戴宗泉

（陜西省地方電力水電有限公司，陜西 西安 710061）

小型水電站目前在運(yùn)行過程中普遍存在無功功率欠缺，以及小水電集中時功率難以送出的問題。小型水電站要送出功率必須具有比母線高的電壓，如果水輪機(jī)組集中，就會導(dǎo)致母線電壓過高，造成電站無功相對不足，同時無功負(fù)荷缺額大，有功功率消耗也非常大。產(chǎn)生這個問題的一個重要的原因是勵磁系統(tǒng)選擇不當(dāng)，發(fā)電機(jī)的無功不能達(dá)到額定值，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的無功達(dá)不到考核要求。另外由于小機(jī)組經(jīng)過長距離輸電線路與電網(wǎng)連接，線路對地電容可能引起同步發(fā)電機(jī)的自勵磁現(xiàn)象，可能引起系統(tǒng)振蕩導(dǎo)致機(jī)組解列。上述問題的產(chǎn)生均與勵磁系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。本文從勵磁方式及功率回路、勵磁功能和勵磁調(diào)節(jié)器三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方面分析勵磁系統(tǒng)對水輪機(jī)組運(yùn)行的影響。

1 勵磁方式及功率回路

同步發(fā)電機(jī)的勵磁方式大致可分為三類，即直流勵磁機(jī)勵磁方式、交流勵磁機(jī)勵磁方式和靜止可控硅勵磁方式，其中靜止可控硅勵磁又分為自復(fù)激和自并激兩種方式。

直流勵磁機(jī)勵磁方式具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，但其維護(hù)工作量大，調(diào)節(jié)時間常數(shù)大，不適宜在小水電站使用。交流勵磁機(jī)勵磁方式具有可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其調(diào)節(jié)速度較慢，維護(hù)工作量大，需要增加機(jī)組主軸長度，且在發(fā)電機(jī)出口或系統(tǒng)母線發(fā)生短路等故障時對電壓的支撐不夠，也不適宜在小水電站使用。靜止可控硅勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度快，且在發(fā)電機(jī)出口或系統(tǒng)母線發(fā)生故障時對電壓具有較好的支撐作用，尤其是自并激勵磁方式由于沒有旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)備構(gòu)成相對簡單，且具有可靠性高、時間常數(shù)小、勵磁調(diào)節(jié)速度快以及造價低、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此小型水電站應(yīng)優(yōu)先采用這種勵磁方式。

目前小型水電站常見的自并激靜止性勵磁功率回路有三相半控橋和三相全控橋兩種。半控橋結(jié)構(gòu)簡單，但是可控硅脈沖消失后，容易失控，電壓升高，當(dāng)發(fā)電機(jī)組需要停機(jī)時，不能將轉(zhuǎn)子的能量回饋。因此勵磁系統(tǒng)比較適合的主回路為三相全控橋，其電路具有六個可控硅元件，三個共陰極，三個共陽極。在正常工作時，通過觸發(fā)角的控制使勵磁系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)。在發(fā)生事故時，可以進(jìn)行強(qiáng)勵等，使機(jī)組能夠發(fā)出較高的電壓。

利用三相全控橋電路的逆變特性，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)突然解列時，使整流橋進(jìn)入逆變狀態(tài)，可快速地將儲存在轉(zhuǎn)子回路的磁場能量回饋給電網(wǎng)，有效地抑制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的上升，改善發(fā)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行條件。此外，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時，利用逆變滅磁，可快速地將機(jī)端電壓降為0，而不需跳滅磁開關(guān)，滅磁開關(guān)只在機(jī)組事故時跳開。這樣可大大減少滅磁開關(guān)的跳合次數(shù)，延長使用壽命。

