发电机组励磁方式改造及比较分析

孙化军

（大唐青岛燃气热电公司,山东 青岛 266061）

1 改造前背景

张电自1998年一期（1－4号机）三机它励励磁调节器投运以来，多次发生机组无功摆动和异常故障。

2005年5月1日，2号机无功意外摆动，最大达20kVar，后退出一套自动励磁调节器，并列手动励磁调节器运行。

2 改造前三机它励

张电一期1－4号机原励磁方式为三机它励，也叫静止硅整流器励磁，其励磁系统原理如图1所示：

主励磁机产生100Hz交流电源经大功率二极管全波整流后给发电机励磁，整流装置为两套西安博大的ZLAF型励磁整流柜；副励磁机由永磁铁励磁，产生400Hz交流电源经可控硅整流后给主励磁机励磁。发电机的励磁调节器随发电机运行工况的变化，而改变主励磁机励磁回路中可控硅的控制角，以改变主励磁机的磁场电流，进而改变主励磁机的端电压，以调节发电机的励磁，从而调节发电机的端电压与机组无功分配。

优点：它励励磁系统机组在发电机出口及附近发生短路故障时，能够迅速进行强励，对于暂态系统的稳定提高非常有利，这在过去小机组容量且故障切除时间较长的年代优点很明显，而现在，随着机组容量的不断增大，且保护动作时间越来越短，切除故障的时间逐渐缩短，它励励磁系统的优势已不是十分明显。

缺点：由于三机发电机电压调节是通过调节主励磁机的励磁电压来实现的，这就引入了交流励磁机励磁绕组的迟滞时间常数，从而使励磁调节响应不快速，虽然主励磁机的交流频率提高至100Hz，但时滞仍有0.68S，所以调节响应时间还是比较长，属于慢速励磁调节系统。

由于主励磁机是和发电机捆绑在一起生产的，即主励磁机与发电机往往为同一家产品，难以形成标准产品，所以，即使发电机容量相同，强励倍数也不相同。

它励励磁系统，包括有主励磁机、副励磁机和副励磁整流，所以造价会高，检修和运行维护量较大。另外，主励磁机和副励磁机与发电机在同一个大轴上，轴系较长，对于发电机大轴的振动非常不利。

所以，从运检维护和经济效益上来看，它励励磁系统与现在较多采用的自并励励磁系统有较多不足。从2007年开始，张电就对2、3号国产300MW机组励磁进行了改造，由三机它励励磁系统改为自并励励磁系统。

3 改造后的自并励

3.1 优缺点分析

自并励是最简单的一种励磁方式，其典型原理图如图3：

发电机出口电压经励磁变降压后，通过全控桥式整流后，供给发电机转子给发电机励磁。全控桥式整流由励磁小室的励磁调节器通过机端电压和发电机出口电流反馈信号来进行闭环触发调节，控制发电机端电压和发电机无功。

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（1）优点：由于自并励励磁系统只有励磁变、整流柜和励磁调节器，所以结构较简单，占地空间较少，成本造价也较低，检修和运行维护较简单，发电机组大轴轴系的缩短，使得大轴振动减少。

没有了它励励磁系统的主励磁机和副励磁机大型惯性时间常数，所以励磁调节响应时间较短，机端电压和无功调节较快，使得电网系统系统的运行可靠性和稳定性得到提高。

自并励励磁系统的发电机端电压和发电机转速成一次方关系，对于抑制甩负荷后的过电压，要比它励励磁系统有利。

（2）缺点：1）由于自并励励磁系统电源以及励磁调节反馈电压、电流信号均取自发电机出口，所以，在发电机出口及附近发生三相、两相短路或单相接地短路故障时，励磁调节将受到影响。

不过随着电力系统中快速保护的应用，故障切除时间的缩短，且自并励励磁调节系统可以通过变压器灵活地选择强励倍数，较好地满足了电力系统暂态稳定的要求。

2）发电机在冲转以后，起励电源需从厂用电取来，在发生电网系统瓦解故障后，起励电源取自较困难，自我恢复能力存在隐患。这个问题，在目前的发电厂大多配备了第三电源，比如柴油发电机，所以这个隐患可以忽略。

3）由于现在新上网机组绝大部分为自并励励磁系统，使得系统阻尼相对减小，在扰动的作用下，系统极易产生电网振荡。

从发电机出口波形可以看出，对发电机有功（第四条曲线）扰动有明显抑制作用。

3.2 自并激励磁系统对电网的积极作用

随着超高压500kV以及750kV电网的广泛建设，电网系统对地存电功率非常大，一旦发生电网扰动，无功很容易破坏，引起电网电压的不稳定。为降低这种危害，常采用无功就地平衡。

通过自并激励磁系统多年的实践运行，证明了自并激励磁系统对电网稳定有极其重要的作用。

（1）对静态稳定的影响。自并励励磁系统通过提高励磁系统增益，并配置电力系统稳定器PSS，在小的扰动时，可以保持发电机端电压恒定，提高静稳定25%，在进行励磁调节时，可大大提高静态稳定。

（2）对动态稳定的影响。影响动态稳定存在两种情况：一种在小的干扰作用下，由于系统阻尼不足而使电网发生振荡失步；另一种情况是在大干扰作用下，对后续振荡阻尼不足而产生振荡失步。

在自并励励磁系统配置了电力系统稳定器PSS后，由于自并励励磁系统调节响应时间较短，有利于PSS发挥作用，并可增加更多的正阻尼，提高了电网系统的动态稳定。

（3）对暂态稳定的影响。自并激励磁系统在机组机端出口或者附近发生短路故障时，按2倍强励倍数计算，其暂态稳定水平与它励励磁系统基本一样。

当某一发电机机端发生短路故障时，只有离故障点较近的机组受电压降落影响较大外，其余机组端电压影响较小，自并励励磁系统可快速进行调节，快速提高暂态稳定。

4 结论

同步电机自并励静止励磁系统由于运行可靠性高、技术和经济性能优越的原因，已成为大中型汽轮发电机组的主要励磁方式之一。张电2、3号发电机“三机”励磁改自并励系统工程已成功实施，由于自并励系统的优点众多，以后一期其它两台机组也必将逐步实施改造。

[1]GEC-1型全数字式非线性励磁装置原理说明书[S].北京清华南自控制技术有限公司.

[2]叶东.电机学[M].天津科学技术出版社.