抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)原理和應(yīng)用

湯 勛，肖康樂

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 引言

在抽水蓄能電站中，勵磁系統(tǒng)的作用有以下4點(diǎn)：①向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電源使得發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與所連接的電網(wǎng)電壓保持一致；②對機(jī)組的無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；③提高系統(tǒng)的各項(xiàng)穩(wěn)定性指標(biāo)；④提高繼電保護(hù)的穩(wěn)定性。但是各個電廠輸出的電能需要經(jīng)過例如變電站升降壓等多個環(huán)節(jié)才能傳輸?shù)截?fù)荷側(cè)，并且我國煤炭能源的分布與電能需求在空間上的不平衡關(guān)系導(dǎo)致輸電線動輒以公里為單位。最為重要的是作為一種難以大規(guī)模儲存的能源，電能必須實(shí)時生產(chǎn)，實(shí)時消耗，但是整個電網(wǎng)的負(fù)荷卻是一個動態(tài)變化的過程。隨著近來各種新能源項(xiàng)目例如太陽能、風(fēng)能、生物能的大規(guī)模并網(wǎng)，其峰谷特性與用電負(fù)荷也無法很好的擬合。所以在高負(fù)荷中心與煤炭資源豐富的資源地區(qū)相隔較遠(yuǎn)，并且對于電能的需求量也在實(shí)時變化的情況下，電網(wǎng)需要時時刻刻調(diào)整機(jī)組的出力，電壓和頻率會受到一定的影響。而電網(wǎng)和機(jī)組是一個雙向反饋的系統(tǒng)，伴隨著電網(wǎng)規(guī)模、機(jī)組容量不斷的增加，對整個勵磁系統(tǒng)提出了一定的要求。

由于抽水蓄能電站在電網(wǎng)中削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動等作用，使得機(jī)組啟停頻繁，可以說勵磁系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響到了整個機(jī)組的穩(wěn)定與安全。

2 勵磁方式綜述

勵磁系統(tǒng)總體由功率單元和調(diào)節(jié)單元兩個部分組成，功率單元主要負(fù)責(zé)為發(fā)電-電動機(jī)提供直流電流，調(diào)節(jié)單元根據(jù)發(fā)電-電動機(jī)的狀態(tài)對功率單元作出進(jìn)一步的調(diào)整。

2.1 勵磁功率單元的選擇

（1）直流勵磁機(jī)

在早些年，為發(fā)電機(jī)配備一個專用的直流勵磁機(jī)在當(dāng)時看來是一個很自然的選擇，簡單和可靠是它最大的優(yōu)點(diǎn)，但問題就是調(diào)節(jié)速度太慢和日常維護(hù)的繁瑣，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

（2）交流勵磁機(jī)

為解決直流勵磁的不足，有著穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速適應(yīng)強(qiáng)和較好的進(jìn)相運(yùn)行方式的交流勵磁機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。同時繼承了直流勵磁機(jī)可靠和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，伴隨著大功率可控硅整流方式的出現(xiàn)，更是推進(jìn)了交流勵磁機(jī)的發(fā)展。但是諧波分量和噪音的問題制約其進(jìn)一步的發(fā)展。

（3）靜止勵磁方式

不再設(shè)置專用的勵磁機(jī)，而是在發(fā)電機(jī)出口或者廠用母線上直接通過變壓器作為勵磁電源，這樣的簡化使得整個勵磁系統(tǒng)更加的簡單。相比較于在發(fā)電機(jī)定子電流回路上再另外串并聯(lián)變壓器的自復(fù)勵勵磁方式，簡單就是最突出的特點(diǎn)。同時帶來的就是維護(hù)和保養(yǎng)的精簡，使得系統(tǒng)更加可靠。此外由于是直接取電，其響應(yīng)速度也得到了提高，在一定程度上也節(jié)約了造價，縮減了成本，所以靜止勵磁方式得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2.2 勵磁調(diào)節(jié)單元的選擇

（1）手動調(diào)節(jié)

在行業(yè)剛起步的時候，受限于技術(shù)原因，手動調(diào)節(jié)這種事倍功半的方式費(fèi)時又費(fèi)力。在20世紀(jì)50年代，自動電壓控制（AVR）的出現(xiàn)可以有效維持電壓的穩(wěn)定。隨著機(jī)組容量的擴(kuò)大，PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)方式可以提高動靜態(tài)的穩(wěn)定性以及無功功率的調(diào)節(jié)。

