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。

在可控硅换相的时候，可控硅整流桥直流输出电压中，会出现甚高的尖峰过电压。

我们在150MW水轮发电机中，测到过电压幅值达阳极电压（交流有效值）的2.8倍。

国内大型水轮发电机曾多次发生脉冲变压器击穿事故，造成严重后果，其原因除了脉冲变压器耐压水平不高以外，另一个原因是“没想到直流侧的尖峰过电压幅值会那么高”。

由于其能量较大，一般的阻容吸收器还不能起到预想的效果。

采用直流侧尖峰过电压吸收器，可将过电压幅值从阳极电压的2.8倍抑制到2.2倍以下，其有效性已经得到了试验证实。

也可以采用仿真软件如SABER软件进行辅助设计，但不可过分迷信仿真结果。

4．风道结构功率柜的风道结构可分为半敞开式独立强迫风冷和密闭循环集中冷却两种结构。

国内产品基本上采用前一种结构，少数进口励磁装置采用密闭循环集中冷却结构。

半敞开式独立强迫风冷结构从功率柜底部进风，从上部出风，形成空气对流，各个功率柜的风道结构是独立的，这种方式冷却效果好，当风机停运时，自然散热效果也不错，该结构的缺点是容易造成积灰。

密闭循环集中冷却需要外加热交换系统，对风机性能要求较高，当风机故障时，功率柜必须停运，功率柜维修也十分不便。

硅组件的布置大致分串联式、并联式两类结构。

在串联式结构中，可控硅顺着气流方向分层布置，气流要串过几层可控硅，流阻是串联的。

在并联式结构中，可控硅布置在与气流方向垂直的同一面上，每一风束只串过一个可控硅，其流阻是并联的。

目前国内励磁功率柜几乎都采用串联式结构，其缺点是气流不畅，当单柜输出电流大时，内部发热功率也大，相近二层之间的风温可有10 ℃之差.特别在停风机情况下，散热效果大打折扣，限制了停风机输出能力的提高。

而并联式结构每个可控硅所处的环境是相同的，正好克服了串联式结构的缺点。

因此它在正常和停风机情况下的输出能力得到了充分的发挥。

三、灭磁及过电压保护回路下图是典型的灭磁及过压保护原理框图。

图1 灭磁主回路原理图图中：QFG——灭磁开关FR——耗能电阻RD——快速熔断器V61——二极管V62——可控硅A61——可控硅触发器CT——过电压动作检测器励磁系统正常停机，调节器自动逆变灭磁; 事故停机，跳灭磁开关将磁场能量转移到耗能电阻灭磁。

当发电机处于滑极等非正常运行状态时，将在转子回路中产生很高的感应电压，此时安装在转子回路中的转子过电压检测单元A61模块将检测到转子正向过电压信号，马上触发V62可控硅元件，将耗能电阻单元FR并入转子回路，通过耗能电阻的吸能作用，将产生的过电压能量消除；而转子回路的反向过电压信号则直接经过V61二极管接入耗能电阻吸能，以确保发电机转子始终不会出现开路，从而可靠地保护转子绝缘不会遭受破坏。

由于这种保护的存在，转子绕组会产生相反的磁场，抵消定子负序电流产生的反转磁场，以保护转子表面及转子护环不至于烧坏。

过电压保护动作的同时，还可以通过监测电流互感器CT的电流信号向监控系统发出相应的指示信号。

灭磁开关既可以安装于直流侧，也可以安装于交流侧。

采用交流灭磁的主要优点是交流开关选型容易，制造技术成熟，生产成本低，灭磁开关装于交流侧为检修和维护提供了更安全的保证，额定电流较直流侧小，还可用于整流器故障保护。

其缺点是断弧能力差，弧压低，因此必须辅之以切脉冲，否则不能可靠换流移能。

在发生机端短路、励磁变二次侧短路等情况下，交流电压为零，换流条件不成立，会导致交流灭磁失败。

同样的开关装于直流侧，遮断弧压是放在交流侧的1.5倍，有利于换流。

直流侧安装开关，也可对起励、电制动过程中出现的故障加以保护。

对于大型发电机组，最好仍在直流侧安装灭磁开关。

灭磁电阻既可以是氧化锌（ZnO），也可以是碳化硅（SiC）。

当然也可选用线性电阻。

灭磁电阻的设计要考虑磁场断路器的电弧电压和励磁绕组允许的最大电压以及励磁绕组中可能的最大能量。

当收到来自发电机保护或者来自内部的励磁保护跳闸命令，在断开磁场断路器的同时截止脉冲并触发可控硅跨接器以接通灭磁电阻。