马振宇
国电电力大同第二发电厂 山西大同 037043
摘 要：通过介绍笔者所在的大同第二发电厂前些年进行的#2发电机励磁系统改造（由三机励磁改为自并励静止励磁），对比前后采用过的两种励磁方式，说明自并励静止励磁方式与过去的三机励磁方式相比有较大的优越性。结合厂实际情况，分析汽轮发电机自并励静止励磁系统的优越性。
关 键 词：自并励静止励磁系统；励磁调节器；励磁变；优越性
Key phrase: Potential source static exciter systems?； Excitation regulator；
Excitation transformer；Superior
一、概述
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的性能直接影响发电机的运行特性。励磁系统性能的优劣，其各部件质量的好坏，是影响整个机组安全、经济、满发的重要因素之一。同时，励磁系统性能也对电力系统有一定得影响。
自并励励磁系统以其响应速度快，发电机轴系短，经济等特点，在国外大型发电机组中早已得到广泛的应用。而在我国，过去由于电网相对较弱，大容量发电机组采用自并励励磁系统，如在发电机出口三相短路可能对系统稳定造成威胁，因此较少采用。但是近年来，我国电力发展迅速，电网容量不断扩大，国内大型发电机组采用自并励励磁系统方式已经得到广泛的应用，其优越性得到进一步的证实。
从历史发展来看，励磁调节装置经历了分立元件、集成电路及微机型三个阶段。到了二十世纪九十年代末，先进的微机励磁调节装置更是得到了广泛的应用。
二、实际分析
1、原三机励磁模拟励磁调节装置分析
大同二电厂一期装机容量为6*200MW，是燃煤汽轮发电机组。发电机的励磁方式采用的是400HZ副励磁机、100HZ主励磁机及发电机的三机同轴励磁系统。目前，厂一期#1－#6发电机励磁调节器采用武汉洪山早期设计的HJT－07模拟型调节器（首台为1994年产品）。该调节器由集成电路、晶体管分立元件构成；参数不易调整，两柜的均流系数难以满足要求；设计、制造均存在缺陷，制作工艺极其落后、粗糙。采用模拟调节方式的励磁调节柜构造原理复杂，定值整定量大，调节点多，不易调整,元器件分散且老化，特性偏差大，静态整定输出值与动态实际所需调整值偏差大，电压静差率不满足国标标准。已投产多年的整流柜常规附属设备多，检修维护困难，故障率高，其多个支路只能靠筛选特性相同的元件来保证均流系数，可靠性差，已不满足机组长周期安全运行的要求。
原励磁系统反应速度慢，时间常数大于0.5s，因其模拟量调节回路复杂，调节环节多，传递函数需通过实际多种运行状态实测数据计算，程序复杂，难以测定。且强励特性差，在系统大扰动时的稳定性差。同时因其调节特性差，难以达到正常运行中与其它机组之间的无功功率自动合理分配，难以满足“技术监督”及“上网安全性评价”中对发电机励磁系统各项指标的要求。
装置的工作状态无法监视。由于共用操作电源，两调节柜难以独立运行，给运行中调试消缺带来不便，一旦发生电源故障调节器将无法工作。限于设计和实际接线的条件，无法进行双电源改造。而且,由于元器件数量大，缺陷多（近来明显增多）,已多次造成调节器故障，引起发电机转子过电压或调节器退出运行，给安全运行带来隐患。随着设备的更新换代，备品备件采购越来越困难且价格昂贵，使运行维护成本加大，困难增多。
我厂#1－#6机整流柜均为电厂投产时的产品，整流方式为多路并联二极管（不可控）全桥整流方式，由于二级管管压降的不同，并联支路均流特性极差，又无法进行调整，造成只有个别管工作，始终带“病”运行。其附件为常规电磁型设备，整个励磁系统设备老化严重，可靠性差，故障率高，严重影响机组的正常运行。鉴于上述原因，我厂#1－#6发电机励磁系统急需改造。
2、新自并励微机自动励磁装置分析
新型微机型励磁系统原理先进，采用大容量微处理器为核心的双微机双通道励磁调节器和模块式进口可控硅整流桥，可采用主从或并列方式。抗干扰能力强、有完善的显示和人机接口系统：有完善的软件系统和故障监视、数据记录、曲线绘制功能；运行维护方便，自动化程度高，具有控制结构自适应和控制参数自适应的调节功能，可在线整定且具有录波功能，可对发电机励磁系统故障做出分析，可按实际需要选用电力系统稳定器（PSS）、非线性励磁控制等高级功能。调节性能满足国标要求。随着科技的进步和电力系统的发展，对励磁调节器的性能要求将越来越高，新型微机型励磁系统将是发展的方向，这是大势所趋，纯属必然。
新型励磁系统采用微机型调节器、数字调节励磁方式，定值整定精确，传递函授由微机给定程序实现，响应速度快，时间常数能够达到0.05～0.1s，能够根据发电机及系统电压的变化准确、快速、自动调整励磁，且具备电力系统稳定器（PSS）、非线性励磁控制及良好的强励功能，满足了技术监督对上网发电厂励磁系统各项指标的要求。
3、举例讲解
现以我厂#2机励磁系统改造为例：
我厂原为三机励磁，现经改造取消主、副励磁机，增加干式励磁变压器，采用机端自并励静态励磁方式。
原理图如下：
