到了广泛的应用。典型的有电流叠加的恒压装置如图1（a）所示，电磁叠加的谐振式恒压装置、电磁叠加带曲折绕组的恒压装置、电势叠加的恒压装置都属于这种类型。
2、按电压偏差ΔU控制的励磁调压装置
按发电机输出实际电压Ug与给定值电压（发电机额定电压 UN)的差值即电压偏差信号ΔU的大小调整励磁电流的自动装置。图1（b）表示的可控硅自动励磁调节装置即属于此种类型。
该励磁装置主要由三部分组成：电压检测环节，移相触发控制环节和励磁主回路。
电压检测环节将发电机实际电压与基准电压进行比较获得电压偏差信号，去改变可控硅的导通角，从而实现调整励磁电流的目的。这种自动控制装置调压精度很高，静态调压率可小于±1％，在控制过程中，始终将输出量（端电压）与目标值作比较，获得偏差信号，根据偏差信号的大小及时调节控制信号（励磁电流），去消除这种偏差，控制系统构成闭合的环路。这种控制作用的原理是“检测偏差、纠正偏差”，不论什么扰动对输出量所造成的偏差都会得到纠正。
3、复合（按 ΔU、Ig、cosφ)控制的励磁调压装置
图1(c)为可控相复励系统的单线原理，它实现了按负载电流的大小Ig及性质cosφ和按电压偏差ΔU综合调整励磁电流以维持发电机输出电压恒定，因其具有上述两种类型自动励磁调节器的优点，所以在地下工程上广泛应用。
它主要由两大部分构成，即相复励部分和自动电压校正器部分（AVR），前者按负载电流和功率因数的扰动控制励磁，其作用与按负载扰动的调压过程一样；后者按电压的偏差来校正，其中AVR输出与ΔU成比例的直流电流去控制饱和电抗器SRT的电抗值，来改变励磁电流的分流大小，从而实现调整发电机的励磁电流，使端电压基本保持不变，最终控制发电机端电压的恒定。
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总结：
现代同步发电机的电压自动控制装置通常是上述功能的集成，其核心是一个以机端电压为主要被测量、采用PID算法的自动电压调节器（AVR）。，内部包含可设置的无功补偿（调差）功能，同时，配备以转速、功率等为被测量的电力系统稳定器（PSS）作为高级辅助控制，以增强大电网的稳定性。因此，按被测量的分类，清晰地展示了励磁控制技术从单一目标（稳压）到多目标（稳压、均无功、阻尼振荡）的发展历程。
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