中小型水電站勵磁系統(tǒng)的選擇

【摘要】基于中小型水電站因勵磁系統(tǒng)選用不當(dāng)而影響發(fā)電和并網(wǎng)等問題，本文對勵磁方式、功率整流器、勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁變壓器等方面的選擇進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】中小型水電站；勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)在水電站中的作用非常關(guān)鍵，它是維持水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的重要部分。然而中小型水電站常因勵磁系統(tǒng)選擇不當(dāng)，而造成發(fā)電能力達(dá)不到要求，這在小型水電站中表現(xiàn)得尤為突出，以至于一些水電站的功率無法送出和并網(wǎng)[1]。因此，對中小型水電站來說，選擇合適的勵磁系統(tǒng)是一件很重要的事情，本文在勵磁方式、功率整流器、勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁變壓器等方面探討了勵磁系統(tǒng)的選擇。

1.勵磁方式

1.1勵磁方式分類

勵磁方式有多種分類方法，可以按照勵磁電源的不同分為直流勵磁機系統(tǒng)、交流勵磁機系統(tǒng)及靜態(tài)勵磁系統(tǒng)；也可以按照勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定時間分為快勵系統(tǒng)和慢勵系統(tǒng)；還有一種應(yīng)用廣泛的分類方法，按照供電方式分為他勵式和自勵式（如圖1所示）[2]。他勵式是指勵磁電源由發(fā)電機以外的電源提供，一般多指勵磁機；自勵式是勵磁電源由發(fā)電機自身提供，常指靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。諧波勵磁系統(tǒng)是比較特殊的一種，主要用于小型同步發(fā)電機，它利用諧波繞組供電，一般也歸為自勵式。當(dāng)勵磁電源取自機端電壓的稱為自并勵方式；而勵磁電源來自發(fā)電機端點及輸出電流的稱自復(fù)勵方式。

1.2勵磁方式的選擇

在中小水電站建設(shè)和發(fā)展的過程中，采用過多種勵磁系統(tǒng)，如三次諧波勵磁裝置、電抗移相式相位復(fù)式勵磁裝置、直流勵磁機、無刷勵磁、可控硅靜態(tài)勵磁等。比較適合中小水電站的勵磁系統(tǒng)是可控硅靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，這是因為它沒有旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，而且勵磁調(diào)節(jié)速度快、可靠性高、維護(hù)工作量少?？煽毓桁o態(tài)勵磁系統(tǒng)又有自并勵式和自復(fù)勵式兩種形式，前者使用更為廣泛，因此應(yīng)選擇自并勵式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)（也稱作自并激勵磁系統(tǒng)）。

2.功率整流器

2.1功率整流方式

功率整流器一般采用可控硅整流裝置，這種裝置分為三相半控橋和三相全控橋兩種方式。三相半控橋整流電路由3個可控硅和3個二極管構(gòu)成，三相全控橋整流電路由6個可控硅構(gòu)成，如圖2（a）、（b）所示。圖中KG為可控硅，D為二極管，Z為轉(zhuǎn)子線圈及連接導(dǎo)線的等值阻抗（感性阻抗）。

2.2功率整流器選用

三相全控橋輸出直流平均電壓Ud=1.35U2cosαUd（U2為交流側(cè)電壓，α為可控硅觸發(fā)控制角，下同）。當(dāng)α=0°時，Ud=1.35U2；α=90°時，Ud=0。說明全控橋正常勵磁時，觸發(fā)控制角的移相范圍是0°90°。而當(dāng)α>90°時，Ud<0；α=180°時，Ud=-1.35U2，這種情況稱為逆變狀態(tài)。利用整流回路的逆變狀態(tài)，可以消除轉(zhuǎn)子回路中的磁場能量，這被稱為逆變滅磁。

三相半控橋輸出直流平均電壓Ud=1.35U2（1+cosα）/2。當(dāng)α=0°時，Ud=1.35U2；當(dāng)α=180°時，Ud=0。說明三相半控橋正常勵磁時，觸發(fā)控制角的移相范圍是0°180°，且始終有Ud≥0，說明三相半控橋沒有逆變狀態(tài)。為了防止α角突然增大或觸發(fā)脈沖丟失時，某個可控硅導(dǎo)通而使3個二極管輪流導(dǎo)通，出現(xiàn)失控現(xiàn)象，所以要在轉(zhuǎn)子回路上并接一個續(xù)流二極管（圖2b中DJ）。而且，發(fā)電機突然解列時，轉(zhuǎn)子回路中儲存的磁場能量會造成端電壓升高，引起過電壓保護(hù)動作及對與之相連的設(shè)備造成不利影響，因而又必須采用耐壓高的元件。

