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摘要：迁安九江线材2x65MW高炉煤气发电工程一期工程励磁系统采用交流无刷励磁，二期工程励磁系统采用静止励磁系统，针对此工程，本文介绍励磁系统的基本功能，着重分析了永磁无刷励磁系统和自并励静止励磁系统的优、缺点及励磁调节器的选择注意事项。结合本工程的实际应用，通过对两种励磁方式的对比及在工程实例中的应用，分析了上述两种励磁方式在工程中应用的注意的事项及适用范围，进一步分析其应用及前景的展望。
关键词：无刷励磁、静止励磁、励磁调节器、励磁变压器、灭磁电阻
一 概述
众所周知，励磁系统是提供同步发电机可调励磁电流装置的组合，是同步发电机的重要组成部分，优良的励磁系统不仅可以保证发电机的可靠性和稳定性，而且可以有效地提高发电机的经济技术指标。励磁系统基本包括励磁电源装置、自动调整励磁装置、自动灭磁装置、励磁绕组过电压保护装置和上述装置的控制、信号、测量仪表等。随着电力二极管和电力晶闸管技术的日益成熟，励磁系统自动电压调节器性能进一步提高，现在电厂在选择励磁方式的时候越来越趋向于交流无刷励磁系统和静止励磁系统。励磁调节器的选择也均采用微机自动励磁调节装置。
二 励磁系统的作用及对励磁系统的整体要求
励磁系统主要有以下几方面的作用：
1）根据发电机负荷的变化情况相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；
2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；
3）提高发电机并列运行的静态稳定性；
4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；
5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；
6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
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（或称励磁功率单元）。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（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求：
1、正常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。
2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。
3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。
三：励磁系统的分类及特点
根据励磁电源的不同，现有的励磁系统可分为直流励磁系统、交流励磁系统和静止励磁系统三类。
1.直流励磁系统
直流励磁机励磁系统采用与发电机同轴的直流电机供给励磁系统电源，系统简单。但由于作为汽轮发电机高转速的直流励磁机换向技术的困难，应用很受限制。
2无刷励磁系统
无刷励磁系统的构成见图1，主励磁机是一台旋转电枢式交流发电机，副励磁机是一台永磁同步发电机。交流励磁机和永磁同步发电机、与发电机联成同轴，旋转整流装置也安装在发电机转子上，永磁同步发电机的磁极、交流励磁机的电枢和发电机转子同轴旋转。交流励磁电枢产生三相交流电由旋转整流盘整流直接整流就可以给发电机转子提供电流。而同轴的永磁发电机产生的电压经过AVR调节器整流后直接接到交流励磁机的定子磁场。
由图示不难看出，无刷励磁系统具有如下优点：
（I）从图1中可以看出，以旋转整流盘代替了传统直流励磁机的整流子和发电机上的滑环、碳刷，取消了直流励磁机整流子、滑环和碳刷，提高了发电机组安全运行的可靠性。
（2）从励磁调节器工作电源来看，无刷励磁系统的工作电源来自于永磁机。无刷励磁只要汽轮机能转，就能正常工作，受电网因素的制约较少。其电源的可靠性远远大于其他励磁方式。无刷励磁系统特别适应于大容量（大励磁电流）的机组，由于全部励磁功率取自轴系，所以励磁电源独立，不受电力系统电压波动影响。
（3）无刷励磁采用的是三机励磁，结构紧凑。励磁控制单元仅需要一个励磁柜，功率单元集成度高，励磁电流小。控制功率大大减小，有利于简化控制、保护线路。
