姜宏君，苑慶山

(黑河辰能西溝水電有限責(zé)任公司，黑龍江 黑河 164300)

0 前言

西溝水電站是黑龍江北部電網(wǎng)裝機(jī)容量較大的一座調(diào)峰電站，是我國(guó)20世紀(jì)80年代中期自行設(shè)計(jì)并開工建設(shè)、90年代初建成的老牌電站，在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的任務(wù)。運(yùn)行近20 a來(lái)，其綜合效益良好，為緩解黑龍江北部電網(wǎng)的電力緊張、為當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)作出了巨大貢獻(xiàn)。西溝水電站的機(jī)電設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)80年代常規(guī)設(shè)備，設(shè)計(jì)落后，設(shè)備在前期運(yùn)行情況良好，自1996年以來(lái)逐漸暴露出一些不穩(wěn)定因素，給電廠的安全運(yùn)行帶來(lái)極大威脅。

西溝水電站勵(lì)磁系統(tǒng)原采用KGL-500Q可控硅勵(lì)磁裝置，為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的需要，1999年進(jìn)行了更新改造，將原半導(dǎo)體模擬調(diào)節(jié)器改造為JSWL-1型STD雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，自此勵(lì)磁系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性得到了改善。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，該調(diào)節(jié)器元器件日益老化，故障率逐年增多，維護(hù)工作量較大且備品備件不易購(gòu)買;而且，該勵(lì)磁系統(tǒng)電壓增長(zhǎng)速度緩慢，電壓反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，常出現(xiàn)不能正常動(dòng)作以及FMK在操作過(guò)程中反復(fù)跳躍現(xiàn)象，已遠(yuǎn)不適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展對(duì)水電廠管理的要求。2007年，西溝水電站經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)可行性論證后，再次對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

1 西溝水電站發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)

西溝水電站共裝設(shè)2臺(tái)單機(jī)容量為18 MW的立式混流水輪發(fā)電機(jī)組，采用一機(jī)一變的單元接線方式，110 kV線路與系統(tǒng)“π”接。水輪發(fā)電機(jī)組為武漢汽輪機(jī)廠制造的混流式機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為HLA194-LJ-140，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF18-10/3000，發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)介紹

西溝水電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是DSP型MEC-21B3自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一套，相互獨(dú)立設(shè)置。該勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁變壓器、MEC-21B3微機(jī)勵(lì)磁控制器、STR-600A大功率可控硅整流裝置、DM8-630A滅磁及過(guò)壓保護(hù)柜等組成。盤柜布局見圖1。

表1 西溝水電廠發(fā)電機(jī)參數(shù)(1F、2F)

本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器屬雙自動(dòng)通道并帶有手動(dòng)控制單元的全數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其中每一通道具有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能(AVR)、恒無(wú)功功率調(diào)節(jié)功能(RPR)、恒勵(lì)磁電流運(yùn)行(FCR)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)功能。當(dāng)某一通道故障時(shí)自動(dòng)進(jìn)行通道切換，也可以手動(dòng)進(jìn)行通道切換，只有當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能(AVR)全部故障時(shí)才會(huì)切換到手動(dòng)控制方式運(yùn)行。人機(jī)界面采用液晶中文文本顯示器，可以在線修改、整定各種限制參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)十分方便。系統(tǒng)大功率整流部分采用1個(gè)三相全控晶閘管整流橋，單橋可滿足包括2倍強(qiáng)勵(lì)的所有運(yùn)行工況。裝設(shè)盤頂風(fēng)機(jī)，負(fù)壓冷卻，接線簡(jiǎn)單明晰，便于檢修維護(hù)。滅磁裝置正常時(shí)采用逆變滅磁，事故時(shí)采用DM8滅磁開關(guān)配合線性電阻滅磁，裝設(shè)氧化鋅復(fù)合式轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)由1面調(diào)節(jié)器柜、1面可控硅整流橋和滅磁過(guò)壓保護(hù)柜共2面柜組成，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。整套裝置具有調(diào)壓精度高、速度快、操作簡(jiǎn)單、可靠性高、免維護(hù)以及運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。同時(shí)本系統(tǒng)可以現(xiàn)地和遠(yuǎn)方進(jìn)行機(jī)組的手自動(dòng)開停機(jī)。與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有良好的通信接口，能接收電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號(hào)，并向電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上傳勵(lì)磁系統(tǒng)有關(guān)信息。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)盤柜布局圖

