内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司 王慧锋

励磁系统是给发电机转子绕组提供动态可调变励磁电流，用以建立旋转磁场的电源及附属设备的统称，是同步发电机组的重要系统之一，能够有效保障发电机的安全稳定与经济运行。它根据发电机及电力系统有功功率和无功功率的变化，实时调整励磁电流大小，以满足发电机及电力系统运行工况，从而确保整个输电系统的稳定运行。发电机正常运行时，励磁系统输出可调励磁电流以维持机端电压恒定和系统所需要的无功功率；当电力系统异常故障时，进行强行励磁或减磁，以确保故障快速消除；当发电机内部故障时进行快速灭磁，避免事故扩大。因此，励磁系统在电网及电厂的安全运行中均占据着极其重要的地位。基于励磁系统整体设计的可靠性和功能的全面性需要随着新时代新技术的发展而逐步提升，本文提出了一种新型分布式励磁控制系统的设计理念，并将其应用于托克托电厂的发电机组，保证了发电设备的长期稳定与经济运行。

1 励磁系统设计背景

托克托电厂发电机组原配置由瑞士ABB公司生产的UNITROL5000型静态自并励励磁系统，它是二十一世纪初的主流励磁设备，具有调节响应速度快、功能完善、结构紧凑的优势。但近年来UNITROL5000型励磁系统在各发电企业的故障率逐年升高，暴露的问题存在着普遍性，如电源模块故障、通讯系统故障、冷却系统故障等，严重时会引起机组非停事件。为保障发电机组长期安全稳定运行，消除励磁系统存在的隐患问题，经与厂家及科研院专业人员研究讨论，现提出新型分布式励磁系统的设计理念，并与当前的新技术和新工艺相结合，通过对托克托电厂的发电机组励磁设备的改造与应用，为各发电企业提供借鉴。

2 励磁系统的原理构成

2.1 励磁系统的作用

托克托电厂火力发电机组配置主流的静态自并励励磁系统，为发电机转子绕组提供可调励磁电流以建立磁场，将发电机的机械能源源不断地转换为电能，为电网及用户提供清洁电力。发电机励磁电流供给示意图如图1所示。

图1 发电机励磁电流供给示意图

2.2 励磁系统的构成

静态自并励励磁系统主电路典型接线方式是将励磁变压器连接在同步发电机的出口端。这种接线方式比较简单，励磁电源的可靠性较高。它主要由励磁变压器、励磁调节器、整流装置、初励装置、灭磁装置等组成。励磁变压器为励磁系统整流提供电源；励磁调节装置通过控制参考值和测量值变化，实时地进行动态调整，维持发电机机端电压及励磁电流处于恒定水平；整流装置主要由晶闸管、触发板、保险等组成，将交流电源转变成直流电源，送至发电机转子绕组；初励装置为发电机启动时提供建立初始磁场的能量；灭磁装置主要包括灭磁开关、灭磁电阻及过压保护设备，能够在发生故障时进行快速灭磁，保障发电机在安全可靠范围内运行。励磁系统结构图如图2所示。

图2 励磁系统结构图

2.3 励磁系统的运行原理

励磁调节器是励磁系统的“中央处理器”，是关键核心控制设备，控制着整套励磁装置的正常运行。一般采用双套冗余配置，每套调节器有自动和手动两种控制方式。自动控制方式实现机端电压的闭环控制，为励磁系统正常运行时的控制方式；手动控制方式实现励磁电流的闭环控制，运行人员可通过手动方式调整发电机的励磁电流，确保机端电压恒定。

发电机正常运行时，励磁变压器作为电源输出至整流装置。励磁调节器采集发电机定子电压、定子电流、励磁电流及同步电压信号等发电机的运行参数，并根据发电机的运行工况变化，调节整流装置的脉冲信号触发角度，以控制整流元件输出电压的大小，从而实现对发电机励磁电流的调整。灭磁装置也是励磁系统的关键设备，既作为励磁电流输出的开关，又配置有灭磁时消耗转子能量的灭磁电阻和用于保护转子绕组的过电压保护器，保障着发电机的安全运行。初励装置则作为发电机软起励的初始电源，给发电机转子绕组提供建立初始磁场的能量。