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该方案采用机端励磁方式，机端励磁方式在国内已运用到600MW机组上，技术
已经成熟。因此，运用到我厂200MW发电机上是可行的。
该方案具有以下优点：
①取消了转动设备主励磁机和副励磁机，消除了转动设备易损坏的缺陷，减少
了维护量。
②缩短了发电机轴系长度，提高了机组运行的可靠性。
③系统简单，响应速度快，调节控制灵敏，可维护性好及运行稳定。
自并励接线方式为接于发电机出口母线
励磁变压器的选择
选择原则：励磁变压器绕组一般采用“D”‘Y’或‘Y’‘D’接线。
选择：1）发电机的有关参数：发电机额定励磁电流I=1749A发电机额定励磁电压
U=453V强励倍数=2倍，可控硅最小控制角=30度
2）励磁变副边电压计算：按可控硅全控桥计算
U=1.35U0.866=377.8V
实际为906V
3）励磁变副边电流计算：裕度系数1.1
I=1.1*0.816*1749=1570A
4）励磁变容量：
S=√3*1570*906=2463631=2500KVA
我厂#2机组采用北京四方吉思公司生产的GEC-II型微机非线性励磁控
控制器，适用于自并励励磁系统。自并励励磁系统在性能上具有高励磁电压响应
速度，易实现高起始响应性能，能提高系统稳定性能等优点。自并励静止励磁系
统由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁及过电压保护装置
、起励设备及励磁操作设备等部分组成。旋转部分发生的事故在以往励磁系统事
故中占相当大的一部分，但由于自并励静止励磁方式取消了旋转部件，大大减少
了事故隐患，可靠性明显优于交流励磁机励磁系统，而且自并励系统在设计中采
用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统对运
行、维护的要求相对较低。
自并励静止系统与三机励磁系统相比，取消了主、副励磁机，缩短了机组长
度，减少了大轴联接环节，因而缩短了轴系长度，提高了轴系稳定性，同时降低
厂房造价，减少机组投资。
励磁控制的基本原理
①、同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：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，通常称作励磁功率输出部分（或称功率单元）;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，通常称作励磁控制部分（或称控制单元或统称励磁调节器）
②、励磁控制是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因素和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。
③、励磁控制的作用
A.在稳态运行时
a、保持发电机在运行中电压的恒定
b、在并列运行时，调节无功功率的分配
c、提高静稳极限和输电线路和传输能力
B.在暂态过过程中（大干扰时）
a、抑制切负荷时的电压升高。
b、提高暂态稳定性。
4、励磁反馈控制
励磁反馈控制是通过以下过程来实现的。如果由于扰动使发电机机端电压Ut上升一个小的值，那么电压差（Ur-Ut）将减少，经综合放大环节后得到控制电压UC也将减少，使得α增大，经可控硅整流后使得励磁机的励磁电压Uff减少，发电机的转子电压Uf也随之减少，使得发电机的机端电压Ut下降，从而抵消了发电机的机端电压Ut上升的扰动。由此励磁反馈控制可以维持发电机的机端电压Ut的恒定。
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如果由于扰动使得发电机的机端电压Ut下降一个小的值，那么类似以上分析一样能得到相同的结论。
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以上为励磁调节器调节发电机机端电压的基本方式，我厂自#2机改型投产以来，机组运行稳定，收效显著。
三、总结
通过#2发电机励磁系统改造，自并励汽轮发电机的励磁电源接于发电机出口母线。励磁变压器联接组别“Y，d”接线的干式变压器。励磁变压器的选用
充分考虑了发电机各种运行工况的要求。起励电源取自厂用系统。发电机特性试验电源由备用励磁系统进行。发电机的励磁调节器AVR采用微机励磁调节器，并具有微调节及提高发电机暂态稳定的特性，有关重要参数和各功能单元的输出均能显示，同时还设有过励限制、低励限制、PT断线保护、电力系统稳定器等，同时还具备两套调节器，当一套出现问题时，可退出运行，由另一套独立运行。
满足了发电机安全、稳定、可靠发电的要求。
自并励励磁系统由于运行可靠性高、技术和经济性能优越的原因，已成为大中型汽轮发电机组的主要励磁方式之一。
参考文献：1、GEC系列全数字式非线性励磁装置原理说明书（2005，01）
2、大型汽轮发电机自并励系统的应用条件，中国电力（1994，12）
2020年3月