1 中国核电励磁应用背景
2016年我国共投运7台核电机组，截至2016年12月31日，我国已投入商业运行的核电机组共35台，运行装机容量占全国电力装机约2.04%。其中核电机组励磁系统ASLTOM占比52%（18台核电机组），ABB占比31%（11台核电机组），三菱占比11%（4台核电机组），南瑞电控占比6%（2台俄罗斯励磁改造机组）。综上，核电机组励磁系统97%采用进口设备，在设备运行维护期间存在如下主要问题：专业技术人员技能有待进一步提高；厂家技术支持无法满足现场需求；备品备件厂家停产，给机组安全稳定运行带来新的挑战。
随着大容量核电机组相继投产，对核电机组励磁系统和电网带来新的问题：主变压器合应涌流导致相邻机组功率波动问题；电力系统稳定面临新的挑战；继电保护与安全自动装置的配合问题。
台山核电作为世界上最大核电机组，对于励磁系统安全稳定性的要求更加苛刻，如何能消化、引进、吸收国外的先进技术和理念，使中国的励磁系统站在世界的前沿，成为我们每一个电力科技工作者奋斗的目标。
2 中国核电励磁系统典型设计
本节通过福清核电CPR100、三门核电AP1000、台山核电EPR1760三种励磁原理和典型设计进行综合对比，让我们认识1760MW超大型机组励磁系统先进性、灵活性、简洁性的设计风格，为我们从事励磁自主国产化提供更好的发展方向。
2.1 福清核电CPR1000励磁系统原理和典型设计
福清核电采用M310+堆型的福清核电站，其1150MW半速汽轮发电机组励磁系统采用由接于发电机机端励磁变压器供电的无刷励磁系统。
2.1.1 发电机励磁系统基本结构
福清核电励磁系统由励磁变、交流励磁机、旋转整流装置、励磁调节器四部分构成，采用TKJ167-45型悬挂式无刷励磁机，从机械结构方面虽然在机组励磁系统中采用了无刷结构的主励磁机，但是从电气方面而言，由于主励磁机的励磁功率取自接在发电机机端的励磁变压器，为此从励磁系统电气定义取向，此励磁系统应属于自励励磁系统。
2.1.2 励磁调节器基本原理
福清核电汽轮发电机采用了ALSTOM公司P320 V2型励磁调节器，是一个三通道励磁控制系统。两个自动/手动调节器，分别控制一个整流桥；第三通道只有手动调节器，可以同时控制两个桥。在正常运行情况下，一个自动调节器带一个整流桥，另一个整流桥不出力。当两个自动通道都退出运行，第三通道同时控制两个整流桥。因额定电流约为100A，因此可使用整流桥冷备用。此励磁调节器采用全冗余双自动通道形式配置。在正常工况下，自动通道带100%负载运行，另一通道备用。
（1）励磁调节器对外通讯网络。励磁调节器与DCS接口功能采用常规硬接线方式，光纤网络通讯作为备用方式实现将软报文上传至DCS；硬接线方式实现励磁调节器的四遥（遥控/遥调/遥信/遥测）功能，所有遥控和测量通过硬接线完成。光纤网络通讯采用了TGC和AVR的一体化设计，其通讯网络相对较复杂。其中，F8000是Worldfip现场总线，在AVR和TGC及TGC各控制器之间交换运行数据。S8000是以太网，与工程师站和外部DCS交换信息。Office网络也是以太网，用以程序调试期间连接工程师站的客户机，不影响运行。
（2）发电机建压启动方式。
正常励磁：正常运行工况下励磁电源取自机端励磁变压器的二次侧。
起励：起励回路用于自励发电机系统。发电机每次启机冲转时机端电压仅为相对很低的剩磁电压，达不到励磁调节器的工作要求，因此配置一路125VDC起励电源。初励电源在启机后发电机转速大于95%额定转速时投入，提供15%的额定空载励磁电流（此比例值可根据发电机的型号来设定），当机端电压达到35%额定电压时自动退出。正常情况下起励时间小于15秒，若投入起励15秒后仍未达到目标电压，则自动跳励磁开关。
