无刷励磁系 统与自并励励磁系统在实际运行中的比较

高洋 1 刘艳梅 1 冷晓辉 2 姜国军 3

1 黑龙江辰能风力发电有限公司 黑龙江 哈尔滨 150090 2 中国广核新能源控股有限公司吉林分公司 吉林 长春 130033 3 中国能源建设集团投资有限公司黑龙江分公司 黑龙江 哈尔滨 150010

摘 要

励磁系统是大型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，目前主要有它励和自并励两种方式。三相它励式无刷励磁系统由运行中容易导致机组振动大、备件更换困难，严重影响到机组的安全稳定运行，因此国内很多电厂将三机励磁的无刷励磁系统改为静态自并励励磁系统。

关键词：自并励静止励磁系统； 无刷励磁； 励磁调节装置；自动电压调节器

1. 发电机组对励磁系统的基本要求：

首先励磁系统要有足够的容量，能提供发电机在额定负载和可能低的功率因数下所需的最大励磁容量，以及事故情况下励磁系统强励到顶值时所能承担的短时最大励磁容量。

有两个衡量励磁系统主要性能的指标，即电压反应比（电压响应比）和励磁电压顶值。前者表征励磁系统电压响应速度，它定义为励磁系统的输入(给定值)有一阶跃变化(其大小足以使励磁机从空载额定电压上升到顶值)时，励磁机在0.5秒内电压上升的标么值。图1-2示出了一个典型响应，在输入阶跃变化作用下，励磁电压沿曲线ad上升到顶值。因为响应为非线性的，则用0.5秒内曲线ad下的面积定义为反应比。可用acb包围的面积代替实际曲线abd所包围的面积且此两个面积相等。于是反应比Rr表示为:

Rr = 电压(标么值)/秒

图1-2 电压反应比的定义曲线

励磁电压达到95%顶值电压所需时间(以秒计)称为励磁系统电压反应时间(亦即系统强励时达到顶值电压与额定励磁电压之差的95%所需的时间)。

励磁顶值电压用于衡量励磁系统的强励能力，顶值电压的标么值一般定义为励磁顶值电压与额定励磁电压之比，习惯称为强行励磁倍数。但某些励磁系统励磁电源内阻抗很大，如交流励磁机，在强行励磁的初瞬间，由于发电机励磁绕组有很大的电感，转子电流还来不及增长时，励磁电源内阻降落小，此时转子滑环上的电压会比发电机励磁电流到达稳定的顶值的电压值为大。

2. 大型火力发电机组主要励磁方式

目前电厂采用的励磁方式主要有两种：无刷励磁和自并励励磁。

无刷励磁系统的接线复杂；轴系长度大、投资大支点多，振动大，动平衡复杂阶数高，扭振模式复杂，整流盘和励磁故障，包括熔丝熔断和接地故障必须停机维护，当涉及机械问题，励磁机损坏时需解体返厂维修，费时，费用很高。

图1-3-无刷励磁系统方框图

自并励静止励磁系统的主要优点是：

无旋转部件，结构简单，轴系短，稳定性好；励磁变压器的二次电压和容量可以根据电力系统稳定的要求而单独设计；响应速度快，调节性能好，有利于提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性。

图1-4 自并励的励磁系统方框图

自并励励磁调节系统，它是以一台三相励磁变压器，5组可控硅全控桥换流器、Q5S-0/U251-S5000型数字式励磁调节器（UNITROL^@ 5000系列）和灭磁装置组成。每一套调节器又分为AVR自动和FCR手动两种运行方式。自动方式实现机端电压的闭环控制，为正常运行方式，手动方式则为励磁电流的闭环控制，可以按照运行人员的设定提供连续励磁。另外，每一套调节器还配置了一套以磁场电流为闭环控制的备用磁场电流调节器EGC，做为AVR故障后的一种备用运行方式。整流柜采用5组并联的三相全控桥可控硅

