（广东粤华发电有限责任公司（黄埔发电厂） 广东广州 510730）
摘要：简要介绍自并励静止励磁系统与传统三机励磁系统相比有较大的优越性，近年来在国内大中型发电机机组得到广泛应用，分析和探讨该系统存在试验电源，谐波，过电压，继电保护，阻力特性等问题。
关键词：试验电源；谐波；过电压；继电保护；阻尼特性
引言
励磁系统是发电机的重要组成部件；性能良好，可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必需的。近几年来随着单机容量增大，对励磁系统提出了新的要求，如励磁容量要增大，可靠性要高，调节速度要快，稳定性要好。传统的直流励磁机励磁因大电流下的火花问题无法使用，三机励磁系统则因系统复杂、机组轴系稳定性等问题而受到越来越多的限制。自并励静止励磁系统其接线简单，可靠性高，造价低，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，灭磁效果好。这与传统三机励磁系统相比有明显优越性。特别是随着电子技术的不断发展和大容量可控硅制造水平的逐步成熟，大型汽轮发电机采用自并激励磁方式已成为一种趋势。国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。目前广东水电机组已基本应用了自并励方式，火电有沙角B厂的350MW机组、沙角C厂660MW机组、罗定及连州电厂125MW机组、惠州天然气发电厂390MW机组、韶关8号机300MW机组等都采用自并励静止励磁系统。对于自并励静止励磁系统在大中型汽轮发电机组的引进、配套和使用，应尽可能地发挥其优点，以达到预期的提高系统稳定性的目的，同时应对自并励磁系统存在问题加以注意，找到解决方法以免带来一些负面影响。本文就大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统存在试验电源，谐波，过电压，继电保护，阻力特性等几个问题加以分析，提出本人一些意见和看法，供大家探讨。
1、试验电源
在机组起动调试和大修后的发电机特性试验时，自并静止励磁系统的发电机需要大容量的试验电源来满足其空载、短路特性试验时对励磁电源的要求，根据电厂厂用电结线方式，可直接取自厂电6KV高压母线或380V低压母线，也可取自主变低压侧（通过主变以系统倒送电），但必须考虑以下问题：a.试验电源的接线必须方便、安全可靠。b.电源容量能否满足发电机空载、短路试验时对励磁电流、励磁电压的要求。要依据发电机厂家提供的发电机空载、短路试验的特性曲线，比较这两种特性试验所需的最大励磁电流。对于发电机短路试验，励磁电流一般是短路电流达到额定时对应的励磁电流；对于发电机空载试验，则有所区别，就国产机组而言，一般要求1.3倍额定空载电压下对应的励磁电流，对于只做发变组空载特性曲线，一般是1.05倍额定空载电压对应的励磁电流，对于发变组整体试验时变压器励磁电流的影响，还需考虑一定的的裕度系数。试验电源容量必需考虑交流输入电压及其所连接的供电变压器容量两个方面。所以一般电厂发电机励磁试验电源取自高压厂用备用柜，这样接线简单方便，安全可靠，电源容量也能满足。以惠州LNG电厂390MW机组为例，励磁试验电源取自厂用6KV，励磁试验电源计算：
励磁变变比K=20000V/830V，转子电阻R32=0.102Ω，可控硅最小控制角αmin=100.
由发电机出厂空载试验特性曲线可知，发电机在1.1倍空载额定电压励磁电流为IF0=1533A（设备合同要求发电机空载特性试验电压1.1Ue）.由发电机出厂短路试验特性曲线可知，发电机在额定短路电流时励磁电流Ifk=2074A.即发电机特性试验时的最大励磁电流为Ifk=2074A.
转子电阻折算至工作温度时：R75=R32x（235+75）/（235+32）=0.1184Ω
发电机特性试验时的最大励磁电流所对应的励磁电压：
Uf=IfkxR75=2074x0.1184=245.6V
励磁试验电源取自厂用6KV段时，励磁变副边电压：U2=U/K=830x6000/20000=249V
折算至整流柜直流侧电压：
U=1.35U2COSαmin=1.35x249x0.985=331.4V>245.6V。满足发电机特性试验要求。
对于发变组短路特性试验，考虑到主变激磁电流的影响，取裕度系数4％，则U=1.04x245.6=255.4V.满足短路特性试验要求.
