励磁系统在电力中的作用1

励磁系统在电力中的作用1

励磁系统是发电机的重要组成部分，它对发电机本身及电力系统的安全稳定运行有着重要的作用。

励磁系统在电力系统中的作用:

a. 维持电力系统某点电压的恒定。

b. 调整各个并联运行机组之间的无功分配。

c. 提高电力系统的静态稳定和动态稳定。

d. 故障切除后，可以缩短电动机自启动的时间。

e. 提高带延时的继电保护的明确性。

在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要作用。优良的励磁控制系统不仅可以靠运行并提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技术指标。根据运行方式的要求，励磁控制系统的任务① 电压控制

电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率就相应变化。由于发电机内部压降的存在，动，机端电压就会相应的发生变化，这就需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某点的电压在给定的水控制系统担负了维持电压水平的任务。

② 控制无功功率的分配

与无限大容量电网并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。但是，在实际运行中联运行的母线并不是无限大母线，即系统的等值阻抗不等于零。它的电压将随着负荷波动而改变，改变其中一磁电流不但影响它的电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率，其影响程度与系统情况有步发电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间的无功功率合理分配的任务。

③ 提高同步发电机并联运行的稳定性

保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件，电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰，发电机组能够恢复到原来的运行状态或过渡到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的，其主要标志是在暂态同步发电机能维持或恢复同步运行。

电力系统稳定分为静态稳定和暂态稳定两类。所谓静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后行状态的能力。而暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能够过渡到一个新的稳定者恢复到原来运行状态的能力。这里所说的大扰动是指电力系统发生某种事故，如高压电网发生短路或发电机在分析电力系统稳定性问题时，不论静态稳定或暂态稳定，在数字模型表达式中总含有发电机空载电势E，而有关。可见，励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变E值来改善系统稳定性的。

④ 改善电力系统的运行条件

当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其强励功能，即大幅度地增加励磁压，这在一定条件下可以改善系统的运行条件。

2．无刷励磁系统的技术特点

由无刷励磁机组、励磁(电压)调节器以及相应的操作设备组成的整体称为发电机的无刷励磁系统。它连同被控机构成的电压反馈控制称为无刷励磁控制系统。励磁系统向发电机励磁绕组供电以建立磁场，并根据发电机运节励磁电流以维持机端和系统的电压水平，并且决定着电力系统中并联机组间无功功率的分配。

无刷励磁机组由一台永磁发电机(交流付励磁机)，一台交流主励磁机及装在发电机轴上的旋转整流装置组成。取消了大电流集电环及其碳刷装置，从而克服了常规的直流励磁机在高速换向器制造和发电机大电流集电环通明显存在的严重困难。交流主励磁机的工作原理几乎与直流发电机相同，其差别只是直流发电机利用换向器作电枢绕组内交流电变成直流电输出，而无刷励磁机则利用装在发电机轴上的旋转二极管整流从而同样将电枢绕

转变为直流电输出。这样既不可能产生火花，又使结构紧凑，同时也大大减少了运行维护的工作量，非常适用励磁系统的自动励磁调节对提高发电机并联机组稳定性有很大的作用，尤其近代电力系统元件设计有导致稳定势。引起这种趋势的原因是:

a．大容量发电机的惯性时间常数的降低和标么值电抗的增大。

b．大型联合电力系统中，愈来愈多地依靠输电线路传送大的功率。

这种趋势，使人们更加依赖于采用励磁控制的方法来提高稳定性。由此也促进了励磁系统技术的发展。特别对电机，采用旋转二极管无刷励磁系统是目前最有前途的励磁方式。

对励磁系统的基本要求：

首先励磁系统要有足够的容量，能提供发电机在额定负载和可能低的功率因数下所需的最大励磁容量，以及事系统强励到顶值时所能承担的短时最大励磁容量。励磁系统要有足够的电压给定值的调节范围，包括维持预定范围和输出无功功率的变化范围(由滞相到进相)。励磁系统应有独立的励磁电源，不受外部电网影响。励磁系应该是稳定的，在空载和负载情况下均能稳定连续地调节。励磁系统应反应灵敏和迅速。

有两个衡量励磁系统主要性能的指标，即电压反应比（电压响应比）和励磁电压顶值。前者表征励磁系统电压定义为励磁系统的输入(给定值)有一阶跃变化(其大小足以使励磁机从空载额定电压上升到顶值)时，励磁机在上升的标么值。图2—1示出了一个典型响应，在输入阶跃变化作用下，励磁电压沿曲线ad上升到顶值。因为的，则用0.5秒内曲线ad下的面积定义为反应比。可用acb包围的面积代替实际曲线abd所包围的面积且此于是反应比Rr表示为:

