小型水電站勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行的影響分析

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(shí)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(huì)導(dǎo)致母線電壓過高，造成電站無功相對(duì)不足，同時(shí)無功負(fù)荷缺額大，有功功率消耗也非常大。產(chǎn)生這個(gè)問題的一個(gè)重要的原因是勵(lì)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(zhǎng)距離輸電線路與電網(wǎng)連接，線路對(duì)地電容可能引起同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。本文從勵(lì)磁方式及功率回路、勵(lì)磁功能和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方面分析勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行的影響。

1 勵(lì)磁方式及功率回路

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

直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)間常數(shù)大，不適宜在小水電站使用。交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)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(zhǎng)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(shí)對(duì)電壓的支撐不夠，也不適宜在小水電站使用。靜止可控硅勵(lì)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(shí)對(duì)電壓具有較好的支撐作用，尤其是自并激勵(lì)磁方式由于沒有旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)備構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，且具有可靠性高、時(shí)間常數(shù)小、勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度快以及造價(jià)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(lì)磁方式。

目前小型水電站常見的自并激靜止性勵(lì)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(jiǎn)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(shí)，不能將轉(zhuǎn)子的能量回饋。因此勵(lì)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(gè)可控硅元件，三個(gè)共陰極，三個(gè)共陽極。在正常工作時(shí)，通過觸發(fā)角的控制使勵(lì)磁系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)。在發(fā)生事故時(shí)，可以進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)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(shí)，使整流橋進(jìn)入逆變狀態(tài)，可快速地將儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子回路的磁場(chǎng)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(shí)，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(shí)跳開。這樣可大大減少滅磁開關(guān)的跳合次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命。

在豐水期，機(jī)組通常滿額發(fā)電，如果原有勵(lì)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(lì)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(gè)問題在洋縣蕎麥山電站比較明顯，由于受到勵(lì)磁繞組溫升的限制，采用增加勵(lì)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(lì)磁繞組的溫升限制，再通過增加勵(lì)磁電流來提高無功功率。在電磁設(shè)計(jì)時(shí)，按增大后的勵(lì)磁電流來設(shè)計(jì)勵(lì)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(lì)磁繞組的絕緣等級(jí)也可增大勵(lì)磁繞組的溫升限值。若在實(shí)際中難以對(duì)勵(lì)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(lì)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(duì)于勵(lì)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(dòng)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(lì)磁系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)來維持機(jī)端電壓穩(wěn)定。

恒勵(lì)磁電流PID調(diào)節(jié)（手動(dòng)調(diào)節(jié)），在功率及電壓測(cè)量信號(hào)異常時(shí)保證機(jī)組運(yùn)行。在水電自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，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(dòng)/自動(dòng)切換。機(jī)組在勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如功率變送器、電壓互感器出現(xiàn)故障，需要由自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)不能出現(xiàn)大的波動(dòng)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(shí)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(shí)保證機(jī)組的安全。

恒無功運(yùn)行（自動(dòng)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(shí)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(duì)于機(jī)組的安全具有重要作用。一般包括機(jī)組欠勵(lì)保護(hù)，防止機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行過深；過勵(lì)保護(hù)，防止勵(lì)磁系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)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(cè)與保護(hù)、容錯(cuò)功能，保證機(jī)組在個(gè)別信號(hào)異常時(shí)不停機(jī)，嚴(yán)重信號(hào)異常時(shí)機(jī)組安全停機(jī)。

3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

在小型水電站中，采用的勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器直觀，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，價(jià)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(lì)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(shí)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(lì)磁調(diào)節(jié)器是目前在水電站中應(yīng)用較多的一種勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。微機(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般均設(shè)有完善的最大勵(lì)磁限制、過勵(lì)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(lì)磁電流調(diào)節(jié)功能，且機(jī)端電壓調(diào)節(jié)和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)兩種方式之間具有自動(dòng)跟蹤功能，可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)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(duì)較慢，高速、高精度控制受限。

PLC型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是一種基于通用可編程邏輯控制器的勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器中的一種根本原因。但正因?yàn)榇?，PLC輸入輸出的響應(yīng)速度較慢，不能滿足勵(lì)磁控制的需要。由PLC構(gòu)成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般在PLC前設(shè)有信號(hào)變送回路，將要采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)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(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較單片微機(jī)型勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器是一種基于高速處理平臺(tái)的勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器。其缺陷與單片微機(jī)型勵(lì)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(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器，可靠性高、處理速度快，可實(shí)現(xiàn)勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器。當(dāng)然，PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與其他的勵(lì)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(jià)格。

4 結(jié)語

針對(duì)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(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)水輪機(jī)組的影響。小型水電站在配置或更新勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，建議勵(lì)磁方式采用自并激勵(lì)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(shí)的電壓上升值，并減少滅磁開關(guān)的跳合次數(shù)；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)選用性價(jià)比較高的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、DSP型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和PCC型勵(lì)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(cuò)控制功能，同時(shí)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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