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摘要：本文通过对NES6100系列励磁调节系统在三机无刷励磁系统发电机组调试过程中出现的过压故障及采样错误进行分析和讨论，并结合积累的运行经验，对其故障诊断技术所存在的问题及其特点进行深入性的探讨。
关键词：励磁系统;触发角;励磁采样;无功波动。
发电机励磁系统是发电机的重要组成部分，它对发电机自身及电力系统安全稳定运行，起着重要的作用。我公司发电机励磁系统目前采用某汽轮机励磁调节器，该系统为2010年投运，已经运行10年。因寿命到期在近几年运行期间，该励磁系统故障频繁。
针对以上问题，也全方位与使用某汽轮机机组的兄弟厂家技术交流，大部分厂家存在的问题与我公司相同，部分单位已经更换了其他厂家的励磁系统，为解决励磁系统目前存在的问题，确保发电机组大修后机组安全、稳定运行。建议利用大修期间，对励磁系统整体升级改造。
根据南瑞励磁系统生产现场考察，南瑞励磁系统在国内使用业绩较突出，南瑞集团从研发、设计、生产、售后等综合实力在国内排名超前，南瑞励磁系统质量可靠，稳定性较强。相同容量机组励磁系统价格约20万元左右，与某汽轮机配套励磁系统对比，其性价比较高。为了确保发电机组大修后，励磁系统安全稳定运行;综合考虑，本次改造优先选用南京南瑞第四代NES6100系列励磁调节系统。
我公司发电机组励磁系统利用大修机会将原来发电机厂家武汉长江动力设备厂配套励磁DEC-2000系列励磁系统改为南瑞电控NES6120励磁系统。改造后调试及运行过程中异常现象分析。
一、 初次并网，无功增加迅速，无功采样不准，造成发电机组解列。
1）现象
2021年3月25日开机并网时，当机组转速达到3000转后并网，并网后无功迅速增加，导致10KV进线过流保护动作，发电机组解列，修改限制参数后，并网，发现有功、无功采样不准确。
2）原因分析
① 当机组并网后，励磁系统的无功采样值是错的，低励限制一直在动作，不断的增大励磁电流，实际的无功迅速增加，导致发电机变压器侧过流保护动作，发电机组解列。第二次启机时，低励限制动作后，调节器会自动增磁，使无功保持在低励限制的曲线内。在并网后，无功采样在低励限制曲线外侧，低励限制一直在动作，调节器在增磁，触发角度在变小，不断的增大励磁电流，导致发电机变压器侧过流保护动作，发电机组解列。
② 发电机解列后，车间负责对励磁系统外部接线全部檢查，厂家人员对内部接线进行排查，在确认没问题后，与3月26日早再次并网，将限制功能退出后，并网，发现有功、无功采样不准确，电气保护测控系统有功无功采样正确，都为正值，停机后检查，发现装置本体两块模拟量板接反，型号为RP3425，调换模拟量板后，有功无功采样恢复正常，但发现同步采样不准，怀疑板件损坏，从厂里带新的板件进行更换，问题解决。
NSE6120装置有2块模拟量板，板1对同步电压、转子电流采样，板2对定子电压、定子电流采样，现场检查发现同步相位存在问题，两块模拟量板顺序插反。两个板件的通道都有采样功能，定子电流和定子电压的采样和计算有错误，相位与实际有偏差，最终计算出来的有功、无功不对。
二、发电机并网后，无功波动大。
1）现象
并网后，在电压闭环模式下，有功上下波动，无功跟着有功的波动而波动，且有时无功波动幅度较大，功率因数超出限制，需要手动增减磁控制。在增减有功的过程中，功率因数报警频繁，在无功环运行模式下，无功较为稳定，但是增减磁反应比较慢。
2）原因分析
NES6120励磁调节器包含两套调节装置，每个装置又包含电压闭环（自动方式）、转子电流闭环（手动方式）、无功环、功率因素环。当在电压闭环下时以机端电压为控制量，当电压给定不变，机端电压低于电压给定时，触发角度减小以增大转子电流提高机端电压;机端电压高于电压给定时，触发角度增大以减小转子电流降低机端电压。当在无功闭环下时以无功为控制量，在电压闭环的基础上，叠加一个无功环的输出量，以此来稳定机组的无功功率。