在豐水期，機(jī)組通常滿額發(fā)電，如果原有勵磁繞組的散熱容量沒有余量，為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓過高的發(fā)電要求，必然使勵磁繞組溫升超限，從而影響機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。這個問題在洋縣蕎麥山電站比較明顯，由于受到勵磁繞組溫升的限制，采用增加勵磁電流來增大無功輸出的各種方案，均收效有限。因此，首先應(yīng)提高勵磁繞組的溫升限制，再通過增加勵磁電流來提高無功功率。在電磁設(shè)計(jì)時，按增大后的勵磁電流來設(shè)計(jì)勵磁繞組，并將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升控制在允許范圍內(nèi)，使其具有一定的調(diào)節(jié)空間。另外，提高勵磁繞組的絕緣等級也可增大勵磁繞組的溫升限值。若在實(shí)際中難以對勵磁繞組進(jìn)行改造，可采用無功補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀纳茻o功，蕎麥山電站采用無功補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q了無功不足的問題，并在豐水期提高了電站的有功出力。

2 勵磁功能

小水電在正常情況下主要以發(fā)有功和無功為主，在特殊情況下還需要維持機(jī)端電壓，比如電網(wǎng)末端或固網(wǎng)情況下。對于勵磁系統(tǒng)，為了保證無功發(fā)送的正常和機(jī)端電壓的正常，應(yīng)具有以下功能：

恒機(jī)端電壓PID調(diào)節(jié)（自動調(diào)節(jié)的一種），可以實(shí)現(xiàn)良好的并網(wǎng)及維持電壓恒定。小水電站往往處在電網(wǎng)的末端，電網(wǎng)的電壓水平一般較低，需要在勵磁系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)來維持機(jī)端電壓穩(wěn)定。

恒勵磁電流PID調(diào)節(jié)（手動調(diào)節(jié)），在功率及電壓測量信號異常時保證機(jī)組運(yùn)行。在水電自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，繼續(xù)保持水電的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水電的生產(chǎn)效益具有重要作用。

保證機(jī)組無沖擊地進(jìn)行手動/自動切換。機(jī)組在勵磁系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如功率變送器、電壓互感器出現(xiàn)故障，需要由自動控制轉(zhuǎn)換到手動控制時，勵磁系統(tǒng)不能出現(xiàn)大的波動而保持穩(wěn)定運(yùn)行，該功能是系統(tǒng)帶故障運(yùn)行的重要保證。

保證機(jī)組甩負(fù)荷時機(jī)端電壓能迅速穩(wěn)定在額定電壓水平。在系統(tǒng)發(fā)生事故導(dǎo)致系統(tǒng)解列時保證機(jī)組的安全。

恒無功運(yùn)行（自動調(diào)節(jié)的一種），保證機(jī)組發(fā)出無功可控。該功能在機(jī)組正常運(yùn)行時是主要運(yùn)行方式。

無功調(diào)差，正負(fù)調(diào)差可設(shè)定，且調(diào)差大小連續(xù)可調(diào)。由于小型水電機(jī)組位于電網(wǎng)的非末端中，一般需要根據(jù)調(diào)差系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的無功，因此調(diào)差的可調(diào)節(jié)有利于機(jī)組根據(jù)需要調(diào)解無功功率。

限制和保護(hù)功能，對于機(jī)組的安全具有重要作用。一般包括機(jī)組欠勵保護(hù)，防止機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行過深；過勵保護(hù)，防止勵磁系統(tǒng)長時間大電流運(yùn)行損壞發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，從而造成事故；電壓/頻率保護(hù)，主要限制發(fā)電機(jī)端電壓和頻率的比值，防止發(fā)電機(jī)及與其連接的主變壓器由于電壓過高和頻率過低，引起鐵芯飽和發(fā)熱。