2.1 勵(lì)磁變壓器

西溝水電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器為GB-315/6.3型三相干式變壓器，連接組別為△/YO-1，容量315 KVA，變比6 300 V/340 V，自冷，阻抗電壓4.5%。高壓側(cè)為封閉母線連接，低壓側(cè)采用電纜連接;2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器為GB-400/6.3型三相干式變壓器，連接組別為△/YO-1，容量400 KVA，變比6 300 V/340 V，自冷，阻抗電壓4.5%。高壓側(cè)為封閉母線連接，低壓側(cè)采用電纜連接。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器均接在發(fā)電機(jī)出口端，只要發(fā)電機(jī)運(yùn)行，就有勵(lì)磁電源，起勵(lì)靠殘壓和他勵(lì)電源實(shí)現(xiàn)。

2.2 MEC-21B3微機(jī)勵(lì)磁控制器

MEC-21B3微機(jī)勵(lì)磁控制器是整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制部分，完成勵(lì)磁系統(tǒng)各種狀態(tài)開關(guān)量的采樣和系統(tǒng)電氣參數(shù)的采樣計(jì)算，根據(jù)開關(guān)量狀態(tài)和電氣參數(shù)值進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析、判斷和處理，根據(jù)線性最優(yōu)控制規(guī)律進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，并按計(jì)算出的α角輸出可控硅觸發(fā)脈沖，保持勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也輸出勵(lì)磁系統(tǒng)異常運(yùn)行狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)控制和正常逆變停機(jī)功能。

MEC-21B3微機(jī)勵(lì)磁控制器由兩套在軟件、硬件及結(jié)構(gòu)上完全相同的自動(dòng)通道組成，100%冗余結(jié)構(gòu)。而且在每一自動(dòng)通道中設(shè)有手動(dòng)控制單元。兩通道采用熱備用的運(yùn)行方式，同時(shí)接受輸入控制與調(diào)節(jié)信號(hào)并執(zhí)行操作與調(diào)節(jié)，但只有處于工作狀態(tài)的通道有輸出和觸發(fā)脈沖，一旦工作通道發(fā)生故障則備用通道自動(dòng)投入運(yùn)行，并閉鎖故障通道，防止誤切入故障通道，當(dāng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器2通道的電壓調(diào)節(jié)(AVR)方式同時(shí)故障時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)切換至勵(lì)磁電流(FCR)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行。通道間實(shí)時(shí)通信跟蹤。保證系統(tǒng)不會(huì)因任何切換而發(fā)生擾動(dòng)。

2.3 STR-630A大功率可控硅整流裝置

STR-630A大功率可控硅整流裝置是系統(tǒng)的功率部分，并通過(guò)滅磁開關(guān)為發(fā)電機(jī)提供所需要的勵(lì)磁電流，它采用兩只W2F200-HH38-1盤頂軸流冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)整流功率單元進(jìn)行冷卻。因此整流柜和風(fēng)機(jī)柜常常被認(rèn)為是一個(gè)整體，稱為整流系統(tǒng)。整流系統(tǒng)的輸出電流由調(diào)節(jié)器提供的移相觸發(fā)脈沖控制，并為調(diào)節(jié)器提供可控硅快熔熔斷信號(hào)和停風(fēng)信號(hào)，供調(diào)節(jié)器進(jìn)行輸出電流限制。

可控硅整流裝置采用三相全控整流橋整流方式，強(qiáng)迫風(fēng)冷，每套勵(lì)磁系統(tǒng)的可控硅整流橋采用1個(gè)三相全控整流橋。單個(gè)整流橋的主要部件包括:①6只大功率可控硅;②1套智能脈沖檢測(cè)單元;③6個(gè)帶接點(diǎn)指示的快速熔斷器;④1塊具有屏蔽保護(hù)功能的脈沖功率放大盒監(jiān)測(cè)風(fēng)速的探測(cè)器;⑤便于檢修、退出的交流隔離刀閘;⑥6個(gè)高耐壓(15 kV)、高可靠性的環(huán)氧澆注脈沖變壓器。

