小型水電站勵磁系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及改造優(yōu)化

廖劍釗

【摘 要】隨著社會對電力的需求不斷上升，一些小型水電站也得到了相應的發(fā)展，但小型水電站的勵磁系統(tǒng)卻存在運行效率較低且故障率高等問題，這大大降低了水電站的效益。為此，本文詳細分析了當前小型水電站勵磁系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，指出了存在的不足，并介紹了小型水電站勵磁系統(tǒng)改造優(yōu)化的技術(shù)措施，有效提高了水電站的效益，可供借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】小型水電站；勵磁系統(tǒng)；現(xiàn)狀；改造優(yōu)化

1.小型水電站勵磁系統(tǒng)的現(xiàn)狀

小型水電站的勵磁系統(tǒng)也是各種各樣的。具體有三次諧波勵磁恒壓裝置、電抗器移相式相復勵勵磁裝置、電容器移相式相復勵勵磁裝置、磁耦合電抗移相式相復勵自勵恒壓裝置、可控相復勵自勵恒壓裝置、可控硅自勵恒壓裝置、無刷勵磁等。由于投運年代久遠，目前設備大多已老化，基于當時的資金和技術(shù)水平，采用的技術(shù)都已落后，尤其是沒有調(diào)差的功能，不能多臺機組并網(wǎng)運行，使各機組無功分配不均勻；同時其故障較多，嚴重影響了機組安全運行，影響了水電站的經(jīng)濟效益，故必須加以更新改造。

2.小型水電站勵磁系統(tǒng)的改造優(yōu)化

2.1三次諧波式勵磁系統(tǒng)

三次諧波勵磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但在設計該發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)時，即確定三次諧波繞組匝數(shù)時，往往要借助試驗才能確定，而且波動性較大。這種發(fā)電機在單機孤網(wǎng)運行時，還是不錯的，但是不能多臺同網(wǎng)運行，尤其是并網(wǎng)困難。有些發(fā)電機是無刷勵磁系統(tǒng)，有些發(fā)電機是有刷勵磁系統(tǒng)，在小容量發(fā)電機中，有不少的使用。

2.2三次諧波式發(fā)電機的并網(wǎng)

（1）并網(wǎng)現(xiàn)象綜述

因一些小水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)性能太差，使發(fā)電機不能并網(wǎng)運行，造成便宜的水電不能有效利用；但通過適當?shù)募夹g(shù)改造，可以使小水電站容易并網(wǎng)，補充部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)電網(wǎng)用電。

三次諧波勵磁發(fā)電機組在單機運行時比較穩(wěn)定，但與大電網(wǎng)并聯(lián)時，會出現(xiàn)運行不穩(wěn)定甚至并不上網(wǎng)的現(xiàn)象。

當機組并入電網(wǎng)瞬間，發(fā)電機空載電勢低于電網(wǎng)電壓Uc，并網(wǎng)后發(fā)電機將出現(xiàn)向電網(wǎng)吸收無功的現(xiàn)象，在過度欠勵狀態(tài)下，容易發(fā)生有功及無功振蕩，甚至解列。因此如電網(wǎng)電壓Uc偏高，為避免發(fā)電機過度欠勵，必須降低發(fā)電機的有功出力，以維持它與電網(wǎng)的并聯(lián)運行。

（2）改造優(yōu)化措施

1）基波與三次諧波混合勵磁

基波勵磁電源取自發(fā)電機出線A及中性點N（220V），經(jīng)行燈變壓器B降壓及橋式整流后，串接于原三次諧波勵磁回路中，組成基波與諧波混合勵磁（見圖1）。其補償優(yōu)點是：它的容量穩(wěn)定可靠，當電網(wǎng)電壓Uc偏高時補償增強；當Uc偏低時其補償作用則減弱，使發(fā)電機能合理分配無功功率，達到并網(wǎng)穩(wěn)定運行的目的。