（4）无刷励磁系统的强励能力不受系统短路影响。无刷励磁系统利用同轴旋转的交流励磁机作为励磁电源．全部励磁功率取自轴系．强励能力不受机端电压的影响。特别是机组在出现三相短路情况下，发电机出口电压迅速下降时，此时发电机的强励不受发电机出口电压影响。永磁机能提供独立的电源励磁电流，保证机组安全。
（5）无刷励磁系统布置和接线较简单。仅自动电压调节装置（AVR屏）布置在电子设备间内，其他主励磁机、副励磁机以及旋转硅整流装置均装配于发电机本体。整套无刷励磁系统，仅AVR屏与发电机以及上位机之间有少量控制电缆连接，节省了电缆通道。
无刷励磁系统的缺点：
（1）无刷励磁系统只能在主励磁机磁场回路中设置灭磁装置，发电机的励磁绕组只能靠自然衰减灭磁，因而发电机灭磁时间较长，灭磁时间常数一般在10s左右，发电机剩磁残压较高，从现场运行情况来看，一般发电机的残压在5％左右。
（2）轴系相对于静止励磁较长，励磁机轴系一般采用的是悬臂梁结构，因而发电机转子动平衡相对复杂，对发电机的轴承振动有—定的影响。
（3）发电机转子电流不能直接测量，无法直接读取发电机转子电流，只能监控励磁机的励磁电流，无法直观地反映发电机转子电流的情况。
3 静止励磁系统
静止励磁系统是指发电机励磁电源是通过励磁变压器和整流装置从发电机机端取得的励磁控制系统。它主要由励磁变压器、功率整流柜、灭磁开关柜和励磁调节控制柜等装置组成（见图2）。一般采用静态励磁系统并配置电力系统稳定器（PSS）后，可以提高发电机及电力系统的静态、动态和暂态稳定性。
从上述图纸中不难看出静止励磁系统具有如下优点：
（1）励磁系统响应快。因为没有主励磁机这一滞后环节，所以自并励静止励磁系统是一种高起始的快速响应系统。其顶值励磁的反应速度快，在0．05s～0．06s就可达到95％的顶值电压。
（2）从图2可以看出自并励静态励磁系统是典型的稳定系统，其传递函数与无刷励磁系统的相比，来得简单且系统稳定。
（3）自并励静态励磁系统可实现发电机转子逆变灭磁（三相全控整流桥），因而具有抑制甩负荷时端电压快速升高的能力。
（4）由于自并励静态励磁系统无主副励磁机，轴系长度的缩短，减少了机组振动和扭振，提高了轴系的稳定性，改善了轴系的振动，从而提高了机组安全运行的水平。由于轴系长度的变短，减少了电厂厂房的长度，可节约电厂的基建投资。
（5）由于取消了旋转部件，减少了励磁机原因引起的故障，提高了可靠性，维护简单，检修工作量小，提高电厂运行经济性。
自并励静态励磁系统的缺点：
（1）在线路近区故障时，特别是发电机机端出现短路情况，由于自并励静态励磁系统的顶值励磁特性受发电机端电压的抑制，将对发电机保护可靠性和系统稳定产生不利的影响。
（2）静止励磁需要外接起励电源，会增加电厂的投资。以迁安九江线材2x65MW高炉煤气发电工程二期工程为例，本工程励磁电流为1474.2A，这样计算下来需要电缆截面为单芯400电缆，每相两根，这样即增加了4根单芯电缆的成本。
（3）由于发电机转子依然存在滑环和碳刷，一般情况下，1-2个月就需要对发电机碳刷进行维护，维护成本高。碳刷产生的碳粉，对发电机的线圈绝缘、发电机轴承和环境产生污染。
（4） 布置和接线较复杂。自动电压调节装置（AVR屏）、励磁变压器、整流柜、灭磁开关及转子过电压保护柜屏，均在发电机本体之外单独配置，占用较大的空间。另外，整流柜、灭磁柜和励磁变压器之间电流大，另外还会增加励磁变压器的电缆。针对本工程发电机容量相对较小，电缆可以连接。对于容量较大电厂，需封闭母线，现场电缆桥架设计复杂。
另外，整套系统对抗电磁干扰提出了更高的要求。
（5）会削弱电力系统阻尼，需要通过加装PSS消除。
四：励磁调节装置的选择
1 汽轮发电机组微机自动励磁调节装置励磁控制模式
本工程选用的励磁调节装置均为微机自动励磁调节装置，微机自动励磁调节装置励磁控制模式主要有四种：恒机端电压控制，恒励磁电流控制，恒功率因数控制和恒无功控制。大型机组励磁系统一般采用恒机端电压控制方式，可提高系统稳定运行能力。恒无功和恒功率因数控制通常作为恒电压控制的校正控制来保持发电机无功功率或功率因数不变。已有的研究表明接在系统中的主力大中型发电机不宜采用恒无功或恒功率因数控制，否则对系统稳定性有负面影响；而对小型发电机，诸如本工程采用的65MW的小型机组，由于不会对电网电压产生重大影响，出于对机组保护的考虑，可以采用恒无功或恒功率因数励磁控制方式。
2 汽轮发电机组微机自动励磁调节装置与其励磁系统励磁电流的工作特性
2.1 励磁系统的无功功率的调节方式：当发电机在电网系统中并联运行时，一般认为是与无限大容量电源的母线并联运行，如果要改变发电机励磁系统的励磁电流，其它参数如感应电动势、定子电流、定在电压等将跟着变化。