3. 两种励磁方式的比较

自并励励磁系统接线简单、设备少、造价低、占地面积小、无转动部件并维护简单，是快速响应系统，故与其它励磁系统对比，自并励励磁系统对电网稳定具有明显的优越性。随着微机励磁调节器的应用，氧化锌非线性灭磁电阻的研制成功及大功率晶闸管及晶体管的广泛应用，提高了发电机励磁系统的可靠性，较大地改善了励磁系统静态和动态品质，大大提高了系统的技术性能指标。在诸多励磁系统中，直接励磁机维护困难，调节器响应时间长达1～5s，动态性能差，当空载起励时，电压超调量大，频率特性差；他励可控硅励磁系统需装设交流励磁机，并要求厂房长度大，交流励磁机体质量大、尺寸大、维修工作量大。20世纪70～80年代，发电厂开始用自并励的可控硅励磁系统，由于它均属于快速励磁系统，动态性能优良，尤其是带有微型计算机励磁调节器的自并励静止励磁系统在发电厂中得以广泛的应用。为提高输电的稳定性，对励磁系统要求能快速响应，而自并励励磁系统恰好能满足这个要求。

自并励励磁系统能对电网起到稳定作用。在电力系统中，大机组往往通过多回高压输电线给远方负荷中心供电，为减少损耗常常采取无功就地平衡，由于高压线路充电功率大，一旦发生扰动，很容易破坏无功平衡，引起电压不稳定问题。通过自并励励磁系统的实际应用和多年实验，自并励励磁系统对电网稳定有极其重要的作用。自并励励磁系统虽然在强励时受机端电压影响，强励倍数较低，但调节速度快，恢复电压迅速，而无刷励磁系统虽然强励能力受机端电压影响小，但交流励磁机是很大的滞后环节，调节速度慢。全网采用自并励励磁系统时暂态稳定水平更优于无刷励磁。当发生三相短路时，除离故障点近的自并励励磁系统受电压降落影响外，其余机组端电压数值较高，自并励的快速调节提高暂态稳定的优势可充分发挥。

4. 自并励系统优势分析

通过上述分析可知，自并励励磁系统对电网稳定有如下作用:

a.由于自并励励磁系统励磁电源取自发电机端，经励磁变及可控硅整流器供给发电机励磁，所以励磁响应时间短，对发电机端电压调节速度快；

b.由于无主副励磁机，无旋转部件，轴系短，轴承座少，故对减少机组振动和扭振十分有利；

c.由于取消了旋转部件，减少励磁系统故障，故提高了可靠性；

d.由于自并励系统响应快，当系统电压瞬间下降时，可很快增大发电机无功，以保持系统不发生电压崩溃，其能力比无刷励磁系统优越；

e.当机组甩负荷时，自并励系统抑制电压超调能力比无刷励磁系统强；

f.可适当地缩短电站厂房跨距，不需要励磁机基础；

g.虽然自并励系统励磁电源受电网、电压影响，尤其是近端发生三相短路时强励能力受到较大影响，但一旦切除故障，可立即恢复电压，以对暂态稳定作出贡献，同时也补偿了短路期间强励能力受影响的缺点。考虑到近端三相短路机会极少，所以自并励系统还是相当的稳定。

经过对经济型、稳定性、便维护性、对机组和系统的安全性的对比研究后，得出采用自并励励磁系统发电机组比采用无刷励磁系统发电机组造价低、性价比高，运行稳定性好。

5. 结论

在电厂的改造项目中，多数电厂都将无刷励磁系统改造为自并励励磁系统，在今后的发展中，他励静止励磁系统将会逐步取代无刷励磁系统。

参考文献：

1. 邹春阳, 邱天才．无刷励磁水轮发电机的开发[ J] ．电工技术，2010 （3） ：121-129．

2. 黄耀群，李兴源． 同步发电机现代励磁系统及控制[M] ．成都：成都科技大学出版社， 1999．