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摘 要：深圳妈湾电力有限公司现有6台30万的火力发电机组，由于6台机组的建设投产在不同的时期，它们采用的励磁系统也不相同。其中，#1、#4机组使用的是三机同轴它励励磁系统，#5、#6机组使用的是自并励励磁系统，文章将对这两套系统的励磁功率单元、励磁控制以及灭磁方式作详细的比较和分析。
关键词：它励励磁系统；自并励励磁系统；灭磁；功率；控制系统
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0111-02
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的特性对电力系统及同步发电机的运行性能有着十分重要的影响，励磁系统一般由两部分构成，第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电源，以建立励磁磁场；第二部分是励磁控制部分，这一部分包括励磁调节器，强行励磁，强行减磁和灭磁等。它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的要求。在电力系统中，励磁系统能够维持发电机的机端电压，控制无功功率的分配，提高同步发电机并列运行的稳定性。
1 励磁功率单元比较分析
1.1 它励励磁功率分析
三机同轴它励的励磁功率单元包括TFY-80-400永磁副励磁机，JL-1434-4交流主励磁机，HWTA-30可控硅调节整流柜和GIF-3 000/1 500静止硅整流柜。永励磁机的转子经汽轮机的联轴带动，永励磁机得以向可控硅整流柜提供400 Hz的三相交流电，可控硅整流柜对该电源进行轧波整流，得到的大小可控的直流电源输入到主励磁机的转子，主励磁机的转子同样由汽轮机的联轴带转，主励磁机得以向静止硅整流柜提供100 Hz的三相交流电源，经过静止硅柜整流后的直流电源就是送到发电机转子的励磁电源，其电源回路如图1所示。在永励磁机到主励磁机之间除了正常使用的可控硅调节柜轧波整流外，还有一个备用的整流及调节回路，永励磁机的输出首先由手动调节的自耦变压器调整大小，经过调整以后的交流电再由不可控的硅整流装置整流后向主励磁机转子输出直流电源。
1.2 自并励励磁功率分析
自并励磁系统的励磁功率单元则要简单得多，它主要包括一个容量为3 200 kVA的励磁变压器和一套静止可控硅整流柜，另外在静止可控硅整流柜后的直流电部分还有一个外接的启动励磁装置回路，其功率回路如图2所示。励磁变压器从发电机出口取下2万V的电压，经过励磁变压器的变压得到额定电压为775 V的低电压输入到静止可控硅整流柜，从可控硅柜轧波整流出来的大小可控的直流电源就是发电机的励磁电源。外接的启动励磁回路是由于在初始状态发电机无法向励磁变压器提供电能而需要另外接入的一个直流电源，在发电机出口有一定电压后启动励磁回路会被切除，励磁电能交由发电机出口提供，所以启动励磁电源也叫做磁场点火电源，在本自并励启动励磁回路是采用厂用220 V交流电经过整流而获得启动励磁的电源，在定子出线电压达到发电机空载额定电压的10%时，微机控制自动切除该启动励磁电源。
2 励磁控制单元比较分析
2.1 它励励磁系统控制分析
#1～#4机组以往使用的是美国西屋公司技术生产的HWTA集成电路自动电压调节器，它包括“AC”调节回路（根据机端电压自动调节励磁电流）和“DC”调节回路（人为的手动直接调整励磁电流），其控制回路如图3所示。
HWTA调节器包括有电压偏差检测器，电流调节器，无功电流补偿器，各种的限制器，信号混合器，DC调节器和跟随器。发电机正常运行时使用的是“AC”调节回路，作为被调量的机端电压信号经过无功电流补偿器修正后送至电压误差检测器与给定的电压值比较，得到的误差信号再与各种限制器的输出一起送入信号混合器，信号混合器把所有的信号进行综合与运算，变换成一个综合性的输出信号去控制功率放大环节的移相触发回路，完成“AC”调节回路的机端电压自动调整。在“AC”调节回路故障或者发电机零起升压的时候，“DC”调节回路便投入使用，回路中的DC调节器将设定的输入值与当前的转子励磁电流信号比较，得到的误差值加上极少的限制器输出{电流瞬时限制器}，经过放大后直接控制触发回路的脉冲相位角。而跟随器在调节器里的作用时实现“AC”回路到“DC”回路的无扰动切换，跟随器根据“AC”调节回路的输出不断改变相对应的“DC”调节回路中励磁电流的设定值，使得当“AC”方式切换到“DC”方式时，“DC”回路仍然能够保持切换前得励磁电流，避免励磁电流得突变引起机组电压得震荡。