（2）AVR+PSS的勵磁控制方式

為了解決電力系統(tǒng)中的低頻振蕩以及事故后的振蕩失步問題，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Simulator for Engineering) 由美國電力技術(shù)公司自20世紀(jì)70年代推向市場。其原理是采用相位補(bǔ)償，即提供機(jī)電振蕩時的機(jī)組附加阻尼力矩，抑制機(jī)電振蕩，采用各種算法改善系統(tǒng)阻尼[1]。

（3）線性最優(yōu)勵磁控制器（LOEC）

LOEC將電機(jī)的多個輸出量綜合形成控制量進(jìn)行處理，其相比較于AVR+PSS最大的突破是將現(xiàn)有的多個量進(jìn)行綜合處理、整體考慮，并且將非線性的電力系統(tǒng)在小干擾的穩(wěn)定性這一特定條件之下視為線性進(jìn)行處理，使得穩(wěn)定性大幅度提高，1985年的甘肅碧口電站就采用了這種控制方式[2]。

（4）非線性勵磁控制

由于對于整個發(fā)電-電動機(jī)來說，其本身就是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，使用線性模型分析會使得其結(jié)果與實(shí)際有較大的偏差?？v然可以通過各種手段，例如各種擬合算法來彌補(bǔ)和逼近實(shí)際值，但是在受到干擾的情況下其模型的計算值依舊會有各種噪聲和誤差，所以直接使用非線性系統(tǒng)就可以改善以上的情況。隨著近代微分幾何學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，非線性模型也有很大的發(fā)展和完善，例如哈密頓控制設(shè)計、魯棒控制設(shè)計、自適應(yīng)勵磁控制設(shè)計等，其擬合結(jié)果相比較于線性計算有了較大的提升[3]。

（5）智能控制方式

近年來雖然摩爾定律已經(jīng)不能完全的預(yù)測和指導(dǎo)半導(dǎo)體技術(shù)尤其是高端處理器的發(fā)展，但是依托于技術(shù)積累，處理器的頻率、速度、算力已經(jīng)有了飛躍的進(jìn)步，并且其功耗和面積也有了大幅的降低。大型抽水蓄能電站已經(jīng)從原來的復(fù)雜指令集CISC轉(zhuǎn)變?yōu)镽ISC精簡指令集架構(gòu)，如UNITROL6000、NES5100等。圖1為由南瑞開發(fā)的NES5100芯片，其中ARM核采用RISC精簡指令集微架構(gòu)負(fù)責(zé)加載VxWork操作系統(tǒng)，DSP為數(shù)字信號處理器，主要負(fù)責(zé)模擬量開入量，F(xiàn)PGA現(xiàn)場可編程邏輯門陣列負(fù)責(zé)勵磁邏輯的運(yùn)算和控制。多個處理器互相配合使得運(yùn)算精度和處理速度得到大幅提高。

圖1 NES5100

結(jié)合計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能已經(jīng)開始讓電影中的景象在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。各種模型可以在學(xué)習(xí)海量的數(shù)據(jù)以后擁有近似于人類的某些能力，依據(jù)這種能力來進(jìn)行勵磁控制也不失為一種方法。國內(nèi)外的大學(xué)已經(jīng)開始了這方面的研究，相信在不久的將來可以有技術(shù)上的突破。

在現(xiàn)階段，綜合運(yùn)用以上的方法來進(jìn)行勵磁系統(tǒng)的控制可能也不失為一種辦法，由于發(fā)電-電動機(jī)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，以往的一招鮮吃遍天的辦法可能無法適應(yīng)日益增長的對于精準(zhǔn)快速的勵磁調(diào)節(jié)的要求，每種模型和算法都有自己的適用場景，靈活多變的組合使用，可能會有更好的結(jié)果。

3 沙河電站勵磁系統(tǒng)

沙河電站勵磁系統(tǒng)為南瑞繼保公司的RCS-9400設(shè)備，主要由交流進(jìn)線柜、滅磁柜、可控硅整流柜、勵磁調(diào)節(jié)柜組成。勵磁電源取自主變低壓側(cè)，經(jīng)過勵磁變降壓為380 V后供給轉(zhuǎn)子繞組。

3.1 勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

勵磁功率單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由變壓器ET、勵磁變低壓開關(guān)ECB、可控硅整流裝置THY、滅磁電阻R、滅磁開關(guān)FCB、勵磁過電壓裝置及冷卻單元組成（圖2）。