2）三次諧波繞組并接電容器

如果無功功率發(fā)不足，則表示勵磁功率不足。一種簡易的解決辦法是在三次諧波繞組的出口處并接電容器補償，效果良好。實際應用時，C可由幾組電容并聯(lián)而成，可根據(jù)需要的補償程度來增減調(diào)節(jié)并入的電容器組數(shù)。

圖1基波加三次諧波混合勵磁

電容器的選擇可由XL=U勵/I勵來計算；當感抗與容抗值相等時（XC=XL）效果最佳，即電容器的容量為：

據(jù)此式計算結(jié)果，選用稍大于計算值的標準電容器，并根據(jù)需要分成若干組，并接于諧波繞組出口處，電容器的耐壓要求為2.5U勵～3U勵值。

3）增加升壓變壓器高壓線卷三次諧波勵磁的發(fā)電機由于上網(wǎng)的無功不足，為了增加多發(fā)無功，拼命增加勵磁電流，會使發(fā)電機電壓超高，往往到420V以上。解決這一問題的有效措施是改造變壓器的高壓側(cè)線卷?？蓪⒆儔浩饕淮卧黾泳€圈匝數(shù)，改原電壓調(diào)整率±5%為±10%，改造后分接開關(guān)置于+10%，發(fā)電機運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活。

4）采用無刷勵磁調(diào)節(jié)器

無刷勵磁調(diào)節(jié)器控制無刷勵磁同步發(fā)電機的勵磁機的勵磁電流，主要用于小型同步發(fā)電機組的勵磁電源的自動調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)器能滿足發(fā)電機單機或并網(wǎng)等運行要求。在多臺機組并網(wǎng)時，能合理地分配無功（即有好的調(diào)差功能）。

2.3雙繞組電抗分流式勵磁系統(tǒng)的改造優(yōu)化

在小型水電站中，很多機組都采用雙繞組電抗分流式自勵恒壓裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，運行方便，維護工作量小。這種發(fā)電機的定子有1個附加繞組，作為勵磁的能源，并用1個分流電抗器，采用三相橋式整流勵磁。這種勵磁系統(tǒng)以簡單的勵磁結(jié)構(gòu)，良好的恒壓性能，贏得了在小水電中的重要地位。這種機型在單機運行時性能非常優(yōu)越，但在幾臺機并列運行或與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行時，就暴露出了缺點，如無功負載不能合理分配，運行不穩(wěn)定，易發(fā)生振蕩，有的機組甚至不能運行等。

改造辦法之一是去掉分流電抗器，采用微機勵磁控制器，小容量的發(fā)電機可以改為單相半控橋式整流勵磁（見圖2）。微機勵磁控制器應該采集發(fā)電機電壓和發(fā)電機電流，以此來調(diào)節(jié)勵磁電壓和勵磁電流。如果還能采集勵磁電壓、勵磁電流，加上RS485通訊口，可以組成少人值班或無人值班的水電站自動控制系統(tǒng)。

圖2采用單相半控橋的微機勵磁調(diào)節(jié)器

容量大的發(fā)電機采用三相半控橋式整流勵磁。按此原理圖改造后，經(jīng)試驗證明，電壓調(diào)整范圍、調(diào)壓精度、調(diào)差率都非常滿意，多臺機組并聯(lián)運行非常穩(wěn)定，維護也很容易。

除了去掉分流電抗器外，還可以去掉附加繞組，這樣就可以重繞發(fā)電機定子繞組，增加發(fā)電機容量，一般可以增加20%左右的容量。

2.4相復勵變壓器式勵磁系統(tǒng)的改造優(yōu)化

這種勵磁系統(tǒng)由相復勵變壓器、可調(diào)電抗器和半導體整流器等部分組成。相復勵變壓器是1臺三相三繞組變壓器，它的每相有3個繞組，即電壓繞組Wv、電流繞組Wi和輸出繞組Wc；其中Wv和Wi是相復勵變壓器的輸入繞組。

