針對電站老舊勵磁系統(tǒng)技術陳舊、設備老化，性能和可靠性差等問題，在項目建設中提出用KLSF-01型可編程微機勵磁系統(tǒng)替代原勵磁系統(tǒng)的改造方案；并簡要介紹了KLSF-01型可編程微機勵磁系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、性能和特點。實踐證明，微機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、可靠性高，大大提高了水電站自動化運行和控制水平。

【關鍵詞】KLSF-01型 可編程微機勵磁系統(tǒng) 水電站 應用

瓦房城水電站地處甘肅省民樂縣南古鎮(zhèn)，座落于黑河流域東部支流的大堵麻河上，該河流發(fā)源于祁連山北麓的野牛山，多年平均流量2.62m3/s，多年平均年徑流量8310萬m3，水能蘊藏量3.78萬kw。電站始建于1978年，屬水庫壩后式電站，總裝機容量3×500kw，設計年發(fā)電量620萬kw.h，架設SJ1型主變1臺，10kv并網(wǎng)線路1回，發(fā)電機出口電壓6.3kv。其3臺發(fā)電機勵磁系統(tǒng)均采用TKL-11型晶閘管自并激靜止勵磁裝置，乃上世紀90年代逐漸更新改造后的產(chǎn)品，至今已運行20多年，技術相對落后，元部件老化嚴重，運行中穩(wěn)定性差、故障率高，安全無保障。

1 原勵磁系統(tǒng)存在的問題

瓦房城水電站的勵磁系統(tǒng)經(jīng)過多年運行，存在著技術陳舊、設備老化、性能和可靠性差， 以及自動化水平低等問題，影響了水電站的安全運行和經(jīng)濟效益。原勵磁系統(tǒng)主要存在以下問題：

（1）發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)由于運行年久，設備逐日老化，造成勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定，故障查找困難。特別是晶閘管整流勵磁是比較復雜的技術，在發(fā)生故障時，需要經(jīng)驗豐富的資深技術人員和完備儀器，故障排除效果難以保證，有時甚至擴大故障。

（2）勵磁元件、部件易發(fā)熱損壞，多次導致可控硅燒壞，導致事故停機。勵磁脈沖、過壓、測量放大集成電路插板插腳及勵磁調(diào)整電位器觸頭磨損老化嚴重，時常發(fā)生接觸不良、勵磁失控、調(diào)節(jié)失靈、滅磁開關不動作、誤動作等問題，使機組運行不穩(wěn)定、不可靠。

（3）TKL-11型產(chǎn)品出廠時隔多年，隨著新興技術的推廣，原來的電路板和元配件已淘汰，其備品備件不易購置。

（4）勵磁系統(tǒng)中復雜的勵磁控制部分電路，故障發(fā)生率很高，經(jīng)常因為某一個小小的元器件損壞而被迫停機，影響了發(fā)電運行的安全性和經(jīng)濟效益。

為了改善電站運行條件，提高水電站自動化水平，提高電站綜合經(jīng)濟效益，對老的勵磁系統(tǒng)改造已成為當務之急。

2 改造方案

2010年瓦房城水電站被國家水利部、發(fā)改委列入小水電代燃料建設項目，裝機容量擴大至2060kw（2*630+800kw）。為保證電站機組的安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)水電站“無人值班、少人值守”的建設目標，提高小水電代燃料電站的經(jīng)濟效益，根據(jù)瓦房城水電站機組參數(shù)配置，經(jīng)多方研究論證，本著經(jīng)濟實用的原則，決定選用KLSF-01型可編程微機勵磁系統(tǒng)替代原勵磁系統(tǒng)。改造方案如下：