圖2 勵磁系統(tǒng)主回路接線圖

（1）可控硅整流裝置

整流裝置主要將勵磁變提供的交流電經(jīng)過全波整流和濾波后轉(zhuǎn)化為直流電。由于全部使用可控硅管，通過切換控制角α，整個裝置可以在整流和逆變的兩種狀態(tài)下切換。當(dāng)α＞90°處在逆變狀態(tài)下時，能夠?qū)l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的能量反饋到勵磁電源上進(jìn)行逆變滅磁。沙河電站可控硅橋位于兩套互為備用的可控硅整流柜內(nèi)，類型為ABB三相，峰值電壓為1 800 V，每橋額定直流電流為1 825 A，冷卻方式為風(fēng)冷。

（2）勵磁變壓器

沙河電站勵磁變?yōu)槿喔墒绞覂?nèi)變壓器，其位置在8樓勵磁變與廠變室，變比為10.5 kV/0.35 kV，額定容量為644 kVA。

（3）滅磁開關(guān)和滅磁電阻

滅磁開關(guān)的作用是如果發(fā)電-電動機(jī)發(fā)生故障，迅速切除勵磁電流，從而達(dá)到釋放發(fā)電-電動機(jī)磁場繞組中龐大能量的目的，保護(hù)發(fā)電-電動機(jī)的安全。滅磁電阻使用碳化硅非線性電阻，可以盡快釋放磁場能量，將發(fā)電機(jī)電壓降低。

（4）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要服務(wù)對象是可控硅。一般來說可控硅發(fā)熱的原因是損耗，由通態(tài)損耗、斷態(tài)和反向損耗、開關(guān)損耗以及門機(jī)損耗組成。通態(tài)損耗是主要的發(fā)熱原因[4]。沙河電站冷卻系統(tǒng)為雙路風(fēng)機(jī)冷卻，正常運(yùn)行時有一臺風(fēng)機(jī)作為備用，當(dāng)雙路風(fēng)機(jī)都出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍然可以運(yùn)行，但是需要加強(qiáng)監(jiān)控，如果溫度上升過快，則需要進(jìn)行停機(jī)處理。其電源取自廠用電的雙路供電，其位置在可控硅整流柜的上方。

（5）勵磁調(diào)節(jié)單元

對于抽水蓄能電站中的勵磁調(diào)節(jié)單元來說，一般使用基于微處理器的數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器可以根據(jù)發(fā)電-電動機(jī)電壓和工況的變化來調(diào)整功率單元輸出的勵磁電流，通過增大和減少可控硅的角度來維持機(jī)端電壓的穩(wěn)定。除此之外還要能夠合理分配機(jī)組的無功功率，對于故障能夠迅速反應(yīng)，具備強(qiáng)行勵磁等一系列控制功能，以提高暫態(tài)穩(wěn)定性和改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件[5]。

沙河電站勵磁控制系統(tǒng)由互為冗余的雙通道微機(jī)控制調(diào)節(jié)單元組成，每個通道有獨(dú)立的電源、采樣單元、報警單元?；ハ嗒?dú)立的同時也互為備用，當(dāng)其中一個通道作為主用時，備用通道實(shí)時進(jìn)行跟蹤，以便在發(fā)生故障時能夠順利接手。

調(diào)節(jié)器由電源系統(tǒng)、信號測量系統(tǒng)、脈沖形成單元、AVR/FCR、PSS輔助控制單元等組成。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷時，勵磁系統(tǒng)具有通過改變勵磁電流，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓和發(fā)電機(jī)無功功率的功能。

3.2 運(yùn)行方式

1號、2號機(jī)組勵磁系統(tǒng)運(yùn)行方式一致。在開機(jī)過程中主要實(shí)現(xiàn)機(jī)組的平穩(wěn)建壓并網(wǎng)，停機(jī)過程實(shí)現(xiàn)快速滅磁并反向制動，機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中則保證機(jī)端電壓與電網(wǎng)一致，使機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)；勵磁控制方式取決于機(jī)組的工作模式。按運(yùn)行過程的不同，勵磁系統(tǒng)運(yùn)行可分為：啟動、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和停機(jī)滅磁3個基本階段。

3.2.1 啟動階段

（1）BTB啟動的拖動機(jī)