在“DC”调节回路里，发电机机端电压不作为反馈得调节量，而主要是以转子励磁电流得设定值来控制，此时，就需要值班员对机端电压进行监视，随时调整一个匹配得励磁电流。随着近年微机技术的日新月异，励磁的集成电路控制已经逐步淘汰，取而代之的是励磁的微机控制，妈湾发电厂的#1～#4机组的励磁控制也已经由原先的集成电路控制改造为微机控制，但是AC回路和DC回路的工作逻辑没有原则性的改动，只是改造后的微机控制在“AC”调节回路并联了一个一模一样的调节回路，这个并联的通道实现了“AC”回路控制的双通道全冗余逻辑，大大提高了“AC”调节回路运行的安全性。
2.2 自并励励磁系统控制分析
在新近投产的#5、#6机组里，励磁的控制部分就直接使用了基于微处理数字系统的UNITROL 5000控制系统。
这种微机励磁控制系统包括MUB（UNS2881测量单元板）、COB（UNS2880控制板）、CIN（UNS0880可控硅界面卡）、GDI（UNS088脉冲驱动界面卡）、PSI（UNS0882电力信号界面卡）、EGC（UNS2882扩展控制板）。
发电机的励磁控制系统所需要的电压，电流信号经过变换后统统接入到MUB测量模块上，MUB测量模块把得到的模拟信号转换为数字信号，储存在一个双端口的储存器中，向COB控制模块提供所需要的信号，COB控制模块实现调节和控制的功能，有功无功补偿，各种限制器输出都在COB控制模块进行运算和综合，最终的得出的信号作为可控硅的调节触发信号，COB控制模块同时具备FCR控制方式（励磁电流调节）自动跟踪AVR控制方式（机端电压调节）以及运行通道自动跟踪备用通道的功能。CIN可控硅界面卡和GDI脉冲驱动界面卡对可控硅监控保护和触发导通，它们由COB的输出得到触发导通信号来控制可控硅的工作。
以上是UNITROL5000正常的励磁控制工作流程，其控制回路如图4所示。
当正常运行的控制中心COB模块失效以后，作为COB模块的紧急备用，EGC模块能够代替COB控制，具备有COB模块中最重要的监控和保护。
同时，在UNITROL 5000控制系统里的MUB测量单元板，COB控制板，EGC扩展控制板都有两个一模一样的模块同时工作互为备用，这就形成了主控制回路的一个双通道全冗余结构，这种双通道全冗余结构的工作逻辑是当工作通道发生任何故障以后，优先切换到备用的通道工作，在工作通道没有备用通道的时候，控制中心根据模块的故障类型，或者作COB模块切换EGC模块，或者作AVR方式切换FCR方式。
3 灭磁方式
在励磁系统的灭磁方式上，公司的两套励磁系统也有截然的不同。
在三机同轴它励系统里，发电机依靠额定电流为4 300 A的直流灭磁开关对转子回路灭磁，灭磁开关在灭弧栅里消耗转子线圈储存的能量达到切断转子电流的目的。
在自并励磁系统里，发电机依靠额定电流为3 200 A的交流灭磁开关和可控硅的逆变导通一起对转子回路灭磁，可控硅的逆变导通是指通过控制可控硅的触发角度的大小而改变转子直流电压的极性达到迅速降低发电机的端口出线电压和转子的励磁电流，可控硅逆变配合上交流灭磁开关，发电机的灭磁更为迅速和可靠，同时大大减轻了对灭磁开关的损耗。
而且，由于采用了自并励磁代替三机同轴它励，发电机的大轴长度因此而缩短，大轴的振动也得到相应改善。
4 结 语
通过以上对比可以得知：#5、#6机组使用的自并励励磁系统要优胜于#1～#4机组的它励励磁系统。HWTA调节器控制下的三机同轴它励和UNITROL5000微机控制的自并励磁是不同时期的励磁产品，而#5、#6机组采用的这套自并励磁系统则代表了现今30～60万机组广为使用的励磁系统。
参考文献：
[1] 王恺.电力系统图形建模仿真软件系统的实现与应用[D].合肥：安徽大学，2013.