PT斷線檢測與保護(hù)、容錯功能，保證機(jī)組在個別信號異常時不停機(jī)，嚴(yán)重信號異常時機(jī)組安全停機(jī)。

3 勵磁調(diào)節(jié)器

在小型水電站中，采用的勵磁調(diào)節(jié)器主要有模擬電路型、基于單片微機(jī)型、基于PLC型、基于DSP型和基于PCC型。

模擬電路型勵磁調(diào)節(jié)器直觀，運(yùn)行時間較長，價格較低，在小型水電站中應(yīng)用較多。但其功能比較單一，往往僅具有端電壓或勵磁電流調(diào)節(jié)功能，幾乎沒有限制保護(hù)功能，性能指標(biāo)也較差，且隨著時間的推移，電路參數(shù)容易發(fā)生漂移，使運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性受到影響。建議進(jìn)行改造。

單片微機(jī)型勵磁調(diào)節(jié)器是目前在水電站中應(yīng)用較多的一種勵磁調(diào)節(jié)器。微機(jī)型勵磁調(diào)節(jié)器一般均設(shè)有完善的最大勵磁限制、過勵磁限制等限制保護(hù)功能，還配置有發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)節(jié)和勵磁電流調(diào)節(jié)功能，且機(jī)端電壓調(diào)節(jié)和勵磁電流調(diào)節(jié)兩種方式之間具有自動跟蹤功能，可實(shí)現(xiàn)無擾動切換，完全可滿足小型水電站的各項(xiàng)運(yùn)行要求。其主要問題是，單片機(jī)外圍電路為各廠家獨(dú)自研制，抗干擾性較差，另外，由于處理速度相對較慢，高速、高精度控制受限。

PLC型勵磁調(diào)節(jié)器是一種基于通用可編程邏輯控制器的勵磁控制設(shè)備，近幾年才開始在水電站中應(yīng)用。由于PLC具有用于順序邏輯控制功能，高可靠性是吸引人們將其引入到勵磁調(diào)節(jié)器中的一種根本原因。但正因?yàn)榇耍琍LC輸入輸出的響應(yīng)速度較慢，不能滿足勵磁控制的需要。由PLC構(gòu)成的勵磁調(diào)節(jié)器一般在PLC前設(shè)有信號變送回路，將要采集的信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號送至A/D模塊，而同步移相觸發(fā)完全由外配的硬件電路完成，成本較高。從目前的使用情況來看，PLC型勵磁調(diào)節(jié)器的動態(tài)性能指標(biāo)較單片微機(jī)型勵磁調(diào)節(jié)器的差，而且需要大量的自制電路，其可靠性也不如預(yù)想的高。

DSP型勵磁調(diào)節(jié)器是一種基于高速處理平臺的勵磁控制器，具有功能完善、可擴(kuò)充性強(qiáng)以及調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn)，適合大中小各類機(jī)組，是一種較好的勵磁調(diào)節(jié)器。其缺陷與單片微機(jī)型勵磁調(diào)節(jié)器類似，外圍電路等由各廠家自行設(shè)計(jì)，因此抗干擾性能較差。

PCC型勵磁調(diào)節(jié)器是一種結(jié)合PLC可靠性和微機(jī)靈活性的勵磁調(diào)節(jié)器，可靠性高、處理速度快，可實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的各種控制和限制保護(hù)功能，適合各種類型的發(fā)電機(jī)組，也是一種較好的勵磁調(diào)節(jié)器。當(dāng)然，PCC勵磁調(diào)節(jié)器與其他的勵磁調(diào)節(jié)器相比較成本較高，很多小型水電站目前還不能接受其價格。

4 結(jié)語

針對小型水電站普遍存在無功不足和功率送出困難等問題，分析了勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)對水輪機(jī)組的影響。小型水電站在配置或更新勵磁系統(tǒng)時，建議勵磁方式采用自并激勵磁，整流回路采用三相全控整流橋，以有效降低發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時的電壓上升值，并減少滅磁開關(guān)的跳合次數(shù)；勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)選用性價比較高的微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器、DSP型勵磁調(diào)節(jié)器和PCC型勵磁調(diào)節(jié)器，且設(shè)置合理的調(diào)節(jié)功能和基本的限制保護(hù)及容錯控制功能，同時合理配置備用設(shè)備，以提高電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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