2.4 DM8-630A滅磁及過(guò)壓保護(hù)柜

DM8-630A滅磁及過(guò)壓保護(hù)柜是發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)故障快速滅磁保護(hù)裝置和可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)裝置。

滅磁裝置保證在任何需要滅磁的工況下(包括發(fā)電機(jī)空載滅磁、發(fā)電機(jī)甩額定負(fù)荷滅磁、誤強(qiáng)勵(lì)事故滅磁以及機(jī)端三相短路情況)快速、可靠滅磁。滅磁開關(guān)選用DM8-630A-2/1快速滅弧的雙斷口直流斷路器。發(fā)電機(jī)正常停機(jī)時(shí)采用逆變滅磁，無(wú)需跳滅磁開關(guān)。事故停機(jī)時(shí)采用DM8型直流磁場(chǎng)斷路器配合線性電阻滅磁，跳滅磁開關(guān)、投入線性電阻，將轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移線性電阻上滅磁。過(guò)電壓保護(hù)采用氧化鋅非線性電阻。在可控硅整流橋交流側(cè)、直流側(cè)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)同時(shí)裝設(shè)氧化鋅非線性電阻過(guò)電壓保護(hù)裝置，用以保護(hù)可控硅機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈。滅磁時(shí)保證勵(lì)磁繞組兩端的電壓瞬時(shí)值不超過(guò)該繞組對(duì)地交接驗(yàn)收試驗(yàn)電壓幅值的50%。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)主要特點(diǎn)

西溝水電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用DSP型MEC-21B3全數(shù)字式靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。其顯著特點(diǎn)是:硬件簡(jiǎn)單可靠、軟件模塊功能化、調(diào)節(jié)測(cè)量數(shù)字化、操作界面的人性化，其綜合性能指標(biāo)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。

3.1 LOEC線性最優(yōu)控制理論(算法之一)

多變量(ΔVt、ΔP、Δf)控制與單變量(ΔVt)PID 控制相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其主要表現(xiàn)為，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，抑制低頻振蕩，有效提高發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)極限和與之相連的電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，具有優(yōu)于PID+PSS(Power System Stabilizer)的性能。除LOEC線性最優(yōu)控制算法之外，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器還提供P、PI、PD、PID+PSS多種控制算法供用戶選擇。最優(yōu)控制算法見圖2。

3.2 DSP交流采樣技術(shù)

交流采樣定子電壓和定子電流:發(fā)電機(jī)定子電壓和定子電流經(jīng)PT和CT副方轉(zhuǎn)換、濾波以后直接進(jìn)入智能DSP采樣板，微機(jī)系統(tǒng)依此計(jì)算發(fā)電機(jī)定子電壓VF、定子電流IF、有功功率P、無(wú)功功率Q、省去了模擬式變送器這種中間環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了外圍硬件，提高了響應(yīng)速度和抗干擾能力，增強(qiáng)了裝置的可靠性。

圖2 線性最優(yōu)控制算法

3.3 同步回路斷線保護(hù)

獨(dú)特的同步電路設(shè)計(jì)，保證了同步信號(hào)穩(wěn)定、可靠。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

1)在發(fā)電機(jī)電壓從殘壓到130%額定電壓范圍內(nèi)變化，同步方波始終穩(wěn)定。

2)同步回路無(wú)論是在同步變壓器原方還是在副方發(fā)生一相斷線故障時(shí)，都能保證發(fā)電機(jī)在原工況下穩(wěn)定運(yùn)行，不受影響。

3.4 脈沖直接形成技術(shù)

采用新一代專業(yè)數(shù)據(jù)處理器DSP的高速輸出作為智能脈沖處理。無(wú)需主控CPU干預(yù)，可以執(zhí)行正常流程。這種脈沖產(chǎn)生方式非常簡(jiǎn)單自然，硬件、軟件均很簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的脈沖穩(wěn)定可靠。