1）励磁厂家调试人员在并网后，检测到阳极输入电压（永磁机）只有130V，永磁机铭牌上标注的时212V，调根据实际情况修改机组参数，并网后，由于内部变量UK输出与该参数有关系，输出内部变量UK值受到影响，无功波动较大。
2）在电压闭环控制下运行时，当机组有功发生一定的波动或者大功率设备启停等工况时，会引起机端电压的波动，为了稳住机端电压，触发角度会发生变化，从而使转子电流和无功产生波动，由于机组容量较小，电压闭环下，机端电压波动不大，无功受到的影响较大。
3）三机的PID参数对电压闭环控制效果有一定的影响，合适的比例、积分、微分值，能够有效改善阶跃试验的超调量和响应时间，提高控制的稳定性，在电压环下无功波动主要还是PID参数调整不合适。
4）无功环控制即无功功率恒定控制，是附加在电压恒定控制环节上，通过电压闭环的调节过程发挥作用。励磁调节器将当前无功功率与设定的无功功率相比较，得出差值信号，经调节环节后输出叠加信号到电压给定值。调节器中设置了调节死区，以防止参考电压跟随无功功率输出的微小波动而不断改变。新程序开放了无功增减步长、无功环增减磁间隔时间、无功环控制积分等参数，可以加大无功环下增减磁的速度。在无功环模式下运行，运行时的无功功率相对稳定，机端电压会在一定的范围内波动。
3）处理办法
1）3月26日并网后，调整内部变量UK的输出值后，厂家调试人员将控制模式修改为无功环运行模式，无功控制有明显的改善，但人为无功调节步长太短，1S增加100无功，应急时人为调节存在不及时问题，3月31日在更改PID参数后，调整为电压环运行。
2）目前发电机励磁系统在机端电压模式下运行，无功功率波动控制在±500以内，内部无功限制保护全部投入，不存在过励欠励隐患。 3）5月9日停机时，对现有程序版本进行升级，将无功环调节速率完善，还是使用无功环运行，稳定无功功率控制。
三、零起升压，机端电压无法升到额定。
1）具体现象
2020年3 月26 日开机，当机组转速达到3000 转后，对永磁机输出电压进行测量为210V，频率为400Hz。通过修改工控机励磁软件界面投入零起升压功能，现地建压，随后现地手动增磁增加电压给定，发现随着机端电压的上升，触发角度下降迅速。当触发角度下降到60 度时，机端电压达到70%，励磁电压、励磁电流及触发角发生异常，调节器自动逆变。怀疑是续流回路问题，
主回路如下图：
2）原因分析
单相整流励磁，续流电阻一般取转子电阻的10 倍左右，此励磁系统续流电阻为12 只100Ω/200W 电阻四并三串，最终续流电阻阻值为75Ω。其中在正极串联二极管，以防止励磁机转子电流与续流电阻形成回路，可控硅因无法维持最小工作电流而关断。用万用表电阻档量二极管正向电阻为125KΩ，反向电阻为1.041MΩ，二极管档量正向压降为0.66V 可见二极管正常，但因其正向电阻过大，失去为维持单相全控桥正常工作的续流作用。建压后单相全控桥接受调节器所发脉冲开始整流，由于励磁机转子感性作用，可控硅无法正常的开启与关断，导致整个整流装置无法正常工作。设计中单相全控桥的续流电阻串联二极管采用的是三相全控桥中频整流桥的方案，且在此励磁系统为首次应用。由于厂内无法模拟转子，该方案只能在现场进行动态验证。
3）检验方法
将整流柜去励磁机的电缆拆除，甩开二极管，调节器在开环状态下做整流装置的小电流试验。整流装置能够正常工作，输出直流电压正确，问题解决。
总结：励磁系统作为发电站的重要设备，能否正常工作，直接影响到发电站的安全、经济和稳定运行。当励磁系统出现故障时，要根据机组是否第一次启励建压，认真分析启励前后的有关测量参数、信号指示及其变化情况和系统故障、机组有关保护动作情況，以合理确定检查的重点和步骤，达到快速处理故障的目的。
参考文献
[1]武庭会.发电机机组无功功率输出波动原因分析及对策[J].冶金动力，2015（10）：10-12.
[2]何开教，方鸽飞，刘荣.发电机励磁系统调节参数对电力系统动态电压稳定的影响[J].机电工程，2012，29（01）：94-96+103.