励磁变高压侧电流：I高= U2Ifk/（ U1）= x249x2074/（ x6000）=86A
选用6KV段备用开关柜即可满足励磁试验电源要求.
另外有一点值得注意，励磁试验电源取自厂用高压母线，比机端电压降低较多，可能对励磁装置移相触发、电源回路造成影响。笔者在旺隆电厂调试中遇到过这样的情况，励磁试验电源取自厂用6KV段，由于可控硅整流桥主回路电压降低较多，同步电压很低时，控制电压与可控硅移相角α的变化无法控制。为解决这个问题，我们在同步回路临时加一个升压变压器，将同步电压升高后再送到同步单元，经过开机试验这一办法效果很好。
2、谐波
由于自并激励系统采用大功率、高电压、六相可控硅励磁整流柜，必然在励磁变压器交流系统产生大量的谐波，尽管励磁变压器采用了△/Y接线，避免了3次谐波，但5次、7次、11次、13次等（2n-1）和（2n+1）次（n=6）谐波则无法避免。根据现场测量，在励磁变压器低压侧回路电流中，5~21次电流谐波的含量高达23％，严重超标，虽然励磁变压器高压侧为发电机母线，一般情况下电流很大，谐波所占比例较小，不会影响到发电机和厂用电系统，但是当发电机空载或轻载（如仅带厂用电）运行时，则整流谐波必将对发电机，尤其是高低压电动机等厂用电系统产生较大的危害。这个问题目前还没有专门的研究报告，随着自并激励磁系统的普遍应用，有必要引起足够的重视，并进行深入的研究探讨。
3、换相过电压
可控硅元件本身换相关断过程，在电路中激发起电磁能量的互相转换和传递而引起的过电压称为换相过电压。对于大功率、高电压可控硅整流桥而言，在可控硅元件通断换相过程中，不可避免地将产生换相过电压。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据有关文献资料介绍，这种换相过电压有时可能高达4500V，对可控硅元件、发电机转子线圈等都将产生很大的影响上，而且表现在对线圈匝间绝缘的影响上，因为对线圈而言，它是一种行波。
利用电容器两端电压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率di/dt，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护。一般可抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧、直流侧及硅元件本身的过电压保护。可控硅元件并接的阻容保护，除了起限制元件本身关断过电压的作用外，对于多个硅元件串联的电路，还起动态均压的作用，以及配合桥臂电感L0起限制正向电压上升率的作用。
总之，阻容保护应用相当广泛，性能也可靠。但是正常运行时阻容保护的电阻消耗功率，发热厉害。一般阻容保护还增大可控硅导通时的电流上升率，只有采用反向阻断式的阻容保护，才可避免这一不利影响。此外，阻容保护还有容易使波形畸变，以及作为大容量装置的保护时则体积过大等缺点。故在许多情况下，可采用压敏电阻浪涌吸收器，来代替交流侧或直流侧的阻容保护。
4、继电保护
对于自并励励磁系统人们曾有过两点疑虑：
①在发电机端三相短路而切除时间又较长的情况下，由于励磁变压器原边的电压为零，励磁系统能否及时提供足够的强励电压；②由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护能否正确动作。
针对上述疑虑，国内曾做过认真分析和试验研究。例如，曾对300MW发电机组分别配用自并励系统和它励系统进行动模实验和理论计算。动模实验结果表明，在发电机端突然三相短路时，两种励磁系统的发电机短路电流上升速度和最大值基本一致，最大值均为额定电流 的2.80倍；短路后0.5s自并励系统发电机短路电流衰减到2.65倍，只衰减了5.36％，并不比它励系统衰减得快多少，只是在短路0.5s以后两者的差别才明显起来。这是因为大中容量的发电机转子时间常数较大，转子电流要在短路0.5s以后才显著衰减。而且动模实验和理论计算的结果基本相符。这说明，自并励系统并没有人们所想像的那么严重的缺点。考虑到高压电网中重要设备的主保护动作时间都在0.1s之内，且都设有双重保护，因此没必要担心继电保护问题。