當發(fā)電機空載時，發(fā)電機副繞組電壓通過變流器副方繞組Wo，經(jīng)其激磁電抗器的移相作用，渠供1個與發(fā)電機電壓相應的勵磁電流分量，由整流橋整流后，供給發(fā)電機勵磁繞組，自勵建立給定的發(fā)電機電壓。當發(fā)電機負載時，發(fā)電機負載電流I通過相復勵變壓器的電流繞組Wi，經(jīng)變流后，輸出繞組Wc提供1個與發(fā)電機負載電流相應的勵磁電流分量，迭加整流后供給發(fā)電機負載時所需勵磁電流，由于復勵分量的相位補償作用，使發(fā)電機端電壓近于恒定。這種發(fā)電機能夠自動維持發(fā)電機端電壓在一定水平，一般維持電壓變化在±5%額定電壓范圍內(nèi)。

2.5勵磁系統(tǒng)改造中應注意的問題

在水電站增效擴容的改造中，采用更換轉(zhuǎn)輪、改造發(fā)電機（重繞定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈）等方式增容后，往往可以增加20%～25%的容量，此時應注意也要增加勵磁系統(tǒng)的容量至少10%（注意勵磁變也要配套增容），否則還是得不到預期的增容效果。有些水電站各種設備（包括勵磁系統(tǒng)）都沒有什么問題，就是無功不能滿發(fā)，不管如何調(diào)節(jié)，總是無功不足。解決辦法之一是采用發(fā)電機并接電容器的辦法來增加無功，此時還可以增加有功功率，讓發(fā)電機全部視在功率都發(fā)有功功率。

3.采用勵磁系統(tǒng)的新技術(shù)

現(xiàn)在電子技術(shù)與計算機技術(shù)都在飛速發(fā)展，在增效擴容的改造中，應該優(yōu)先選擇勵磁系統(tǒng)的新技術(shù)。

目前，晶閘管勵磁技術(shù)已非常成熟，無論什么類型的發(fā)電機，都可以選擇晶閘管勵磁技術(shù)；尤其是6.3kV的發(fā)電機，毫無例外的應采用微機勵磁的自并勵系統(tǒng)。

為了使勵磁系統(tǒng)更簡單、可靠，已有采用絕緣柵雙極型功率管IGBT的勵磁系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)電機勵磁電流的自動控制（見圖3）。

采用IGBT自關(guān)斷器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可控硅元件作為功率元件，其工作原理是將三相電源經(jīng)不控橋整流為脈動直流，控制IGBT的導通、關(guān)斷時間，利用IGBT斬波方式，調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁繞組電壓。IGBT運行時只需一路脈沖，這樣極大地簡化了功率橋的結(jié)構(gòu)。IGBT功率柜單柜額定電流可達2000A。IGBT自并激方式僅需一路控制脈沖，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，該方式下不需同步?？煽毓枞珮蛘鞣绞较?，逆變電流經(jīng)過勵磁變壓器繞組；IGBT方式下，逆變電流經(jīng)過續(xù)流二極管，可減小勵磁變壓器的設計容量約30%，大大減少了成本。

圖3采用IGBT的勵磁系統(tǒng)

4.結(jié)語

總之，一個良好的勵磁系統(tǒng)直接關(guān)系到發(fā)電機組在發(fā)電站中的安全可靠性，也是提高發(fā)電機及其相聯(lián)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)要求。因此，應結(jié)合實際情況，注意進行配套改造優(yōu)化，這樣才能獲得最佳的經(jīng)濟效益，保證水電站的安全運行。

參考文獻：

[1] 李寧.水電站勵磁系統(tǒng)改造探討[J].城市建設理論研究，2012年第21期

[2] 董鋒斌；皇金鋒.小型水電站勵磁系統(tǒng)的改造和優(yōu)化[J].中國農(nóng)村水利水電，2006年06期