关键词：它励励磁系统；自并励励磁系统；灭磁；功率；控制系统
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0111-02
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的特性对电力系统及同步发电机的运行性能有着十分重要的影响，励磁系统一般由两部分构成，第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电源，以建立励磁磁场；第二部分是励磁控制部分，这一部分包括励磁调节器，强行励磁，强行减磁和灭磁等。它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的要求。在电力系统中，励磁系统能够维持发电机的机端电压，控制无功功率的分配，提高同步发电机并列运行的稳定性。
1 励磁功率单元比较分析
1.1 它励励磁功率分析
三机同轴它励的励磁功率单元包括TFY-80-400永磁副励磁机，JL-1434-4交流主励磁机，HWTA-30可控硅调节整流柜和GIF-3 000/1 500静止硅整流柜。永励磁机的转子经汽轮机的联轴带动，永励磁机得以向可控硅整流柜提供400 Hz的三相交流电，可控硅整流柜对该电源进行轧波整流，得到的大小可控的直流电源输入到主励磁机的转子，主励磁机的转子同样由汽轮机的联轴带转，主励磁机得以向静止硅整流柜提供100 Hz的三相交流电源，经过静止硅柜整流后的直流电源就是送到发电机转子的励磁电源，其电源回路如图1所示。在永励磁机到主励磁机之间除了正常使用的可控硅调节柜轧波整流外，还有一个备用的整流及调节回路，永励磁机的输出首先由手动调节的自耦变压器调整大小，经过调整以后的交流电再由不可控的硅整流装置整流后向主励磁机转子输出直流电源。
1.2 自并励励磁功率分析
自并励磁系统的励磁功率单元则要简单得多，它主要包括一个容量为3 200 kVA的励磁变压器和一套静止可控硅整流柜，另外在静止可控硅整流柜后的直流电部分还有一个外接的启动励磁装置回路，其功率回路如图2所示。励磁变压器从发电机出口取下2万V的电压，经过励磁变压器的变压得到额定电压为775 V的低电压输入到静止可控硅整流柜，从可控硅柜轧波整流出来的大小可控的直流电源就是发电机的励磁电源。外接的启动励磁回路是由于在初始状态发电机无法向励磁变压器提供电能而需要另外接入的一个直流电源，在发电机出口有一定电压后启动励磁回路会被切除，励磁电能交由发电机出口提供，所以启动励磁电源也叫做磁场点火电源，在本自并励启动励磁回路是采用厂用220 V交流电经过整流而获得启动励磁的电源，在定子出线电压达到发电机空载额定电压的10%时，微机控制自动切除该启动励磁电源。
2 励磁控制单元比较分析
2.1 它励励磁系统控制分析
#1～#4机组以往使用的是美国西屋公司技术生产的HWTA集成电路自动电压调节器，它包括“AC”调节回路（根据机端电压自动调节励磁电流）和“DC”调节回路（人为的手动直接调整励磁电流），其控制回路如图3所示。
HWTA调节器包括有电压偏差检测器，电流调节器，无功电流补偿器，各种的限制器，信号混合器，DC调节器和跟随器。发电机正常运行时使用的是“AC”调节回路，作为被调量的机端电压信号经过无功电流补偿器修正后送至电压误差检测器与给定的电压值比较，得到的误差信号再与各种限制器的输出一起送入信号混合器，信号混合器把所有的信号进行综合与运算，变换成一个综合性的输出信号去控制功率放大环节的移相触发回路，完成“AC”调节回路的机端电压自动调整。在“AC”调节回路故障或者发电机零起升压的时候，“DC”调节回路便投入使用，回路中的DC调节器将设定的输入值与当前的转子励磁电流信号比较，得到的误差值加上极少的限制器输出{电流瞬时限制器}，经过放大后直接控制触发回路的脉冲相位角。而跟随器在调节器里的作用时实现“AC”回路到“DC”回路的无扰动切换，跟随器根据“AC”调节回路的输出不断改变相对应的“DC”调节回路中励磁电流的设定值，使得当“AC”方式切换到“DC”方式时，“DC”回路仍然能够保持切换前得励磁电流，避免励磁电流得突变引起机组电压得震荡。