衡量调节器强励性能有两个因素：一是，强行励磁倍数；二是，励磁电压上升速度或电压响应。国内外普遍采用的是PID+PSS控制方式的微机励磁调节器，该励磁调节器的性能有以下几点：有符合系统要求的强励能力和一定的励磁电压上升速度（电压响应比），需要对同步电机进行强励时，调节器能以最快的速度提供最大的励磁电流（或顶值电压）；具有较高的调节稳定性，在调节励磁的过程中，调节器本身不产生自激磁作用和衰减的振荡；具有较快的反应速度，以利于提高电力系统的静态稳定，当系统遭受小干扰时电压波动时，调节器应以最快速度恢复系统电压至原有水平，以提高电力系统静态稳定能力。现代励磁调节器的响应速度比老式励磁系统调节器要快很多倍。
国内外的分析和试验表明，这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普遍地得到采用。国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国近年来在大型发电机上广泛采用自并励方式。
5、阻尼特性
电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱（甚至变负）的最重要的原因之一。在正常运行条件下，以发电机端电压为负反馈量的发电机闭环励磁调节系统是稳定的。当转子功率角发生振荡时，励磁系统提供的励磁电流的相位滞后于转子功率角。在某一频率下，当滞后角度达到180°时，原来的负反馈变为正反馈，励磁电流的变化进一步导致转子功率角的振荡，即产生了所谓的“负阻尼”。在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。
解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其它控制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的，而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位，因此，称为附加励磁控制。
按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器，是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。比例调节可以减小控制系统惯性时间常数，但相对稳定性降低，而且不能消除稳态误差；积分调节可以消除稳态误差；微分调节可以提高控制系统的稳定性，相应可以增加比例调节放大倍数。励磁系统采用PID控制方式，以发电机电压偏差信号进行调节励磁，有助于改善发电机电压的动态和静态稳定性。同时，向励磁系统提供的超前相位输出，会在一定程度上补偿励磁电流的滞后相位和克服负阻尼转矩。但是PID调节主要是针对电压偏差信号而设计的，它所产生的超前相位频率未必与低频振荡频率同相，亦即未必能满足补偿负阻尼所需的相位。此外，在PID调节系统中为了控制电压，必须连续地对电压偏差进行调节，因此无法区别阻尼转矩在正、负之间变化的两种截然不同的情况，以及难以兼顾发电机电压调节及保证阻尼转矩为正值的要求。为此，PID调节方式对于抑制系统低频振荡的作用是有限的。依据F.D.迪米洛和C.康柯迪亚理论设计的电力系统稳定器（Power system stabilizer），简称PSS，即为抑制系统低频振荡和提高电力系统动态稳定性而设置的。PSS是在自动电压调节的基础上以转速偏差、功率偏差、频率偏差中的一种或两种信号作为附加控制，其作用是增加对电力系统机电振荡的阻尼，以增强电力系统动态稳定性，目前，国内外普遍采用的是PID+PSS控制方式的微机励磁调节器。
6、结束语
自并静止励磁系统具有系统简单、运行可靠性高、技术和经济性能优越等特点，是大中型汽轮发电机组的优选励磁方式，但必须进行系统稳定的校核计算。在设计选型时要从励磁变压器、功率柜、灭磁方式、调节器、系统冗余、检修维护等方面考虑，同时应考虑这种系统在起动试验、整流谐波、换相过电压、继电保护、阻尼特性等方面存在的影响和问题，并有必要对这些问题进行深入的研究和探讨。
参考文献：
[1]DL/T650-1998 大型汽轮发电机自并激静止励磁系统技术条件（S）
[2]张惠勤，杨攀峰 大型汽轮发电机自并激静止励磁系统的可行性分析（J） 中国电力，1994（2）
[3]方思立，刘增煌，孟庆和 大型汽轮发电机自并激静止励磁系统的应用条件 中国电力，1994.27（12）
论文作者:周冕
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
标签：励磁论文; 电压论文; 发电机论文; 系统论文; 电流论文; 过电压论文; 阻尼论文; 《电力设备》2017年第5期论文;