（1）保留勵磁回路全部一、二次電纜。

（2）更換3臺發(fā)電機勵磁系統(tǒng)勵磁屏及與其相配套的勵磁變壓器（用油浸式或干式變壓器）。

（3）勵磁屏由核心部件PLC（日本進口）可編程微機勵磁調(diào)節(jié)器及相應的儀器儀表和繼電保護組成。

（4）配置機端PT（6300/380）9只（單相），機端CT（150/5） 9只。

（5）整流橋選用優(yōu)質(zhì)單個可控硅功率整流元件，組成全控橋，單個可控硅功率整流元件采用了熱管冷卻以及整個功率單元采取低噪聲風機冷。

（6）滅磁裝置采用快速滅弧直流短路器。

3 KLSF-01型勵磁系統(tǒng)構(gòu)成

KLSF可控硅勵磁裝置主要由全控橋的勵磁功率單元和可編程勵磁調(diào)節(jié)器兩部分構(gòu)成。功率單元主要是勵磁變、可控硅整流裝置、外接電源起勵回路，滅磁開關和滅磁回路等組成。其核心部件是勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁調(diào)節(jié)器的作用就是根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài)自動調(diào)節(jié)功率單元輸出的勵磁電流，達到機組空載并網(wǎng)發(fā)電及負載無功的要求，并提供參數(shù)、儀表、指示燈等信號給運行人員。

3.1 勵磁柜

勵磁柜由調(diào)節(jié)器及功率單元組成。勵磁柜內(nèi)安裝調(diào)節(jié)器、滅磁裝置及電阻、功率單元、控制信號設備和所有附件。勵磁柜采用通風冷卻系統(tǒng)。儀表和操作開關布置在便于監(jiān)視和操作的位置。勵磁柜都設有出口勵磁電壓和勵磁電流出口，在勵磁柜上也裝設勵磁電壓表和勵磁電流表，以及發(fā)電機機端電壓表。勵磁屏外型尺寸為高2260mm，寬800 mm，深800 mm。

3.2 可編程控制器組成的勵磁調(diào)節(jié)器

可編程邏輯控制器簡稱PLC，KLSF勵磁裝置采用原裝置日本三菱公司的FX1N系列PLC，其存儲介質(zhì)為EEPROM，程序和數(shù)據(jù)可在沒有電源的情況下長時間保持，而不需要專用電池。

勵磁調(diào)節(jié)器除了作為運算控制核心的PLC外，還設有電源和信號變換模塊、信號檢測模塊、移相觸發(fā)控制模塊。人機對話除設置了必要表計，指示燈，按鈕外，還配置了一臺漢字液晶觸摸屏。

3.3 勵磁變壓器

勵磁變壓器直接接于同步發(fā)電機機端，組成自并勵勵磁系統(tǒng)。其高壓側(cè)配備隔離刀閘和熔斷器。勵磁變連接方式為Y/Δ-1，容量：63KVA，變比：6300V/120V。

3.4 可控硅整流裝置

整流橋為三相全控整流橋。每一橋臂整流元件串聯(lián)快速熔斷器作為過電流保護，快速熔斷器配裝有熔斷信號器，該快熔熔斷時經(jīng)微動開關發(fā)出熔斷器熔斷信號。在每一橋臂整流元件并聯(lián)電阻和電容，作為元件換相過電壓能量的吸收。功率整流元件采用自然風冷，冷卻風機裝于柜體的頂端，由功率屏的頂部排出熱空氣。

3.5 滅磁裝置與過電壓保護

勵磁系統(tǒng)設逆變滅磁和自動滅磁裝置滅磁兩種方式，機組正常停機一般采用逆變滅磁，事故停機采用自動滅磁裝置滅磁。在任何需要滅磁的情況下（包括發(fā)電機空載強勵）都將保證可靠快速滅磁。endprint

過電壓保護裝置保證發(fā)電機磁繞組兩端的電壓瞬時值不超過出廠耐壓試驗時該繞組對地耐壓試驗電壓幅值的70%。

自動滅磁裝置，采用快速滅弧直流斷路器，最小斷流能力不大于額定勵磁電流的6%，最大分斷電流不小于額定勵磁電流的200%，電壓大于強行勵磁時發(fā)電機勵磁繞組的頂值電壓。其操作電源額定電壓為直流220V，操作機構(gòu)保證斷路器可靠合閘和分閘（采用雙跳閘線圈），并有電氣和機械防跳措施。

3.6 起勵裝置

起勵裝置采用殘壓起勵為主、直流起勵為輔的起勵方式。廠商提供直流起勵的成套設備，包括電源進線、開關及內(nèi)部聯(lián)接的電線。采用直流起勵，電源來自廠用220V直流系統(tǒng)。設有起勵后自動退出和起勵不成功的控制、信號、保護、閉鎖回路。起勵電源的電流為15%發(fā)電機空載勵磁電源。