Rr = 电压(标么值)/秒

图2—1 电压反应比的定义曲线

励磁电压达到95%顶值电压所需时间(以秒计)称为励磁系统电压反应时间(亦即系统强励时达到顶值电压与额差的95%所需的时间)。但对于大型发电机组的快速励磁系统，能在0.1秒或更短的时间内到达顶值，这种励磁始响应励磁系统，那么在图中将三角形acb延伸到0.5秒就没有意义了。为此引进了新的定义:对于励磁电压秒的励磁系统，在图中用时间间隔oe=0.1秒代替0.5秒来定义反应比。

励磁顶值电压用于衡量励磁系统的强励能力，顶值电压的标么值一般定义为励磁顶值电压与额定励磁电压之比行励磁倍数。强励倍数也可表示为励磁顶值电流与额定励磁电流之比。但某些励磁系统励磁电源内阻抗很大，在强行励磁的初瞬间，由于发电机励磁绕组有很大的电感，转子电流还来不及增长时，励磁电源内阻降落小，上的电压会比发电机励磁电流到达稳定的顶值的电压值为大。考虑这一情况，新的规定中是用励磁机稳态顶值磁电压之比来定量强励倍数。按规程要求，强励倍数为1.5~2.0。强励倍数越高就越有利于系统的稳定。大容载能力约束一般承受强励倍数能力较中小容量的发电机组低。

针对600MW机组采用高起始响应无刷励磁系统，对其性能要求是:

a.励磁容量能满足发电机正常或故障时各种工况的要求。

b.保证发电机运行的可靠性和稳定性。

c. 励磁系统应维持发电机端电压恒定并保证一定的精度和并联机组间稳定分担无功功率。

d.具有一定的强励容量。要求强励顶值2倍，响应比为3.5倍/秒。

e.在欠励区域保证发电机稳定运行。

f.应装设过电压保护。

g.对于机组振荡能提供正阻尼, 改善机组的动态稳定性。

h.满足顶值电压倍数和平均电压反应比的要求。

旋转二极管整流型的无刷励磁系统，主励磁机采用频率为200Hz的交流发电机，其励磁绕组由永磁型付励磁机电机供电，励磁调节器通过小型可控硅整流桥控制主励磁机的励磁，这种励磁控制系统中包括了主励磁机的时励磁机的时间常数，主励磁机的铁芯不用整体结构，而用全叠片结构。图2—2示出其简化原理接线。

图2—2旋转二极管型无刷励磁系统简化原理图

对于大容量机组，为了提高其快速性，在主励磁机结构上采取以下措施：

a. 励磁机所有通过主极磁通部分均采用叠片结构。

b. 精心选择导线尺寸、匝数、糟形，使所有绕组的电感最小。

c．取消极面阻尼绕组。

d. 穿过主磁极的螺栓和主磁极叠片完全绝缘。

在励磁控制回路中所采取的措施是在励磁调节器回路中加入了发电机转子电压的硬负反馈，这一反馈回路中包加入负反馈后，由负反馈所包围的控制回路时间常数减少到原时间常数T的，kf为励磁电压的放大系数，也制回路的放大倍数，kf 》1。a为负反馈系数，一般a《１。可见加入负反馈后时间常数明显降低。然而加入负大系数也减至原有的。因此还要加大付励磁机的容量，增大付励磁机的电压值，将负反馈造成的增益降低补能加大转子电压上升速度并获得足够的强励顶值，实现这种无刷励磁系统的高起始响应。

无刷励磁系统具有以下技术特点：

a. 采用高起始响应无刷励磁系统，顶值电压为2倍(恒负载电流时)，电压反应比为3.5倍/秒(恒电压时)。

b. 励磁系统的容量可以满足发电机额定励磁电流110%的要求。

c. 强励时间为10秒(决定于磁场热容量允许值)。

d. 自动励磁调节器设有自动跟踪系统，可实现自动与手动控制之间的平滑无扰动切换。

e. 自动励磁调节器的电压调整范围可从85%发电机额定电压(空载)变化至105%发电机额定电压(负载)。

f. 自动励磁调节器的稳态调节精度为±1%，稳态调差率为±1%。

g. 自动励磁调节器提供发电机电压信号丢失检测报警、无刷交流主励磁机和发电机磁场接地自动检测、功率系置。

h. 励磁系统具有欠励限制、最大励磁限制、过励保护、V/H限制和保护等功能。

i. 旋转整流装置采用三相全控桥式整流线路，在每相25%的硅整流管损坏时，励磁系统能保证发电机在额定负并满足强励要求。

j. 主励磁机磁场采用逆变和磁场断路器灭磁。

所谓灭磁，即在发电机跳闸前迅速将励磁回路的磁场能量减弱到最小程度，这样一方面可以防止励磁开关断开感应高电压危急其绝缘，另一方面，在发变组回路内部发生故障跳闸时可以削弱定子感应电势向故障点的供流线和铁芯。

