浅谈励磁系统的冗余配置
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摘要：励磁系统作为同步发电机的重要组成部分，其运行稳定性直接影响发电机的运行特性，进而影响着整个电力系统的安全运行。随着电网系统的扩大，电网的稳定和安全运行的问题亦日益突出，发电机励磁系统在电力系统中的重要性也越来越被人们所关注，同时也对励磁系统的稳定性提出了更高要求，为了更好的提高励磁系统运行的可靠性，在设计过程中，对一些重要组成部分就需要采用冗余配置。
关键词：励磁系统，冗余配置，调节器，功率柜，灭磁装置
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
励磁系统作为同步发电机的重要组成部分，一般由励磁功率单元、励磁调节器、灭磁装置、励磁变压器等几个部分组成，其主要作用有：（1）维持发电机或其他控制点（如发电厂高压侧母线）的电压在给定水平，（2）控制并联运行机组的无功功率合理分配，提高电力系统并联机组的稳定性（3）提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。鉴于励磁系统的重要性，我们经常采用冗余配置来提高其硬件的可靠性。所谓冗余配置，就是指重复配置励磁系统需要的一些重要部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件接入并承担故障部件的工作，由此减少系统故障的概率和时间，提高电力系统的可靠性。在励磁系统的几个重要组成部分中，励磁调节器和功率柜通常进行冗余设计，也有励磁系统采用冗余灭磁设计。
2励磁系统分类及配置
同步发电机励磁系统的种类有很多，目前在电力系统中广泛应用的主要有他励交流励磁机系统、两机自励恒压励磁系统、两机一变励磁系统、自并励励磁系统、无刷励磁系统和谐波励磁系统等。我们以自并励励磁系统为例简述其基本配置，自并励励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、灭磁装置等组成。励磁变压器主要为励磁系统提供励磁能源，对于自并励励磁系统的励磁变压器一般不设自动开关，但一般要配置过电流保护和温度保护，且励磁变压器高压侧接线必须包括在发电机的差动保护范围之内；可控硅整流桥采用相控方式，对于三相全控桥，当负载为感性负载时，控制角在0°~90°之间为整流状态，控制角在90°~150°之间为逆流状态，当发电机负载发生变化时，通过改变可控硅的控制角来调整励磁电流的大小，以保证发电机的机端电压恒定；自动励磁调节器测量发电机机端电压并与给定值进行比较，当机端电压高于给定值时，增大可控硅的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值，当机端电压低于给定值时，减小可控硅的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值；灭磁装置主要是把转子励磁绕组中的磁场储能尽快地减弱到尽可能小的程度，因此，在断开励磁电源开关的同时，还应将转子励磁绕组自动接入到放电电阻或其他吸能装置上，把磁场中储存的能量迅速消耗掉。
3调节器的冗余配置
调节器的冗余配置首先是模式冗余，在正常运行方式下，励磁系统采用自动电压调节方式（AVR）运行，在励磁用PT故障或试验的情况下则选择自动电流调节方式运行，在南瑞NES 5100系统中还配置了定角度、功率因数、无功闭环的调节方式，这是最基本的调节器调节方式冗余配置，大大提高了励磁系统的可靠性。