勵磁系統(tǒng)接到上位機(jī)BTB啟動指令后，勵磁強(qiáng)制于固定值方式加勵磁電流If0，遠(yuǎn)方、近控均不可調(diào)節(jié)。當(dāng)拖動機(jī)和被拖動機(jī)的轉(zhuǎn)速大于95%額定轉(zhuǎn)速時，勵磁調(diào)節(jié)器切換至自動通道并自動跟隨系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，經(jīng)過一定延時，由同步裝置調(diào)整勵磁電流同步，直至被拖動機(jī)并網(wǎng)后把拖動機(jī)解列。若勵磁電流超出0.9～1.3If0范圍，滅磁開關(guān)將跳閘。

（2）水輪機(jī)工況啟動

當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到95%額定轉(zhuǎn)速時投入勵磁，在自動通道運(yùn)行并自動跟隨系統(tǒng)電壓，經(jīng)延時2 s投入同期調(diào)節(jié)并網(wǎng)。

（3）BTB啟動的被拖動機(jī)

這時勵磁調(diào)節(jié)器強(qiáng)制在固定調(diào)節(jié)運(yùn)行，If=If0；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速時，自動通道投入并跟隨電網(wǎng)電壓，延時5 s后由同期裝置調(diào)節(jié)拖動機(jī)的勵磁電流，直到并網(wǎng)。

（4）SFC啟動方式的水泵

其控制過程與背靠背啟動方式基本一致。不同的是，強(qiáng)制固定勵磁電流為：當(dāng)f=0～10 Hz時，If=Icc/3；當(dāng)f＞10 Hz時，If=Icc。

（5）黑啟動起勵方式

此種運(yùn)行方式為當(dāng)電網(wǎng)電源丟失，由本站直流電源自起勵過程。在滅磁開關(guān)合上的情況下，檢測到勵磁變電源、電制動備用電源丟失且允許直流起勵時，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速后自動投入直流起勵回路，直至機(jī)組電壓達(dá)到額定電壓50%后，10 kV勵磁變經(jīng)發(fā)電機(jī)開關(guān)帶電并使可控硅控制起勵電流（主勵磁回路投入）。此過程必須與機(jī)組的黑啟動流程相配合。

3.2.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段

機(jī)組并網(wǎng)至穩(wěn)態(tài)后，水輪機(jī)工況和水泵工況下，勵磁系統(tǒng)的運(yùn)行方式基本一致，勵磁默認(rèn)為定子電壓給定控制，運(yùn)行人員可根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，在上位機(jī)通過在“PQF” 控制畫面上設(shè)定無功或在“AVC”控制畫面上設(shè)定電壓等方式來控制調(diào)節(jié)勵磁電流的大小。勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)外部給定的參數(shù)，通過PID調(diào)節(jié)及過勵限制、定子過電壓限制、欠勵限制等功能模塊實(shí)現(xiàn)有效的勵磁調(diào)節(jié)。

3.2.3 停機(jī)階段

機(jī)組停機(jī)，出口開關(guān)跳開后，勵磁給定電壓、功率因素及無功功率均為0，調(diào)節(jié)器調(diào)整可控硅橋的觸發(fā)角減少勵磁輸出電流至0，同時跳開滅磁開關(guān)并通過二極管聯(lián)接非線性電阻實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子滅磁。在停機(jī)過程中，電氣制動在轉(zhuǎn)速小于50%額定轉(zhuǎn)速時投入，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速時投機(jī)械制動，直到小于1%額定轉(zhuǎn)速時退出。電氣制動的電源來自勵磁變，廠用交流380 V作為備用電源。電氣制動時，強(qiáng)制勵磁電流為Icc。發(fā)生電氣故障時，電氣制動退出，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至25%額定轉(zhuǎn)速時投入機(jī)械制動。

4 結(jié)語

勵磁系統(tǒng)作為電站重要設(shè)備之一，在日常運(yùn)行和檢修中一直受到運(yùn)行和檢修人員的密切關(guān)注，也是機(jī)動巡檢和日常巡檢的重點(diǎn)之一。 由于設(shè)備備件昂貴，訂貨周期較長，技術(shù)保密和故障依賴供貨商等原因，經(jīng)過認(rèn)真論證和考慮，沙河電站在2012年和2013年將已經(jīng)使用了10年的原先由ALSTOM公司生產(chǎn)的純進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，改造后設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。