在“DC”调节回路里，发电机机端电压不作为反馈得调节量，而主要是以转子励磁电流得设定值来控制，此时，就需要值班员对机端电压进行监视，随时调整一个匹配得励磁电流。随着近年微机技术的日新月异，励磁的集成电路控制已经逐步淘汰，取而代之的是励磁的微机控制，妈湾发电厂的#1～#4机组的励磁控制也已经由原先的集成电路控制改造为微机控制，但是AC回路和DC回路的工作逻辑没有原则性的改动，只是改造后的微机控制在“AC”调节回路并联了一个一模一样的调节回路，这个并联的通道实现了“AC”回路控制的双通道全冗余逻辑，大大提高了“AC”调节回路运行的安全性。
2.2 自并励励磁系统控制分析
在新近投产的#5、#6机组里，励磁的控制部分就直接使用了基于微处理数字系统的UNITROL 5000控制系统。
这种微机励磁控制系统包括MUB（UNS2881测量单元板）、COB（UNS2880控制板）、CIN（UNS0880可控硅界面卡）、GDI（UNS088脉冲驱动界面卡）、PSI（UNS0882电力信号界面卡）、EGC（UNS2882扩展控制板）。
发电机的励磁控制系统所需要的电压，电流信号经过变换后统统接入到MUB测量模块上，MUB测量模块把得到的模拟信号转换为数字信号，储存在一个双端口的储存器中，向COB控制模块提供所需要的信号，COB控制模块实现调节和控制的功能，有功无功补偿，各种限制器输出都在COB控制模块进行运算和综合，最终的得出的信号作为可控硅的调节触发信号，COB控制模块同时具备FCR控制方式（励磁电流调节）自动跟踪AVR控制方式（机端电压调节）以及运行通道自动跟踪备用通道的功能。CIN可控硅界面卡和GDI脉冲驱动界面卡对可控硅监控保护和触发导通，它们由COB的输出得到触发导通信号来控制可控硅的工作。
以上是UNITROL5000正常的励磁控制工作流程，其控制回路如图4所示。
当正常运行的控制中心COB模块失效以后，作为COB模块的紧急备用，EGC模块能够代替COB控制，具备有COB模块中最重要的监控和保护。
同时，在UNITROL 5000控制系统里的MUB测量单元板，COB控制板，EGC扩展控制板都有两个一模一样的模块同时工作互为备用，这就形成了主控制回路的一个双通道全冗余结构，这种双通道全冗余结构的工作逻辑是当工作通道发生任何故障以后，优先切换到备用的通道工作，在工作通道没有备用通道的时候，控制中心根据模块的故障类型，或者作COB模块切换EGC模块，或者作AVR方式切换FCR方式。
3 灭磁方式
在励磁系统的灭磁方式上，公司的两套励磁系统也有截然的不同。
在三机同轴它励系统里，发电机依靠额定电流为4 300 A的直流灭磁开关对转子回路灭磁，灭磁开关在灭弧栅里消耗转子线圈储存的能量达到切断转子电流的目的。
在自并励磁系统里，发电机依靠额定电流为3 200 A的交流灭磁开关和可控硅的逆变导通一起对转子回路灭磁，可控硅的逆变导通是指通过控制可控硅的触发角度的大小而改变转子直流电压的极性达到迅速降低发电机的端口出线电压和转子的励磁电流，可控硅逆变配合上交流灭磁开关，发电机的灭磁更为迅速和可靠，同时大大减轻了对灭磁开关的损耗。
而且，由于采用了自并励磁代替三机同轴它励，发电机的大轴长度因此而缩短，大轴的振动也得到相应改善。
4 结 语
通过以上对比可以得知：#5、#6机组使用的自并励励磁系统要优胜于#1～#4机组的它励励磁系统。HWTA调节器控制下的三机同轴它励和UNITROL5000微机控制的自并励磁是不同时期的励磁产品，而#5、#6机组采用的这套自并励磁系统则代表了现今30～60万机组广为使用的励磁系统。
参考文献：
[1] 王恺.电力系统图形建模仿真软件系统的实现与应用[D].合肥：安徽大学，2013.