綜合考慮，中小水電站的勵磁系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)選三相全控橋整流器。

2.3IGBT開關(guān)勵磁方式的優(yōu)勢

上世紀(jì)90年代后，在勵磁系統(tǒng)中開始應(yīng)用一種稱為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的半導(dǎo)體元器件。這種勵磁方式的原理如圖2（c）所示。IGBT的主要作用是開關(guān)控制，它本身并不能替代可控硅進(jìn)行整流，而是通過它可以簡化勵磁功率回路，便于維護(hù)，所以非常適合在中小水電站中應(yīng)用。

采用可控硅整流回路時，無論是三相半控橋或者三相全控橋，必須對所有可控硅進(jìn)行控制，以滿足嚴(yán)格的同步要求。每只可控硅必須滿足觸發(fā)時的相位差為120°或60°，而且還要求同一相的可控硅控制極對陰極必須在主回路電壓過零時才能觸發(fā)，再加上對脈沖、波形等方面的要求，使得可控硅勵磁裝置的電路非常復(fù)雜，一般中小水電站的維修技術(shù)人員很難對電路進(jìn)行修理。采用IGBT后對整流元件的同步性不再要求，所以可使用普通三相橋式整流器，控制方面完全由IGBT執(zhí)行。除此以外，勵磁變壓器容量可減少30%，勵磁回路過電壓水平也可明顯降低。

3.勵磁調(diào)節(jié)器

3.1勵磁調(diào)節(jié)器主要類型

目前，勵磁調(diào)節(jié)器主要有模擬控制型和微機控制型兩類。模擬控制型包括電磁型、半導(dǎo)體型；微機控制型有單片微機型、PLC型、DSP型和PCC型。

3.2勵磁調(diào)節(jié)器選型

模擬型勵磁調(diào)節(jié)器，其控制功能都是由硬件完成的，功能單一，擴展性差，無法實現(xiàn)完善的勵磁保護(hù)和限制功能，容易出現(xiàn)過勵或欠勵現(xiàn)象，所以盡管其價格較低，不推薦選用。

單片微機型勵磁調(diào)節(jié)器在中小型水電站中應(yīng)用比較廣泛。功能方面，具有最大勵磁限制、過勵限制、發(fā)電機端電壓調(diào)節(jié)、勵磁電流調(diào)節(jié)、自動跟蹤等，可以說該型勵磁調(diào)節(jié)器基本上可滿足中小型水電站的運行需要，但其運算速度較慢、抗干擾能力較差。

PLC型是可編程控制器的簡稱，可完成各種邏輯控制功能，可靠性較高，但目前的設(shè)計方面存有不足，其輸入輸出響應(yīng)速度較慢，動態(tài)性能指標(biāo)甚至劣于單片機型，而價格明顯超過單片機型，也就是性價比差。

DSP型處理速度快，功能完善，調(diào)節(jié)性能較好，很適合中小型水電站使用，但外圍電路由廠家自行設(shè)計，抗干擾能力較差。

PCC型是當(dāng)今實現(xiàn)功能最理想的一種機型，可靠性高、速度快，但價格較高，小型水電站應(yīng)用還有一定困難。

3.3勵磁功能要求

應(yīng)具備PID調(diào)節(jié)功能，可調(diào)機端電壓、勵磁電流并保持穩(wěn)定，無擾動手動/自動切換功能。恒無功運行、無功調(diào)差、各種限制保護(hù)功能也是基本要求。

4.勵磁變壓器、滅磁裝置等要求

勵磁變壓器有油浸和干式兩種型式，從運行安全角度考慮，應(yīng)選用干式勵磁變壓器。干式勵磁變壓器目前廣泛采用環(huán)氧澆注勵磁變壓器，在選用時還應(yīng)關(guān)注絕緣等級，盡量留有一定裕度，一般選用F級或H級絕緣。

滅磁及過電壓保護(hù)方面也應(yīng)考慮足夠的安全裕度。

5.結(jié)語

綜合以上分析，中小型水電站在選擇勵磁系統(tǒng)時，應(yīng)選擇可控硅靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，并選擇三相全控整流橋；推薦選用IGBT勵磁方式，維護(hù)更簡單。勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)投資能力可從單片機、DSP型、PCC型等微機型中選擇。勵磁變壓器一般選干式環(huán)氧澆注勵磁變壓器。