[3]竺士章，陈新琪.励磁系统的过励限制和过励保护[J].电力系统自动化，2010，34（05）：112-115.
关键词：励磁系统;触发角;励磁采样;无功波动。
发电机励磁系统是发电机的重要组成部分，它对发电机自身及电力系统安全稳定运行，起着重要的作用。我公司发电机励磁系统目前采用某汽轮机励磁调节器，该系统为2010年投运，已经运行10年。因寿命到期在近几年运行期间，该励磁系统故障频繁。
针对以上问题，也全方位与使用某汽轮机机组的兄弟厂家技术交流，大部分厂家存在的问题与我公司相同，部分单位已经更换了其他厂家的励磁系统，为解决励磁系统目前存在的问题，确保发电机组大修后机组安全、稳定运行。建议利用大修期间，对励磁系统整体升级改造。
根据南瑞励磁系统生产现场考察，南瑞励磁系统在国内使用业绩较突出，南瑞集团从研发、设计、生产、售后等综合实力在国内排名超前，南瑞励磁系统质量可靠，稳定性较强。相同容量机组励磁系统价格约20万元左右，与某汽轮机配套励磁系统对比，其性价比较高。为了确保发电机组大修后，励磁系统安全稳定运行;综合考虑，本次改造优先选用南京南瑞第四代NES6100系列励磁调节系统。
我公司发电机组励磁系统利用大修机会将原来发电机厂家武汉长江动力设备厂配套励磁DEC-2000系列励磁系统改为南瑞电控NES6120励磁系统。改造后调试及运行过程中异常现象分析。
一、 初次并网，无功增加迅速，无功采样不准，造成发电机组解列。
1）现象
2021年3月25日开机并网时，当机组转速达到3000转后并网，并网后无功迅速增加，导致10KV进线过流保护动作，发电机组解列，修改限制参数后，并网，发现有功、无功采样不准确。
2）原因分析
① 当机组并网后，励磁系统的无功采样值是错的，低励限制一直在动作，不断的增大励磁电流，实际的无功迅速增加，导致发电机变压器侧过流保护动作，发电机组解列。第二次启机时，低励限制动作后，调节器会自动增磁，使无功保持在低励限制的曲线内。在并网后，无功采样在低励限制曲线外侧，低励限制一直在动作，调节器在增磁，触发角度在变小，不断的增大励磁电流，导致发电机变压器侧过流保护动作，发电机组解列。
② 发电机解列后，车间负责对励磁系统外部接线全部檢查，厂家人员对内部接线进行排查，在确认没问题后，与3月26日早再次并网，将限制功能退出后，并网，发现有功、无功采样不准确，电气保护测控系统有功无功采样正确，都为正值，停机后检查，发现装置本体两块模拟量板接反，型号为RP3425，调换模拟量板后，有功无功采样恢复正常，但发现同步采样不准，怀疑板件损坏，从厂里带新的板件进行更换，问题解决。
NSE6120装置有2块模拟量板，板1对同步电压、转子电流采样，板2对定子电压、定子电流采样，现场检查发现同步相位存在问题，两块模拟量板顺序插反。两个板件的通道都有采样功能，定子电流和定子电压的采样和计算有错误，相位与实际有偏差，最终计算出来的有功、无功不对。
二、发电机并网后，无功波动大。
1）现象
并网后，在电压闭环模式下，有功上下波动，无功跟着有功的波动而波动，且有时无功波动幅度较大，功率因数超出限制，需要手动增减磁控制。在增减有功的过程中，功率因数报警频繁，在无功环运行模式下，无功较为稳定，但是增减磁反应比较慢。
2）原因分析
NES6120励磁调节器包含两套调节装置，每个装置又包含电压闭环（自动方式）、转子电流闭环（手动方式）、无功环、功率因素环。当在电压闭环下时以机端电压为控制量，当电压给定不变，机端电压低于电压给定时，触发角度减小以增大转子电流提高机端电压;机端电压高于电压给定时，触发角度增大以减小转子电流降低机端电压。当在无功闭环下时以无功为控制量，在电压闭环的基础上，叠加一个无功环的输出量，以此来稳定机组的无功功率。
1）励磁厂家调试人员在并网后，检测到阳极输入电压（永磁机）只有130V，永磁机铭牌上标注的时212V，调根据实际情况修改机组参数，并网后，由于内部变量UK输出与该参数有关系，输出内部变量UK值受到影响，无功波动较大。