3.5 容錯(cuò)及自診斷功能

微機(jī)系統(tǒng)自身具有自我診斷能力。軟件時(shí)刻對(duì)CPU板、DSP板、開關(guān)量板以及微機(jī)工作電源進(jìn)行在線診斷，可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)故障立即由軟件輸出、硬件自動(dòng)切換。完善的自診斷及軟、硬件容錯(cuò)技術(shù)，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行，防止人為誤操作。

3.6 歐式針孔連接器

歐式針孔連接器采用四面彈簧壓緊結(jié)構(gòu)，全封閉防塵，接觸好，可靠性高，徹底取消了邊緣金手指連接方式，具有抗強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)的能力?？梢栽跇O其惡劣的環(huán)境中使用，滿足運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及有劇烈震動(dòng)場(chǎng)合對(duì)工控機(jī)的要求。

圖3 歐式針孔連接器

3.7 電路表面貼裝工藝

勵(lì)磁控制器采用先進(jìn)的表面貼裝技術(shù)，電子元器件功耗低，發(fā)熱量小，可靠性高，不需進(jìn)行額外的通風(fēng)散熱處理。同時(shí)采用了無(wú)源濾波、加裝磁阻、使用工業(yè)級(jí)濾波器等多種電磁兼容技術(shù)，加強(qiáng)了對(duì)電源線路上的低頻干擾的抑制能力，整體抗干擾能力達(dá)到4級(jí)。

圖4 表面貼裝工藝和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱

3.8 液晶中文文本顯示器

人機(jī)界面采用液晶中文文本顯示器，可以在線修改、整定各種限制參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)十分方便。

4 MEC-21B3自并激勵(lì)磁系統(tǒng)主要功能

MEC-21B3自并激勵(lì)磁系統(tǒng)主要功能包括:①發(fā)電機(jī)恒電壓控制;②發(fā)電機(jī)恒磁場(chǎng)電流控制;③恒功率因數(shù)控制;④恒無(wú)功控制:⑤軟起勵(lì)/強(qiáng)勵(lì)功能;⑥P/Q限制功能;⑦過(guò)勵(lì)磁限制;⑧低勵(lì)磁限制;⑨最小勵(lì)磁電流限制;⑩定子電流限制;B11V/Hz限制，V/Hz保護(hù);B12無(wú)功電流補(bǔ)償;B13PT斷線保護(hù);B14勵(lì)磁自動(dòng)投入/切除;B15電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)。

5 勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行情況

西溝水電站采用的MEC-21B3自并激勵(lì)磁系統(tǒng)自改造投運(yùn)至今已安全運(yùn)行4 a，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)功能良好，可靠性高。運(yùn)行人員可以通過(guò)液晶顯示器監(jiān)視各項(xiàng)參數(shù)，有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、機(jī)端電壓、機(jī)組頻率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、調(diào)節(jié)輸出以及各項(xiàng)限制設(shè)置和給定數(shù)據(jù)，勵(lì)磁裝置故障也能明確顯示頻率故障、風(fēng)機(jī)故障、低勵(lì)、過(guò)勵(lì)等。采用逆變滅磁，可以瞬間把機(jī)端電壓降到零，滅磁效果安全快速。檢修方便，維護(hù)量少?？傊?，MEC-21B3自并激勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，完全滿足我站“無(wú)人值班、少人值守”運(yùn)行模式的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多人性化的電站控制設(shè)備被廣泛應(yīng)用，替代老式的控制設(shè)備，最終取代工人的重復(fù)體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”。MEC-21B3自并激勵(lì)磁系統(tǒng)獨(dú)特的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)特性，較高的安全和可靠性，運(yùn)行穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)方便，同時(shí)具有節(jié)能效應(yīng)，是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)改造的方向，有較好的應(yīng)用前景。

[1] 黑河辰能西溝水電有限責(zé)任公司.西溝水電站勵(lì)磁系統(tǒng)改造技術(shù)協(xié)議[M].黑河:黑河辰能西溝水電有限責(zé)任公司，2007.

[2] 況明偉.大朝山水電站勵(lì)磁系統(tǒng)介紹[J].水利水電技術(shù)，2005，28(4):50-53.