自并激励磁系统和无刷励磁的特点对比

自并激静止励磁系统和无刷励磁系统及其发电机对比
一、自并激静止励磁系统的特点介绍
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。

通过自并激励磁系统的实际应用和多年实验，自并激励磁系统对电网稳定有极其重要的作用。

励磁机本身就是可靠性不高的元件，可以说它是励磁系统的薄弱环节之一，因励磁机故障而迫使发电机退出运行的事故并非鲜见，故相应地出现了不用励磁机的励磁方案。

如下图所示：发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁方式，是无励磁机的发电机自励系统。

最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。

自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。

下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。

系统起励时需要令加一个起励电源。

发电机自并励系统框图
1、提高静态稳定
当快速励磁采用较高励磁系统增益并配置PSS(电力系统稳定器)后，在小干扰时，可以保持发电机端电压恒定，即：
(1)
交流励磁机励磁系统一般只能保护E g′或E′恒定，即使是能保持E′恒定，其最大功率输出为：
(2)
设发电机不调励磁，在励磁电流恒定的情况下：
X d′=0.3,X e=0.6,U t=1.0,E′=1.2则P m1=1.25P m2 (3)
即自并激励磁系统可提高静稳定25%，当进行励磁调整时，自并激励磁系统可大大提高静稳定。

式中P——有功功率；U t——电动势；
U c——出口电压；X e——发电机阻抗；
δ——功角；X d′——d轴暂态阻抗；
E g′——与励磁电流成正比电势；
E′——d、q轴合成电势；
P m1、P m2——最大功率。

2、提高动态稳定
动态稳定是指在小干扰情况下，由于阻尼不足产生振荡失步，或大干扰后对后续振荡阻尼不足产生振荡失步。

快速励磁配置PSS后，由于励磁系统延时小，有利于PSS发挥作用，并可增加更多的正阻尼，提高动态稳定。

3、对暂态稳定的影响
采用自并激励磁系统后，如发生高压出口三相短路，强励倍数按2倍计算，其暂态稳定水平与实际时间常数T e=0.35s的常规励磁系统基本相同。

这是因为自并激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，而常规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。

全网采用自并激励磁系统时暂态稳定水平更优于常规励磁。

当发生三相短路时，除离故障点近的自并激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、对系统电压稳定的影响
有些发电机配备自并激励磁系统，当其高压线路出口三相短路，若强励倍数是2时，则其电压水平与常规励磁相比基本相同，当强励倍数增大时，则优于常规励磁系统；当故障离该机组较远时，也优于常规励磁系统，并能改善系统的暂态电压稳定。

全网发电机都配有自并激励磁系统，可提高电压稳定水平。

在某些条件下，电压暂态不稳定的系统可以得到改善。

强励倍数越高，改善电压稳定的效果越明显。

自并激系统的强励倍数选择有较大的自由度，这是常规系统所不能及的。

5、对继电保护的影响
现代大型发电机大都经封闭母线到变压器，然后接入电网，一般不考虑机端故障。

如果故障发生在差动保护范围内，0s保护动作切除发电机。

而在高压母线短路时，至发电机端短路电流衰减已比较小了。

经分析表明，约在0.5s 内自并激励磁系统与常规励磁系统短路电流衰减情况基本相同，对主保护没有影响。

当近端永久性三相短路时，自并励发电机的短路电流会一直衰减到零，以保证后备保护可靠动作。

在这种情况下，可采用记忆过电流、低电压自保持过电流及阻抗保护，以保证保护正确动作。

6、自并激励磁系统有如下优点
a.由于自并激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.由于自并激系统响应快，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，其能力比交流励磁机励磁系统优越；
e.当机组甩负荷时，自并励系统抑制电压超调能力比常规励磁系统强；
f.可适当地缩短电站厂房跨距，不需要励磁机基础；
二、无刷励磁系统的特点介绍
1、无刷励磁系统方案
下图所示：
无刷励磁系统方案
副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。

为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。

其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。

主励磁机的励磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。

静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电压保持恒定。

2、无刷励磁系统有如下特点
旋转无刷励磁方式因为励磁机的电枢与发电机的转子在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环和电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。

无刷励磁系统革除了滑环与炭刷等转动接触部分，是其优点。

其缺点是由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压、电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，旋转二极管的运行状况、接线是否开脱（要求连接铜排是100%的对接，生产工艺要求很高。

）、熔丝是否熔断等等也都不便于监视。

因而在运行维护上有极大不便的。

同时由于轴系较自并激励磁机组要长很多，增加了厂房的建造成本和机组振动和扭振的风险。

三、结论
1、采用自并激静止励磁系统比采用无刷励磁系统在发电机技术性能上有很明显的优势，对系统电网的各项性能指标有所提高。

2、采用无刷励磁系统比采用自并激静止励磁系统在发电机生产工艺上更复杂，并存有局部的工艺难题要克服；另外采用无刷励磁系统的发电机生产周期相比于自并激静止励磁系统要长。

3、采用无刷励磁系统比采用自并激静止励磁系统的发电机在现场安装上也有区别，无刷励磁系统发电机的厂房基础要求更长，且其机组振动和扭振的风险更大。

4、阿塞拜疆JANUB 2×135MW联合循环电站项目的发电机及自并激静止励磁系统设备已进入生产阶段，若修改励磁方式，其前期工作得全部重做，其供货周期最少需延长6个月以上；另外前面的人力物力投入都得浪费，修改励磁方式的可能性几乎没有。

武汉洪山电工科技有限公司
设计部
2008-6-10。