无刷励磁与静态励磁方式的比较分析

  [摘要]：本文根据现行各规程规范和国内电机厂的励磁系统资料，对无刷励磁系统和静态励磁系统两种主要励磁方式的优缺点及其对保护和电网稳定性影响进行了分析比较，为发电工程特别是大型常规火电和核电发电机励磁方式的选择提供参考。

  励磁系统是提供同步发电机可调励磁电流装置的组合。它包括励磁电源装置（如直流励磁机、交流励磁机、励磁变压器及整流装置等）、自动调整励磁装置、手动调整励磁装置、自动灭磁装置、励磁绕组过电压保护设施及上述装置的控制、信号、测量仪表等。

  自并励静态励磁系统能直接在发电机励磁回路中接入灭磁开关，灭磁时间短；可以用常规的方式测量转子电压和电流。

  自并励静态励磁系统的静止可控硅整流通过碳刷和集电环供给发电机励磁电流，故碳刷和集电环的维护工作量相对较大。大容量直流灭磁开关的投资较高。

  自并励静态励磁系统和其它快速励磁系统，仅按机端电压进行调节，会产生附加的负阻尼转矩分量，在特定条件下可能会导致系统低频振荡。因此自并励静态励磁系统均配置电力系统稳定器（PSS），PSS能提供适当的正阻尼，解决系统的低频振荡问题。

  无刷励磁方式的发电机整个轴系较长，对机组轴系稳定不利；系统没滑环、碳刷及直流灭磁开关，可控整流元件参数低，维护及更换设备费用低，但灭磁时间较长；自动电压调节器通过调节旋转交流主励磁机自产磁场回路，其时间常数长；主整流元件及转子过压保护等设备均为旋转系统，发电机转子工况的检测比较困难。

  目前，国内大型发电机组采用自并励励磁系统方式已得到广泛的应用，并积累了一定的运行经验，大型汽轮发电机采用自并励静态励磁方式已成为一种趋势。ABB、ALSTOM等公司的静止励磁系统在核电机组上已经取得比较多的应用，例如浙江三门、山东海阳等核电项目，国内常规百万等级热能发电机几乎全部采用静止励磁系统。

  无刷励磁系统可按响应比的不同分为标准型和高起始响应型两种，国内三大电机厂引进的均为高起始响应无刷励磁系统。在高起始响应无刷励磁系统中，为在小信号偏差响应条件下降低励磁机的时间常数，通常需要采取时间常数补偿回路。自并励静态励磁系统是一种固有的高起始响应系统，与无刷励磁系统相比，可以有较大的电压放大倍数，能使发电机达到更大的极限功率角，从而可以提高电力系统的静态稳定。

  [1] 华东六省一市电机工程（电力）学会. 电气设备及其系统（第二版）. 北京：中国电力出版社，2007

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  自并励静态励磁系统响应速度快，其强行励磁时起始电压响应速度比较高，对于远距离输电满足电力系统动态稳定要求是非常有利的。虽然在发电机变压器组高压母线近处发生三相短路时，机端电压大幅下降，强励倍数受到影响，对系统稳定性有影响，但因电网都配有快速动作的继电保护装置及快速断路器，能够将短路故障快速切除，一旦故障切除，发电机端电压即迅速恢复，由于其调节速度快，转子励磁电压在几个周波内就达到顶值。因此自并励静态励磁系统对改善暂态稳定效果比无刷励磁系统效果好。

  采用自并励静态励磁系统的主要问题在于线路近区故障时，由于励磁系统的顶值励磁特性受发电机机端电压的抑制而将对保护可靠性好系统稳定产生不利的影响。

  实际上，600MW及以上大容量机组都是经封闭母线与主变压器连接后直接接入电网的接线方式，发电机出口三相短路的几率很小，一般是不考虑真正的机端故障（若真是机端故障，那么发电机主保护会在几十毫秒切除发电机），考虑到最严重的故障形式应是主变压器高压侧三相短路。对于这样的短路形式，也很少出现，而且一旦出现，机组的快速差动保护能正确动作，短路电流不会影响继电保护动作。当发电机外部发生对称或不对称短路时，机端电压下降，励磁电流也随之减小，发电机短路电流衰减很快，会对带延时的后备保护带来影响。但此问题可由发电机保护装置采取措施来解决，如过电流记忆的低电压保护、自保持的过电流保护、电压控制的过电流保护等，这些保护装置延时元件不再受电流值变化的影响，作为后备保护能可靠地动作并切除短路故障。

  带永磁副励磁机的无刷励磁系统由带旋转整流器的主励磁机、永磁副励磁机及自动电压调节器等几部分组成。

  带机端变的无刷励磁系统由带旋转整流器的无刷励磁机、励磁变压器及自动电压调节器等几部分组成。

  无刷励磁系统的整流器与旋转电枢装在一个象护环一样材料的整锻圆筒上，悬挂在转子端头。发电机轴固定，同轴旋转，取消了集电环和碳刷，并且根除了碳刷碳粉的污染，省掉了碳刷、集电环的磨损更换，降低了噪音，减少了维护的工作量。带永磁机的无刷励磁系统的全部励磁功率均取自轴系，励磁电源独立，不受电力系统电压波动干扰，强励能力不受发电机短路和电网电压大幅度下降的影响，可靠性高。

  励磁系统是同步发电机组的重要构成部分，它的技术性能及运行的可靠性，对供电质量、继电保护可靠动作、加速异步电动机自启动及发电机与电力系统的安全稳定运行都有重大影响。随着超高压远距离输电系统的建立以及大容量发电机标幺电抗的增大，电网也要求采用高起始响应好高顶值电压的励磁系统。

  目前，我国1000MW等级大型常规火电和核电采用发电机的励磁方式主要有静止励磁和无刷励磁两大类。无刷励磁系统多种方式，有采用永磁发电机作为副励磁机的无刷励磁形式，也有由机端变压器获取的带旋转整流器的无刷励磁机形式；自并励静态励磁系统多采用电压源—可控硅整流器系统，即机端变压器自并励励磁系统。

  无刷励磁方式发电机的励磁回路测量、绝缘监视，保护方式配置及AVC控制等方面原理接线都较复杂。发电机励磁电压是由发电机励磁绕组引出两个小滑环，经碳刷引至电压表来测量。发电机励磁电流的测量也采用间接方式。

  自并励静态励磁系统用发电机端电压经励磁变压器及静态可控硅提供发电机励磁电源，不需要同轴励磁机，缩短了发电机的轴系。由于减少了两个连接环节，没有旋转部件，因而减少了轴系的固有扭振模式，大大降低了轴系扭振的振动幅值，提高了轴系的稳定性。另外，缩短了汽轮发电机组机座长度也使投资减少。

  静态励磁方式的发电机轴系短，对机组轴系稳定有利；系统有滑环、碳刷及直流灭磁开关，可控整流元件数量多参数高，维护及更换设备费用高，但灭磁时间短；自动电压调节器通过调节可控硅导通角，直接调节供给发电机转子绕组的励磁电流，所以调节快速；发电机转子工况的检测很方便。

  静态励磁系统以其响应速度快，发电机轴系短，经济等特点，在国外大型发电机组中早已得到普遍的应用。该方式已成为许多国家优先选用的主要励磁方式，也是日本各电力公司公认的提高电力系统稳定性的基本措施，英国近年来新装机组也全部采用自并励励磁方式，并且将一些早期安装的交流励磁机改为自并励励磁系统，以提高电力系统稳定性。