其次是调节通道的冗余配置，现代励磁系统一般采用双通道甚至外加备用通道配置，每个通道均可独立运行，在一个通道为主运行的过程中，另一个通道仅用来跟踪主通道的运行而不参与控制，在主用通道故障时自动切换至另外一个通道，再故障的情况下切换至备用通道。比如GE公司的EX2100励磁系统，其主控模块由三套相互独立的主控模块M1、M2、C组成，插在主板的三个独立分区内，各分区皆由控制电源模块独立供电，其中M1、M2的结构完全一致，用于实现各项调节、控制功能，一般一个工作，一个备用，操作员可以通过HMI界面对M1、M2进行选择、切换，C的结构略有不同，其仅用来监控M1、M2的工作状态，不具备控制功能，它的主要功能是监控M1、M2的工作，发现问题就发令切换至备用，所有的输入输出信号均经三者表决；南瑞公司的NES 5100励磁系统则通常配置两个独立的控制单元，每个控制单元均为一个独立的调节通道，可独立承担所有的励磁调节任务，互不共用，互不干扰，从套跟踪主用通道的运行，处于热备用状态，组成冗余的两通道系统，任一套控制单元故障时不会影响其他控制单元的正常工作。
4功率柜的冗余配置
利用电力半导体可以进行电能的变换，其中整流电路可将交流电能转变成直流电供给直流负载，同步发电机的半导体励磁是半导体整流技术在电力工业方面的一项重要应用，将发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务，对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路，除了将交流变换成直流的正常任务外，在需要迅速减磁时还可以将储存在转子磁场中的能量经全控桥迅速反馈给交流电源，进行逆变灭磁。
功率柜的冗余配置是必须的。常用的配置方式用两种，第一种称为N-1方式，第二种称为N+1方式。
所谓N-1方式，就是指多柜并联的功率柜数量比实际需要的数量多一个，也就是实际选择的功率柜数量N=需要数量+1个。这样，当一个功率柜故障退出运行时，剩余的功率柜依然能够满足励磁系统的所有运行工况要求（包括强励），不影响系统的正常运行，提高其运行可靠性。
常用的N+1模式由两种，第一种是简单的N+1模式，就是调节器、脉冲控制器、脉冲放大器以及脉冲变采用冗余方式，正常运行时，只有一个通道工作和一个脉冲变工作，另一个备用；另外一种N+1模式，是典型的TWIN模式，即不仅调节器、脉冲控制器冗余，并且功率柜数量比实际需要的数量多一倍或者两倍，也就是实际选择的功率柜数量N等于需要数量乘以1或2，正常运行时，一套调节器带功率柜运行，另一套调节器和功率柜处于热备用，但是不输出，只有当运行调节器和功率柜故障时，则自动切换到备用调节器和功率柜。
5灭磁装置冗余配置
灭磁系统的任务是尽快消灭磁场能量，使发电机机端电压消失，在事故的情况下使事故的损失降低到最小。灭磁系统的主要要求有（1）在发电机内部发生短路时，灭磁时间应尽量短；（2）在灭磁过程中，转子绕组两端产生的过电压应在绕组绝缘允许的范围内。
所谓冗余灭磁，是指同时采用两种或者两种以上的方法灭磁。如在交流、直流侧分别设置开关，在灭磁的过程中同时分断、同时建压，在跳开灭磁开关的同时封锁脉冲，利用封脉冲后可控硅续流形成的交流电压辅助灭磁等，这类灭磁方式的好处是当一种灭磁方式不能正常工作时，另外的灭磁方式仍能够可靠地实现灭磁，当各种灭磁方式均正常工作时，可以大大降低对开关的要求，如三峡电厂的灭磁设计甚至可以在两重以上故障的情况下实现可靠灭磁。
实现交、直流冗余灭磁的方法有多种，但不同的方法结果可能相差会很大，或者需要更高性能的交、直流灭磁开关来作为必要的保障。就目前技术而言，采用以下的灭磁时序可以最大限度地降低对交直流灭磁开关的要求，实现多种工况下的可靠灭磁，即：正常情况下采用逆变灭磁，故障情况下首先采用约1-2个调节器控制周期的逆变灭磁，然后采用硬件封脉冲手段闭锁调节器输出脉冲，有交流灭磁开关的可同时跳交流灭磁开关，最后延时6到7毫秒跳直流灭磁开关。
6总结
随着发电机单机容量越来越大，励磁系统的稳定性也越来越重要，就现状而言，市场上主流的励磁系统在调节器配置和功率柜配置方面都已做到冗余配置，这也大大提高了电力系统的稳定性。
参考文献
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[2]李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用[M] . 中国电力出版社 2002
[3]黄耀群等. 同步电机现代励磁系统及其控制. 成都科技大学出版社. 1993