2）在电压闭环控制下运行时，当机组有功发生一定的波动或者大功率设备启停等工况时，会引起机端电压的波动，为了稳住机端电压，触发角度会发生变化，从而使转子电流和无功产生波动，由于机组容量较小，电压闭环下，机端电压波动不大，无功受到的影响较大。
3）三机的PID参数对电压闭环控制效果有一定的影响，合适的比例、积分、微分值，能够有效改善阶跃试验的超调量和响应时间，提高控制的稳定性，在电压环下无功波动主要还是PID参数调整不合适。
4）无功环控制即无功功率恒定控制，是附加在电压恒定控制环节上，通过电压闭环的调节过程发挥作用。励磁调节器将当前无功功率与设定的无功功率相比较，得出差值信号，经调节环节后输出叠加信号到电压给定值。调节器中设置了调节死区，以防止参考电压跟随无功功率输出的微小波动而不断改变。新程序开放了无功增减步长、无功环增减磁间隔时间、无功环控制积分等参数，可以加大无功环下增减磁的速度。在无功环模式下运行，运行时的无功功率相对稳定，机端电压会在一定的范围内波动。
3）处理办法
1）3月26日并网后，调整内部变量UK的输出值后，厂家调试人员将控制模式修改为无功环运行模式，无功控制有明显的改善，但人为无功调节步长太短，1S增加100无功，应急时人为调节存在不及时问题，3月31日在更改PID参数后，调整为电压环运行。
2）目前发电机励磁系统在机端电压模式下运行，无功功率波动控制在±500以内，内部无功限制保护全部投入，不存在过励欠励隐患。 3）5月9日停机时，对现有程序版本进行升级，将无功环调节速率完善，还是使用无功环运行，稳定无功功率控制。
三、零起升压，机端电压无法升到额定。
1）具体现象
2020年3 月26 日开机，当机组转速达到3000 转后，对永磁机输出电压进行测量为210V，频率为400Hz。通过修改工控机励磁软件界面投入零起升压功能，现地建压，随后现地手动增磁增加电压给定，发现随着机端电压的上升，触发角度下降迅速。当触发角度下降到60 度时，机端电压达到70%，励磁电压、励磁电流及触发角发生异常，调节器自动逆变。怀疑是续流回路问题，
主回路如下图：
2）原因分析
单相整流励磁，续流电阻一般取转子电阻的10 倍左右，此励磁系统续流电阻为12 只100Ω/200W 电阻四并三串，最终续流电阻阻值为75Ω。其中在正极串联二极管，以防止励磁机转子电流与续流电阻形成回路，可控硅因无法维持最小工作电流而关断。用万用表电阻档量二极管正向电阻为125KΩ，反向电阻为1.041MΩ，二极管档量正向压降为0.66V 可见二极管正常，但因其正向电阻过大，失去为维持单相全控桥正常工作的续流作用。建压后单相全控桥接受调节器所发脉冲开始整流，由于励磁机转子感性作用，可控硅无法正常的开启与关断，导致整个整流装置无法正常工作。设计中单相全控桥的续流电阻串联二极管采用的是三相全控桥中频整流桥的方案，且在此励磁系统为首次应用。由于厂内无法模拟转子，该方案只能在现场进行动态验证。
3）检验方法
将整流柜去励磁机的电缆拆除，甩开二极管，调节器在开环状态下做整流装置的小电流试验。整流装置能够正常工作，输出直流电压正确，问题解决。
总结：励磁系统作为发电站的重要设备，能否正常工作，直接影响到发电站的安全、经济和稳定运行。当励磁系统出现故障时，要根据机组是否第一次启励建压，认真分析启励前后的有关测量参数、信号指示及其变化情况和系统故障、机组有关保护动作情況，以合理确定检查的重点和步骤，达到快速处理故障的目的。
参考文献
[1]武庭会.发电机机组无功功率输出波动原因分析及对策[J].冶金动力，2015（10）：10-12.
[2]何开教，方鸽飞，刘荣.发电机励磁系统调节参数对电力系统动态电压稳定的影响[J].机电工程，2012，29（01）：94-96+103.
[3]竺士章，陈新琪.励磁系统的过励限制和过励保护[J].电力系统自动化，2010，34（05）：112-115.