对灭磁的要求：一是灭磁时间应尽可能短，灭磁时间指发电机灭磁时机端电压由额定值Ue降至5%Ue所需的时时励磁绕组过电压不超过允许值，一般为转子额定励磁电压的4~5倍。

发电机灭磁时，通常先采用逆变灭磁方式在极短的时间内将发电机的磁场能量降至最低，然后再跳开磁场开关的磁场能量由磁场开关消耗掉。

三相全控桥式整流线路有整流和逆变两种工作状态，两种状态的转换可通过改变可控硅导通角α的大小来完下，α≤π/2，整流管正向导通，整流电压为正值，整流电压与电流同极性，整流器将交流电转变为直流电送当α≥π/2时，整流管负向导通，整流电压为负值，整流电压与电流极性相反，整流器将转子电感中的能量反侧而消耗，这就是逆变状态，由于转子直流侧无电源，故逆变过程是暂态的，当逆变进行到励磁绕组中的剩余再维持逆变时，逆变过程结束。逆变过程能够消耗转子磁场中的大部分能量。

3. GEC—I系列全数字非线性励磁调节装置

3.1 硬件结构

GEC—I系列全数字非线性励磁装置主要应用于三机励磁系统，全双置配置，即配备完全独立的两个控制柜，每器、功率桥、电源及相关的逻辑操作回路。两套调节器并列运行，每套调节器均能满足包括强励在内的发电机对励磁的要求，并能满足大型发电机组对励磁调节器可靠性的要求。

励磁控制器的全双置结构分为A、B柜，每柜的结构基本相同，柜内的安排从上至下分别为：仪表单元、控制单开关单元、SCR全控整流桥及交、直流开关。

⑴ 仪表单元

仪表单元中主要安装的是隔离、驱动继电器，完成现场强电信号与微机弱电信号的隔离，以及执行相应的跳、V1：交流电压表，指示SCR输入处的阳极电压；B柜为机端电压表。

V2：直流电压表，指示SCR整流输出的电压。

A：直流电流表，指示SCR整流输出的电流（本柜）。

“直流合闸”按钮：合本柜的直流开关AK（BK）

“直流分闸”按钮：分本柜的直流开关AK（BK）

A柜仪表单元

在个别系统设计中，A柜增加了“控制方式”开关。

“控制方式”开关：切换A、B柜控制方式为恒功率因数或恒无功方式。

以下两部件仅B柜上有：

“方式选择”开关：选择跟踪的方式，一般指向“跟踪允许”位置。

“主从切换”按钮：切换主、从状态（在“跟踪允许”方式下）

B柜仪表单元

⑵ 控制单元

控制单元内主要安装的是核心部件：STD总线控制器和信号转换板JKB。STD控制器完成GEC的控制功能，JK 的隔离变换以及脉冲功率放大和同步信号处理。

LED指示：指示GEC的状态及报警信息。

键盘：完成状态显示及参数修改功能。

通讯口：STD计算机与PC机传送录波数据的端口。

“增磁”按钮：本柜增加励磁（增加给定值Ur）。

“减磁”按钮：本柜减少励磁（减少给定值Ur）。

“复归”按钮：本柜报警信号复归。

“监控投退”开关：切换本柜运行方式，即调节器处于监控状态还是运行状态。

“PSS投退”开关：投退本柜PSS功能。

“备用”开关：备用。

控制单元

⑶电源单元

电源单元内安装的是电源变压器及电源板，GEC控制器是交、直流双路供电的，任何一路电源有电即可保证G 常时交、直流双路并列供电。

电源单元

“直流”LED：直流供电指示灯。

“交流”LED：交流供电指示灯。

⑷开关单元

开关单元安装了STD工控机的直流电源开关及操作回路的电源开关，以及跟踪切换PLC等，其中A柜有以下开1SW：AK控制电源开关

2SW：操作回路电源开关

4SW：A组微机电源开关

B柜开关单元安装了以下部件：

3SW：BK控制电源开关

5SW：B组微机电源开关

PLC：跟踪切换逻辑PLC

开关单元

4SW、5SW是微机直流输入电源，而微机的交流输入电源由三相交流开关ADK、BDK控制。1SW、3SW控制直流开作电源，只有1SW、3SW合上，AK、BK才能操作。