3 分布式励磁系统结构

3.1 励磁调节器的分布设计

3.1.1 励磁调节器的设计理念

励磁调节器测量发电机的电气量，根据调控指令，选择励磁调节给定值，在测量值与给定值之间进行比较、计算，然后输出计算后的触发脉冲至可控硅整流装置。当机端电压实测值高于给定值时，触发脉冲角度增大，使机端电压降低；当机端电压实测值低于给定值时，触发脉冲角度减小，使机端电压升高，保证实测值与给定值之间动态平衡。通过实时的动态调整，维持发电机机端电压处于恒定水平，限制发电机在安全可靠范围内运行。因此，励磁调节器的设计需实现模拟量测量、命令及状态测量、判断、计算及限制、输出触发脉冲和状态信号监测等功能。

图3 调节器配置

3.1.2 励磁调节器冗余配置

自动电压调节器应有两个独立的自动电压调节通道，含各自的电压互感器、测量环节、调节环节、脉冲控制环节、限制环节、电力系统稳定器和工作电源等。分布式控制的励磁系统配置两套功能相同的励磁调节器，相互独立，互为备用。正常运行时分主、备通道，同时采集机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流进行调节运算，接收控制指令，送出状态信号，相互跟踪，互不干扰。任何工况下，两套励磁调节器均能实现无扰动切换。

两套励磁调节器分别配置信号测量系统、脉冲形成、装置检测等9个功能单元，各个功能单元之间分别布置在不同的插件上，彼此相互独立，各司其职。即使某一插件发生异常，可在线更换任意功能单元，而不影响另一调节器的功能配置及正常运行。

3.1.3 励磁调节器独立电源配置

两套调节器配置独立的电源系统，每套调节器采用双路电源供电（一路直流电源，一路UPS电源），且分别配置2个独立电源插件，双路电源同时供电，内部无需电源切换设计，这样保证任一电源消失，都不会影响调节器的运行。两套调节器四路独立电源，大大提高了调节器的电源可靠性。

3.1.4 励磁调节器控制系统通讯配置

两套调节器之间采用光纤通讯，且每套调节器配置两块通讯插件，这样就既消除了以往采用网络通讯、CAN总线通讯、RS485通讯等方式出现异常的安全隐患，大大提升了通讯的抗干扰能力，又增加了励磁调节器主、备通讯冗余度，可靠性大幅提升。

两套调节器分别通过一路光纤与整流柜控制装置通讯，实现触发脉冲与控制信号控制的独立。光纤通讯增强了抗干扰能力，也消除电磁信号对装置通讯的扰动。正常运行时，主调节器送至整流柜的光纤通讯信号号含有“本套为主”的信息，因此整流柜控制装置采用主调节器的触发脉冲与控制信号。当主调节器故障，切换至备用调节器运行时，整流柜控制装置采用备用调节器的触发脉冲与控制信号。

3.2 整流柜的分布设计

自励励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接线。这种接线的优点是晶闸管元件承受的电压低，而变压器的容量利用率高。整流装置采用全控桥方式较多，全控桥方式在三相全波整流接线中，六个桥臂元件全都采用晶闸管。整流装置是利用晶闸管构成的电路进行电能变换，整流状态可将交流电变换成直流电供直流负载，逆变状态又可将直流电变换成交流电供给交流负载。

3.2.1 整流柜的独立电源配置

每台整流柜的控制装置配置双路电源供电（一路直流电源，一路UPS电源），配置2个独立电源插件，双路电源同时供电，内部无需电源切换设计，这样保证任一电源消失，都不会影响调节器的运行；整流柜的控制装置同时接收主、备励磁调节器的触发脉冲信号及控制信号，当任一信号出现异常时，自动切换至另一信号指令运行，确保整流柜控制的可靠性。