强励：一路230V直流电源作为强励电源。在机端电压突然急剧下降（小于70%）的情况下，此时励磁变压器的输出电压可能达不到励磁调节器的电压要求。为了维持电力系统的稳定性，AVR通过独立的强励回路给发电机转子提供高达1.8倍的额定励磁电流。当机端电压返回到额定值后则立即退出强励。若5S内机端电压仍然没有恢复到额定值，此时为了避免相关一次设备受到损坏，励磁调节器自动退出强励。在发电机定子绕组短路的情况下，也有必要启动强励来在短时间内维持一个高的短路电流，目的是确保发电机保护可靠动作。
2.1.3 福清核电励磁系统主设备基本参数
在使用M310+改进型二代压水堆反应堆技术的福清核电、宁德核电、方家山核电、红沿河核电汽轮发电机组励磁系统中，有关参数标么基值按下列定义选取：
（1）发电机有功和无功功率，按发电机额定视在功率为1278MVA计算。
（2）发电机定子额定电压基值为24kV。
（3）发电机励磁电流基值为，当发电机电压为空载额定电压值所需的励磁电流值，其值为2189A。
（4）发电机励磁电压基值为，当发电机励磁电流为标么基值，流过发电机励磁绕组，当温度为100℃时，绕组电阻为0.08127Ω，按IEEEstd.421.1规定为175V。
（5）励磁机励磁电流基值为，当使发电机产生空载额定电压时，励磁机所需励磁电流值，此值为59.94A。
（6）励磁机励磁电压基值：当励磁机励磁绕组流过励磁电流等于标么基值，励磁绕组温度为100℃时的绕组电阻为1.0822Ω，按IEEEstd.421.1规定为53.06V。
2.2 三门核电AP1000励磁系统原理
三门核电站1407MVA半速汽轮发电机组是世界上首座采用非能动反应堆AP-1000的核电机组，1407MVA汽轮发电机组励磁系统采用ABB Unitrol-6800静态自并励励磁系统。励磁调节器基本原理如下：
2.2.1 基本功能
三门核电励磁雄由三通道构成，其中两套等同的AVR自动通道提供100%的自动冗余、另一套后备的手动通道FCR提供100%的手动冗余度，正常运行时三个通道只有一个通道处于运行状态。
在AVR自动运行情况下可提供所有的控制、限制监测和保护功能、手动控制BFCR系作用自动AVR的后备，主要用于系统调试和维护。
一旦正常运行中的一套AVR1自动通道发生故障时，如故障系统继续将按下列程序进行通道切换AVR1→ACR2→FCR1→FCR2→BFCR→跳闸，相应逻辑切除。
双通道AVR、FCR自动励磁调节器原理：当两个自动通道故障时，将有FCR提供后备手动磁场电流调节通道。此通道还包括1个反时限过电流保护，信号取自励磁变压器一次侧或二次侧电流互感器。
闭环控制功能。此功能包括：具有PID滤波器的自动电压调节器、具有PI滤波器的手动自动励磁电流调节器，以及最大、最小励磁电流限制器、P/Q和V/Hz限制器等。根据用户要求可提供标准的PSS2A/2B以及PSS 4B等电力系统稳定器。
2.2.2 对外通讯网络
控制通道与整流器之间的通讯：励磁调节器各控制通道之间及功率整流器接口之间的光纤数据通信链接。全方位的通信链接可满足于各种工况下实现逻辑程序的需要。
2.2.3 发电机起励建压方式
（1）正常励磁：正常运行工况下励磁电源取自机端励磁变压器的二次侧。
（2）起励方式：对采用静态自励励磁系统的发电机，在建立初始电压是通常需外部附加以较小的初始励磁电流。
（3）由其励回路建立发电机电压程序为：合发电机励磁断路器；发投励磁指令；如发电机电压未上升合起励回路接触器；发电机开始升压；触发发电机功率整流器中晶闸管通道；跳起励接触器，退出起励回路；软起励控制软件功能使发电机端电压平稳达到额定值。
（4）强励：事故运行工况下励磁电源取自机端励磁变压器的二次侧。