操作回路电源开关2SW控制的是操作继电器，如增磁继电器、减磁继电器、灭磁继电器、主油开关位置继电器只有2SW合上，这些继电器才能操作。1SW~5SW均带有过流，失压脱扣及报警功能(应用户要求，可拆除失压⑸SCR全控桥单元

SCR全控桥单元含有由六只可控硅组成的全控整流桥及相应的脉冲触发和RC吸收回路。每只可控硅均有LED脉测到控制脉冲波形。

LED指示：指示可控硅控制单元有无脉冲

“阳极”：SCR阳极

“阴极”：SCR阴极

“控制极”：SCR控制极

控制极对阴极，可用示波器测量出触发脉冲的波形。

全控桥单元

⑹交、直流开关

GEC的每个柜子的最下层安装全控整流桥的交流开关和直流开关，如下图所示：

ADK：A柜三相交流开关

AK ：A柜直流开关

BDK：B柜三相交流开关

BK ：B柜直流开关

LEM：总输出电流传感器

A柜交直流开关

B柜交直流开关

ADK、BDK只能手动操作，且兼作微机电源交流组开关。AK、BK可电动就地或远方操作，1SW、3SW是其操作电流合闸”、“直流分闸”按钮是其就地操作按钮。

交、直流开关均为下端出线、对交流开关ADK、BDK，其进线从左到右排列分别是A、B、C相；对直流开关AK、左“+”右“-”。

有的GEC柜出线在柜后布置，具体接线如下图：

LEM传感器用于测量GEC输出的总励磁电流，用于保护模块的判断。其中A柜LEM装设在AK下口正极、B柜

下口负极，现场安装时连线如下图示。

3.2 状态设置与基本操作

为了保证运行的可靠性，GEC装置一般采用全双置结构，分为相对独立的A柜和B柜。A、B柜的运行方式有两运行方式和完全并列方式。另外在控制器的内部，还设置了一些运行状态，如自动状态、手动状态、通讯状态监控状态、等待状态等，下面作一简要说明。

⑴ 运行状态

主从并列运行方式：指A、B柜并列运行，分主从状态，采用强制均流措施，A、B柜控制单元同时发脉冲，共流（理想状况下各带50%负荷）。若单柜发生故障，则自动将故障柜切除（通过封锁脉冲输出实现），另外正

自动带满100%负荷。在故障切换时一般没有明显波动。

因为主从并列运行方式可靠性高、能自动跟踪、均流性好，因此我们推荐用户采用这种运行方式运行。

GEC励磁调节器正常运行时，仪表单元的方式选择开关指向“跟踪允许”位置，两套励磁调节器分主从，为主行。若主状态控制器发生故障，则通过故障检测及切换部件切换成从状态，而原来为从状态的控制器此时则作行。在正常无故障运行时，也可以通过“主从切换”按钮切换A、B柜的主、从状态。A、B柜控制单元的LED状从状态”灯哪一套点亮，就表示哪一套运行在主状态。

完全并列运行方式：指A、B柜相对独立并列运行，不分主从状态（全为主状态），A、B柜互不跟踪运行，A 同时发脉冲，共同承担负载电流。若一套控制器发生故障，则正常运行的一套自动带满100%负荷。

因为完全并列运行方式没有自动跟踪功能，没有强制限流措施，均流性不好，因此不建议采用此种运行方式。方式选择开关指向“跟踪闭锁”位置，此时GEC的A、B柜即为完全并列运行。此时A、B柜控制单元的LED状从状态”灯全点亮。

跟踪切换需要故障检测及切换部件，此部件的可靠性及逻辑的完备性直接影响了系统的可靠性。若将GEC仪表择开关指向“跟踪允许”位置，这时GEC即为主从并列运行方式，我们可以从控制单元的LED状态指示的“主出哪一套在主状态（LED灯亮），哪一套处在从状态（LED灯灭）。

GEC的故障检测及切换部件是用位于B柜开关单元的跟踪逻辑PLC完成的。PLC的输入信息是A、B柜的运行信故障）、“方式选择”开关位置、“主从切换”按钮状态，PLC的输出信息是A、B套的主、从状态，如下图