3.2.2 整流柜的分布式配置

每台整流柜配置有智能控制装置，既可以实现整流柜并机运行，又可以作为独立单元运行。正常运行时，几台整流柜受控于励磁调节器并列运行，输出励磁电流。当两套励磁调节器同时故障，失去脉冲触发信号及控制信号时，整流柜又可以独立运行，避免了因为调节器故障造成的机组非停。此外，当某一台整流柜出现控制元件故障、整流元件故障等异常情况时，可以单独退出该整流柜进行修理、调试与试验。修复后，又可以正常并列运行。

每台整流柜配置独立的励磁电流采、励磁电压及同步电压信号采集单元，这样当同步电压信号采集异常或者任一整流柜发生异常时，不影响其他整流柜的正常运行。每台整流柜控制装置之间采用CAN环网通讯，实现智能均流。环网通讯消除了单点故障造成的通讯中断，为实时智能均流提供了可靠保障。

3.2.3 整流柜的其他配置

每台整流柜风机运行状态判据采用风压挡板加风压检测，消除了传统设计中判据单一的安全隐患，使整流柜运行更加稳定。此外，整流柜桥臂配置单独的分流器，采用基于抗交直流饱和的无畸变电压电流波形变换技术实现每个桥臂电流的监测，大大提高了采样精度和准确性。

图4 基于分布式控制的励磁系统整体结构

3.3 智能灭磁装置的设计

灭磁开关柜摒弃以往传统的简单控制回路配置，设置独立的灭磁智能测控装置，实现灭磁柜的智能集中控制。另外增加友好的人机界面，能够很好的适用于新一代的厂站控制要求。

灭磁开关柜智能测控装置与励磁调节器一样配置双路电源供电，2个独立电源插件，增加了电源可靠性和冗余度；灭磁开关柜智能测控装置通过两路独立光纤，与2个励磁调节器分别通讯，能够完成灭磁能量在线计算、灭磁开关控制、过压保护、初励控制、励异常判断等功能，实现了励磁系统从初励到灭磁的全过程监测、控制兼能量转移计算。

图5 励磁系统通讯配置

4 工程应用后效果

基于分布式控制的励磁系统采用近100%光纤通讯，脉冲光纤传输与分布式移相触发相结合，实现了从控制器到整流桥一对一树状并行传输，解决了原励磁系统串行通讯、易受干扰的隐患，提高整流桥触发脉冲传输过程中的抗干扰能力和智能均流水平。

新型励磁系统采用发分布式控制，双套智能调节器＋整流柜智能装置＋灭磁柜智能装置的励磁系统全智能控制架构，实现双主用双辅助四调节通道冗余配置，提高了通道切换冗余度。

每个整流柜有独立的同步电压采集和脉冲触发序列，当其中一个电压采集或者脉冲触发回路故障时，不影响其他整流柜运行。

整流柜风机运行状况采用风压挡板+风压继电器双重判据，消除了传统整流柜风机故障单一判据的隐患。

基于分布式控制系统，每个整流柜既可以与其他整流柜并列整体运行，又可以做个一个独立体单独运行，这样既消除了双套调节器故障造成的机组失磁，也方便了励磁系统整流柜独立检修和发生故障时的隔离。

图6 励磁系统电源配置

每套励磁调节器、每台整流柜及灭磁开关柜都采用独立的双路交、直控制电源，极大的提高了电源的可靠性。

励磁系统新增灭磁开关智能测控装置，能够实现灭磁能量的在线计算、转子温度在线计算、灭磁开关控制、过电压控制及起励异常判断。

励磁系统采用基于抗交直流饱和的无畸变电压电流波形变换技术，进行每个可控硅元件的电流和励磁电压的在线监测，实现整流装置元件级的智能均流和灭磁电阻能耗在线计算功能。

5 结语

本项目结合托克托电厂600MW机组现励磁系统现状分析，提出机组励磁改造的可行性分布控制的先进方案设计。励磁系统改造后，运行性能、调节性能及安全性能更上一个台阶，调节速率较原系统大幅；励磁系统限制器功能更完善，且使用独立的PID运算；励磁采样环节、电源配置、整流柜运行性能、调节性能及安全性能更上一个台阶，不仅能够实现了励磁系统运行的高性能、高效率，有效提高发电机及电力系统的技术、经济指标，也为发电企业经济、可靠运行做出很大的贡献。