相应的发电机无功电流也跟随其变化。当汽轮发电机组与无限大容量系统并联运行时，为了改变汽轮发电机组的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是改变了送入系统的无功功率。在日常的无功功率调节中，当系统未进行并网以前，调节无功功率主要是调整其电压。当系统并网后，调节无功功率主要是调节其功率因素。
2.2 励磁系统的电压的调节方式：为了达到用户对电能质量的要求，在保持发电机机端电压不变的情况下，通过调节无功电流的变化调整发电机的励磁电流。发电机的机端电压将随无功电流的不断增大而逐渐降低，当励磁系统的励磁电流在恒定不变时，在汽轮发电机组自动励磁调节系统中，可以以电压为被调量的控制系统。依靠发电机无功负荷的电流来进行调节，达到发电机端电压保持在正常范围内。
2.3 励磁系统的电流调节方式：在维持发电机机端电流恒定的条件下，按下电流调节键即进入电流手动调节模式。发电机的励磁电流由机端励磁变压器经可控硅整流桥提供。其可控硅的导通角可由微机或模拟方式控制，在正常情况下，只有一台微机处于在线状态，能发出控制信号，其它则处于离线热备用状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线状态，发出信号，当两套微机通道均出现故障，在正常运行情况下，只有一台微机处于在线状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线。
五：励磁系统的配置及相关计算
1. 励磁系统的配置
发电机自动调节励磁系统主要的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器、可控硅装置；励磁柜装置需要提供以下电流，低压厂用交流380V 电源、厂用直流220V 控制电源，低压厂用直流220V 合闸电源；同时需要提供以下空端子排节点，在自动开机、自动停机、并网（一常开，一常闭）增，减等情况下；必须提供以下模拟信号，发电机机端励磁电压，，发电机机端励磁电流，励磁机励磁电流母线电压，励磁装置输出以下继电器接点信号，励磁变过流，失磁，励磁装置异常等模拟信号。
励磁调节装置及励磁整流装置为双套（A套和B套）一主一备。一套系统出现故障后，自动切换到备用系统，以保证发电机的正常运行。励磁调节装置通过发电机PT传回的发电机的电压、功率等数据进行自动跟踪调节。
2.励磁系统的相关计算
励磁变压器的计算
本工程励磁变压器为环氧树脂干式变压器，配外壳，户内使用，同时设置温控及温显系统，便于监视变压器的运行状态。
励磁变压器的选用要根据发电机各参数及励磁系统要求进行选择，对于迁安九江线材工程2x65MW机组，励磁系统的参数为：Ifn=1474.2A Ufn=150.7V
励磁变的容量的选择要根据励磁变副边电流和副边电压进行选择。
其中励磁变压器副边电流12为：
12=1．1x0．816*Ifn=1．1x0．816x1474.2A=1404.33 A
励磁变压器副边电压U2为：
U2=Kq*Ufn／（1．35*K2*coslOx（0．93~0．96））=1. 8x150.7/1.35x0.8xcos10x（0.93~0.96）=265.7
根据励磁变副边电流和副边电压我们可以计算出励磁变的容量S为：
S=I．732xU2x12x（1~1．1）=1.732x250.7x1404.33=610 故此励磁变压器选用630kVA
灭磁电阻的选择
根据转子电阻的大小进行选择，一般灭磁电阻为转子电阻的2至3倍之间。
R=2~3x0.07528=0.15~0.225
结论：
无刷励磁系统和静态励磁系统相比，在技术上各有优势，各个电厂在选择自己的励磁系统方式的时候，要根据自身的需要，选择适应自己电厂的励磁方式。励磁容量大，可靠性高，励磁响应速度快，励磁系统稳定性好，这是励磁系统选择的根本。在选择励磁调节控制器上采用微机调节型励磁控制器，根据发电机的本身的参数合理选择励磁变压器的容量及灭磁电阻的阻值。
参考文献：
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[5]电力工程电气设计手册，能源部西北电力设计院
论文作者:赵凤英
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/20
标签：励磁论文; 发电机论文; 系统论文; 电流论文; 装置论文; 电压论文; 端电压论文; 《基层建设》2019年第9期论文;