2.3 台山核电EPR1750MW励磁系统原理和典型设计
台山核电采用世界上最先进的EPR三代堆型，安全性能更高。发电机采用1750MW发电机组，励磁系统采用ALSTOM生产的P320 V3励磁系统。
2.3.1 发电机励磁系统基本结构
台山核电励磁系统由励磁变、交流励磁机、旋转整流装置、励磁调节器四部分构成，采用TKJ175-45型悬挂式无刷励磁机，结构设计与福清核电CPR1000相同，但由于台山核电容量更大，励磁机结构设计也存在较大差异，TKJ175-45型悬挂式励磁机依然采用阿尔斯通悬挂式励磁机组。励磁调节器采用更先进、简洁、灵活的双通道一主一备设计。
2.3.2 励磁调节器基本功能
台山核电励磁系统由两个相同的电压调节器组成，调节器1和调节器2，它们都带有集成的励磁电流调节器，每个调节器都有电源和数字晶闸管触发模块，工作通道故障导致系统切换到备用通道，跟踪功能允许通道间平滑转换。此结构具有两个相同自动调节器，集成的电流调节器全冗余保证电力系统最大可靠性。
如果使用冗余晶闸管整流桥，每个调节器可以控制其中一个整流桥（调节器和整流桥之间独立冗余）。
2.3.3 对外通讯网络
励磁调节器与DCS接口功能采用双光纤通讯方式，取消了常规硬接线方式。光纤网络实现将软报文上传至DCS，实现励磁调节器的四遥（遥控/遥调/遥信/遥测）功能，所有遥控和测量通过通讯来完成。光纤网络通讯采用了TGC和AVR的一体化设计，其通讯网络相对较复杂。其中，F8000是Worldfip现场总线，在AVR和TGC及TGC各控制器之间交换运行数据。S8000是以太网，与工程师站和外部DCS交换信息。Office网络也是以太网，用以程序调试期间连接工程师站的客户机，不影响运行。
2.3.4 发电机起励建压方式
（1）励磁系统电源。发电机励磁所需的电源是由连接到发电机出口的励磁变压器来供电。
1）励磁电流由并励励磁变压器供电。
2）在正常运行状态下，励磁变压器由发电机直接供电，磁场电流由励磁变压器次级绕组供电。晶闸管整流桥磁场电流的平均值来控制发电机电压。在启动过程中，发电机的剩磁不足以产生输出电压。如果励磁变压器不能提供电流，转子就由直流或带整流的外部的交流电源来供电。这个辅助励磁系统通常被称作“起励回路”。
3）励磁变压器需要由连接到它的一次绕组的继电器来保护它发生短路。一旦发生故障，机组会跳开。发电机断路器和磁场断路器断开。
（2）起励回路。起励功能通常用在并励励磁系统。起励回路在发电机启动阶段向转子磁场提供电流。该电流可以由直流蓄电池或者通过可整流的交流电源来提供，这个电源一般设计成能够提供20%以上的发电机转子空载磁场电流，起励回路在发电机电压达到20%的额定电压时起励接触器断开。
（3）强励回路。
1）当定子电压下降时，励磁回路可能没有能力供给励磁系统所需的励磁电源。在这种情况下，强励回路会在数秒内通过220V直流辅助电源提供满足要求的电源。强励时，可以允许励磁顶值电流的出现。
2）该功能只允许在自动电压调节及发电机并网运行期间投入。
3）当发电机电压下降至低于先前设定的预先设定的阀值，通过产生脉冲（闭合脉冲）给励磁晶闸管激活强励。在一段预定的时间后通过断开强励开关及阻断脉冲来停止强励。
4）在停止后，强励在预定的时间周期内被禁止。
3 结语
目前，台山核电EPR1750MW发电机组是世界上最大的发电机组，发电机励磁系统设计具有发电机励磁结构设计简单、励磁调节器设计简单、应用简洁、造价低廉、通讯方式简单、节约成本等主要特点，值得广大科技工作者在励磁系统自主化发展方向去深入学习和研究。
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