自动调节励磁系统原理简介(广科所)

自动调节励磁系统原理简介

随着电力系统的迅速发展，对励磁系统的静态和动态调节性能以及可靠性等提出了更高的要求。计算机技术、控制理论、电力电子技术的发展也促进了自并励励磁制造技术逐渐趋向于成熟、稳定、可靠。相对其它励磁方式而言，自并励励磁系统具有主回路简单、调节性能优良、可靠性高的优点，已取代励磁机励磁方式和相复励方式，在水电厂得到普遍使用。最近几年，自并励励磁方式也取代了三机励磁方式，成为新建火电厂的首选方案，逐渐在大型汽轮发电机组中推广应用。

1、组成

励磁系统由励磁调节器、功率整流器、灭磁回路、整流变压器及测量用电压互感器、电流互感器等组成。

2、工作原理

自并激励磁系统的励磁电流取自发电机机端，经过整流变压器降压、全控整流桥变流的直流励磁电压，由晶闸管触发脉冲的相位进行控制。一般情况下，这种控制以恒定发电机电压为目的，但当发生过励、欠励、V/F超值时，也起相应的限制作用。恒压自动调节的效果，在发电机并上电网后，表现为随系统电压的变化，机端输出无功功率的自动调节。

一、调节器

励磁系统作为电厂的重要辅机设备，励磁调节器的设计，应对电力系统的变化有较大的适应性，随着计算机技术的发展，励磁调节器已经由模拟式向计算机控制的数字式方向发展，大大增加了励磁系统的可靠性。

1、调节器的控制规律

一般用于励磁调节器的控制规律有：PID＋PSS、线性最优控制、非线性最优控制等。关于励磁控制规律，国内外学者普遍认为，励磁调节器的设计，应对电力系统的变化有较大的适应性，而不是在某种条件下最优。同时，励磁调节不仅要考虑阻尼振荡，还必须考虑调压指标等性能要求。由于PID+PSS控制方式有很强的阻尼系统振荡的能力，具有较好的适应性以及很好的维持发电机电压水平的能力，又具有物理概念清晰、现场调试方便的优点，因而在国内外得到普遍应用。我公司的励磁调节器的控制规律也采用PID＋PSS控制方式。

国内有些单位也开展了线性最优控制或非线性最优控制规律的研究，并有样机投入工业运行。但到目前为止，还未见到成功应用实例的报道，并且，在现场进行调节器性能的测试时，特别是进行PSS性能测试时还存在着数学模型不够清晰，难以进行参数校正的问题，故在国内的应用还难以推广。

2、调节器通道的冗余

目前，在调节器调节通道的组成上，大多数厂家采用热备用双通道单模冗余结构，即调节器包含两个独立的通道。这两个通道软硬件结构完全相同，调节模式、工作原理完全一致，一套工作，一套备用。这种结构存在一个较大的弱点，那就是单一的工作模式，由于两个通道的完全一致性，同时出现故障的机率比较大。国内曾有多家电厂发生失磁事故，其原因就是调节器的两个通道由于受到干扰而同时死机。

也有少数制造商采用三取二表决型通道，这种冗余结构原理很简单，三个调节通道在反馈、脉冲输出等环节通过软件或硬件比较，选择中间值作为真值。显然，若有两个通道出现问题，表决逻辑就变得混乱了。国内外有学者对其进行过分析，认为这种结构的可靠性远低于热备用双通道单模冗余结构。因此，采用表决器结构的制造商另外加了一个独立的手动通道作为表决器的备用通道，当表决器故障时切换到手动通道运行。这实质上是花费四个通道的成本来获得两个通道的可靠性，得不偿失。国外有些制造商起初也选用过表决型冗余通道，但后来逐渐摈弃不用了。

我公司在90年代初开发了热备用双通道模式冗余结构的励磁调节器，即主通道采用总线工控机为核心的数字式调节器，而备用通道采用以可编程控制器为核心的模数混合式调节器，这两个通道软硬件结构、调节模式、工作原理完全不同，因而被称为双模结构。这种类型的调节器一经推出，即获得用户广泛欢迎，在国内四十多家电厂近百台机组投入运行。

在总结该调节器成功经验的基础上，针对大中型发电机组，我们于97年研制成功微机/微机/模拟三通道双模冗余结构的励磁调节器。

该调节器由两个自动电压调节通道（A、B）和一个手动调节通道（C）组成，这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。A套调节器和B套调节器是以STD总线工控机为核心的数字式调节器，而C套调节器则是基于集成电路的模拟式调节器。以下是这两种不同类型调节模式的对比：

数字式（A、B通道）模拟式（C通道）

调节原理数字PID+PSS PID调节电路

反馈量机端电压励磁电流

移相软件移相硬件移相

脉冲形成软件控制硬件控制

给定软件寄存器数字电位器

同步信号中断方式硬件捕获

从上表可以看出，在调节器的各个关键环节，这两种调节模式的处理手段是完全不同的。数字式调节器充分发挥了它的软件优势，简化了调节器的硬件结构; 而我们在设计模拟式调节器时，反其道而行之，利用目前先进的集成电路技术来构筑调节器的各个环节。因此，这两种调节模式的互补性很强，同时出现相同故障的可能性几乎为零，大大提高了调节器的可靠性。

3、调节器的故障检测

大多数励磁调节器仍采用在自诊断、自检测阶段，即利用计算机的运算速度及软件优越性，定期对自身的重要硬件部位和软件进行检查和监视。担这种自诊断、自检测技术很容易误发或漏发故障信号，经常造成误切换或出现故障时不能切换。

另一种检测方式为采用专用的独立的智能故障检测单元对整个励磁调节器进行检测，它完全独立于调节器，对调节器进行全方位检测，当检测到故障时，发出报警和切换指令。它不仅能对运行通道进行检测，还能对备用通道的状况进行监视。而且，当智能故障检测系统本身出现故障时，还会通过励磁系统的对外接口电路向电站控制系统发出警报。这种独立的智能型它检技术基本杜绝了误发或漏发故障信号的现象。

二、功率整流器

1．关于单柜额定输出能力

一个功率柜的额定输出能力不单受可控硅元件参数的限制，更重要的是取决于散热系统的散热能力。以我公司研制的2000A等级功率柜为例，选用原装进口的英国MITEL公司高性能硅元件，对每一个可控硅进行全动态测试表明，当施以800A 平均电流时，热稳定之后断态峰值电压并没有下降，正反向漏电流也不漂移。据此定义可控硅的可使用平均电流为800A。如果称可控硅的有效值电流为I，可控硅的使用平均电流为IT，由这样的可控硅组件组成的整流桥整流输出电流为Id

即单柜额定输出电流大于2000A，标称为2000A。

2．脉冲变压器的耐压能力

脉冲变压器是连接主回路和弱电控制回路的关键部件，其原付之间的耐压水平对于大型发电机组应在1万伏以上。国内曾有多家电站因脉冲变压器绝缘被击穿而发生严重事故的惨痛教训。我们采用真空灌环氧绝缘工艺，保证其耐压水平达到20000伏，复检水平达15000伏。对于超大型机组，绝缘要求更应提高。

3．交直流侧过电压保护

整流器的交直流侧均设置有相应的过压保护装置。

励磁变高压侧分闸以及发电机转子侧分闸均会在整流桥交流侧产生过电压，通过在整流桥交流侧安装一组浪涌吸收器控制过电压的尖峰值。