4 KLSF-01型勵磁系統(tǒng)功能、特點及性能

KLSF-01型勵磁系統(tǒng)的核心部件是可編程觸摸屏微機勵磁調(diào)節(jié)器，其主要功能及特點如下：

4.1 主要功能及要求

（1）發(fā)電機電壓自動調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)規(guī)律采用P、PI、PID可選。

（2）勵磁電流自動調(diào)節(jié)。按勵磁電流的給定值和實測值偏差進行調(diào)節(jié)。

（3）手動/自動相互跟蹤及切換。正常運行時，兩種方式可相互切換。自動故障時自動切換到手動。自動也可用手動方式切換到手動，所有切換均無擾動。

（4）系統(tǒng)電壓跟蹤。為實現(xiàn)機組與系統(tǒng)的快速同步，勵磁系統(tǒng)設置發(fā)電機電壓跟蹤系統(tǒng)電壓環(huán)節(jié)。

（5）過勵磁限制及最大勵磁限制。應根據(jù)磁場繞組的熱穩(wěn)定要求對勵磁電流進行限制，按反時限曲線經(jīng)過規(guī)定時間自動將勵磁電流限制在額定勵磁電流。

（6）欠勵限制。根據(jù)機組實發(fā)有功功率，對發(fā)電機勵磁電流最小值進行限制，其限制曲線比發(fā)電機失磁保護的有功功率—勵磁電壓判據(jù)留有一定裕度，以相互配合。

（7）V/Hz限制。根據(jù)發(fā)電機電壓、頻率的大小，調(diào)整勵磁電流，使發(fā)電機電壓不超過由頻率電壓關系所確定的數(shù)值，主要用來防止發(fā)電機和主變壓器過激勵、發(fā)電機不并網(wǎng)時空載誤強勵或勵磁誤調(diào)整造成的空載過電壓。V/Hz限制將發(fā)電機變壓器組的V/Hz保護配合，還與正常轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍內(nèi)的電壓調(diào)整的頻率特性配合，與電壓調(diào)節(jié)范圍相配合。

（8）控制參數(shù)的在線修改?？稍诰€修改各種控制參數(shù)，進行在線修改時，不影響勵磁系統(tǒng)的正常運行。

（9）容錯功能。對于自動和手動，當發(fā)生被調(diào)量反饋信號丟失、各種給定指令信號丟失等故障時，首先考慮切換，在不能切換時將有容錯功能。當處于容錯運行時，仍保證安全運行。

（10）保護功能設置。a.勵磁（功率整流）柜的過電流和過電壓保護；b.電壓互感器斷線保護；c.勵磁（功率）柜冷卻風機故障、電源消失及斷相保護。

（11）現(xiàn)地人機聯(lián)系。在勵磁柜上除裝設測量儀表和控制信號設備外，還可在線選擇顯示重要的實時運行參數(shù)、給定參數(shù)以及計算參數(shù)。

（12）通信。備有R485串行通信口，具有和上位計算機通訊的功能。另外，有現(xiàn)地調(diào)試、顯示通信接口。

（13）自診斷、自恢復。a.能診斷到包括過程通信在內(nèi)的每一個插件，并能提出故障性質(zhì)；當硬件故障時，軟件可及時發(fā)現(xiàn)；b.當電源消失和恢復供電，以及調(diào)節(jié)器停止后又起動，能夠自動按實時狀態(tài)恢復工作。

（14）勵磁調(diào)節(jié)器具有限制起勵超調(diào)功能（采用可編程微機勵磁調(diào)節(jié)器）。

4.2 主要特點

（1）多通道模式，無擾動切換。機旁設置雙通道模式，恒壓，恒流通道。通過與上位機通訊，配合計算機監(jiān)控可實現(xiàn)多種運行模式。

（2）簡潔的硬件結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)器由PLC，檢測模塊，觸發(fā)模塊，電源和信號變換模塊組成，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。

（3）操作簡單。KLSF勵磁裝置設計了近方，遠方操作方式，無論是在現(xiàn)場還是在中控室，均能實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的全方位控制。

（4）標準通訊。配置了標準的RS232和RS485通訊接口，把PLC采集的發(fā)電機組參數(shù)，勵磁系統(tǒng)參數(shù)實時傳送出來，實現(xiàn)計算機監(jiān)控。

（5）硬件“看門狗”。FX1N系列可編程控制器自帶硬件“看門狗”，實現(xiàn)PLC永不“死機”。

（6）美觀的人機操作界面。采用大屏幕的液晶觸摸屏，方便通過觸摸屏監(jiān)視設備運行狀態(tài)，在線更改參數(shù)。

4.3 主要性能及技術參數(shù)

（1）自動勵磁調(diào)節(jié)器保證發(fā)電機機端調(diào)壓精度優(yōu)于0.5%。

（2）自動勵磁調(diào)節(jié)器保證發(fā)電機機端電壓調(diào)差率整定范圍不小于±10%，并按1%的檔距分檔，調(diào)差特性有較好的線性度。

（3）自動勵磁調(diào)節(jié)器能在發(fā)電機空載電壓40%～110%額定值范圍內(nèi)進行穩(wěn)定、平滑的調(diào)節(jié)。

（4）在發(fā)電機空載狀態(tài)下，自動勵磁調(diào)節(jié)器和手動控制單元的整定電壓變化速度，不大于額定電壓1%/s，不小于額定電壓0.3%/s。

（5）自動勵磁調(diào)節(jié)器有自動電壓跟蹤回路，在機組同期并網(wǎng)之前使機組電壓迅速跟蹤系統(tǒng)電壓。

（6）手動控制單元的調(diào)節(jié)范圍，下限不得高于發(fā)電機空載勵磁電壓的40%，上限不得低于110%額定勵磁電壓。

（7）發(fā)電機空載運行，轉(zhuǎn)速在0.95～1.05額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的情況下，突然投入勵磁系統(tǒng)，使發(fā)電機端電壓從零上升至額定值時，電壓超調(diào)量不大于額定電壓的15%，振蕩次數(shù)不超過3～5次，調(diào)節(jié)時間不大于5s。

（8）當發(fā)電機突然甩掉額定有功負載和額定無功負載后，發(fā)電機電壓超調(diào)量不大于15%～20%額定值，振蕩次數(shù)不超過3～5次，調(diào)節(jié)時間不大于5s。

5 KLSF-01型勵磁系統(tǒng)工作原理

KLSF-01型勵磁系統(tǒng)基于自并激勵磁方式，系統(tǒng)的勵磁電流取自發(fā)電機機端，經(jīng)過整流變壓器降壓、三相全控整流橋整流后向發(fā)電機供給勵磁電流。勵磁裝置由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。被測量信號（如電壓、電流等），經(jīng)測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導通角，以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證可控硅的正確觸發(fā)，調(diào)差單元用于并聯(lián)運行的發(fā)電機能穩(wěn)定和合理地分配無功負荷，穩(wěn)定單元用于改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性，限制單元用于防止發(fā)電機在過勵磁或欠勵磁的條件下運。

6 效益

由于瓦房城水電站屬于季節(jié)性發(fā)電的水電站，效益最大化是企業(yè)追求的最終目標，爭分奪秒發(fā)好每一度電是企業(yè)員工的責任，再者電力調(diào)度對電站上網(wǎng)電能質(zhì)量考核標準嚴格，因此水電站系統(tǒng)運行的穩(wěn)定度和可靠度是實現(xiàn)這一目標的法寶。使用微機勵磁系統(tǒng)，通過改善勵磁條件，合理調(diào)節(jié)有、無功比例，解決了電站上網(wǎng)電能質(zhì)量問題，有效提高了電站經(jīng)濟效益；因調(diào)節(jié)品質(zhì)的提高，調(diào)整時間縮短，并網(wǎng)更加迅速；節(jié)省了購買維修電氣元件的材料費和人工修理費。

7 結(jié)語

隨著電子技術的不斷發(fā)展，發(fā)電機勵磁技術也在不斷更新和升級，微機勵磁裝置的性價比逐漸降低，在新建或改擴建小水電站已普遍推廣應用。微機勵磁系統(tǒng)采用先進技術，按“無人值班、少人值守”的原則設計，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用維護方便、調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良和功能完善等特點，人性化的人機交換界面，可減小運行人員勞動強度，為電站實現(xiàn)自動化運行并提高經(jīng)濟效益奠定了良好基礎。實踐證明，微機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、可靠性高，大大提高了水電站自動化運行和控制水平。

參考文獻

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作者簡介

李榮（1975-），男，大專學歷?，F(xiàn)為甘肅省民樂縣瓦房城水電站助理工程師，主要從事水電站生產(chǎn)運行及技術處理工作。

作者單位

民樂縣瓦房城水電站 甘肅省民樂縣 734506endprint