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行過程中普遍存在無功功率欠缺，以及小水電集中時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，如果水輪機組集中，就會導致母線電壓過高，造成電站無功相對不足，同時無功負荷缺額大，有功功率消耗也非常大。產生這個問題的一個重要的原因是勵磁系統(tǒng)選擇不當，發(fā)電機的無功不能達到額定值，導致發(fā)電機組的無功達不到考核要求。另外由于小機組經過長距離輸電線路與電網連接，線路對地電容可能引起同步發(fā)電機的自勵磁現(xiàn)象，可能引起系統(tǒng)振蕩導致機組解列。上述問題的產生均與勵磁系統(tǒng)有著密切的關系。本文從勵磁方式及功率回路、勵磁功能和勵磁調節(jié)器三項關鍵技術方面分析勵磁系統(tǒng)對水輪機組運行的影響。

1 勵磁方式及功率回路

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

直流勵磁機勵磁方式具有結構簡單，調節(jié)方便等優(yōu)點，但其維護工作量大，調節(jié)時間常數(shù)大，不適宜在小水電站使用。交流勵磁機勵磁方式具有可靠性高等優(yōu)點，但其調節(jié)速度較慢，維護工作量大，需要增加機組主軸長度，且在發(fā)電機出口或系統(tǒng)母線發(fā)生短路等故障時對電壓的支撐不夠，也不適宜在小水電站使用。靜止可控硅勵磁系統(tǒng)的調節(jié)速度快，且在發(fā)電機出口或系統(tǒng)母線發(fā)生故障時對電壓具有較好的支撐作用，尤其是自并激勵磁方式由于沒有旋轉部分，設備構成相對簡單，且具有可靠性高、時間常數(shù)小、勵磁調節(jié)速度快以及造價低、維護工作量小等諸多優(yōu)點，因此小型水電站應優(yōu)先采用這種勵磁方式。

目前小型水電站常見的自并激靜止性勵磁功率回路有三相半控橋和三相全控橋兩種。半控橋結構簡單，但是可控硅脈沖消失后，容易失控，電壓升高，當發(fā)電機組需要停機時，不能將轉子的能量回饋。因此勵磁系統(tǒng)比較適合的主回路為三相全控橋，其電路具有六個可控硅元件，三個共陰極，三個共陽極。在正常工作時，通過觸發(fā)角的控制使勵磁系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)。在發(fā)生事故時，可以進行強勵等，使機組能夠發(fā)出較高的電壓。

利用三相全控橋電路的逆變特性，當發(fā)電機與系統(tǒng)突然解列時，使整流橋進入逆變狀態(tài)，可快速地將儲存在轉子回路的磁場能量回饋給電網，有效地抑制發(fā)電機機端電壓的上升，改善發(fā)電機及相關設備的運行條件。此外，當發(fā)電機正常停機時，利用逆變滅磁，可快速地將機端電壓降為0，而不需跳滅磁開關，滅磁開關只在機組事故時跳開。這樣可大大減少滅磁開關的跳合次數(shù)，延長使用壽命。

在豐水期，機組通常滿額發(fā)電，如果原有勵磁繞組的散熱容量沒有余量，為了適應電網電壓過高的發(fā)電要求，必然使勵磁繞組溫升超限，從而影響機組運行的安全可靠性。這個問題在洋縣蕎麥山電站比較明顯，由于受到勵磁繞組溫升的限制，采用增加勵磁電流來增大無功輸出的各種方案，均收效有限。因此，首先應提高勵磁繞組的溫升限制，再通過增加勵磁電流來提高無功功率。在電磁設計時，按增大后的勵磁電流來設計勵磁繞組，并將發(fā)電機轉子的溫升控制在允許范圍內，使其具有一定的調節(jié)空間。另外，提高勵磁繞組的絕緣等級也可增大勵磁繞組的溫升限值。若在實際中難以對勵磁繞組進行改造，可采用無功補償?shù)姆椒▉砀纳茻o功，蕎麥山電站采用無功補償?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端電壓，比如電網末端或固網情況下。對于勵磁系統(tǒng)，為了保證無功發(fā)送的正常和機端電壓的正常，應具有以下功能：

恒機端電壓PID調節(jié)（自動調節(jié)的一種），可以實現(xiàn)良好的并網及維持電壓恒定。小水電站往往處在電網的末端，電網的電壓水平一般較低，需要在勵磁系統(tǒng)采用PID調節(jié)來維持機端電壓穩(wěn)定。

恒勵磁電流PID調節(jié)（手動調節(jié)），在功率及電壓測量信號異常時保證機組運行。在水電自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，繼續(xù)保持水電的運行，實現(xiàn)水電的生產效益具有重要作用。

保證機組無沖擊地進行手動/自動切換。機組在勵磁系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如功率變送器、電壓互感器出現(xiàn)故障，需要由自動控制轉換到手動控制時，勵磁系統(tǒng)不能出現(xiàn)大的波動而保持穩(wěn)定運行，該功能是系統(tǒng)帶故障運行的重要保證。

保證機組甩負荷時機端電壓能迅速穩(wěn)定在額定電壓水平。在系統(tǒng)發(fā)生事故導致系統(tǒng)解列時保證機組的安全。

恒無功運行（自動調節(jié)的一種），保證機組發(fā)出無功可控。該功能在機組正常運行時是主要運行方式。

無功調差，正負調差可設定，且調差大小連續(xù)可調。由于小型水電機組位于電網的非末端中，一般需要根據(jù)調差系統(tǒng)控制發(fā)電機組承擔的無功，因此調差的可調節(jié)有利于機組根據(jù)需要調解無功功率。

限制和保護功能，對于機組的安全具有重要作用。一般包括機組欠勵保護，防止機組進相運行過深；過勵保護，防止勵磁系統(tǒng)長時間大電流運行損壞發(fā)電機轉子繞組，從而造成事故；電壓/頻率保護，主要限制發(fā)電機端電壓和頻率的比值，防止發(fā)電機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斷線檢測與保護、容錯功能，保證機組在個別信號異常時不停機，嚴重信號異常時機組安全停機。

3 勵磁調節(jié)器

在小型水電站中，采用的勵磁調節(jié)器主要有模擬電路型、基于單片微機型、基于PLC型、基于DSP型和基于PCC型。

模擬電路型勵磁調節(jié)器直觀，運行時間較長，價格較低，在小型水電站中應用較多。但其功能比較單一，往往僅具有端電壓或勵磁電流調節(jié)功能，幾乎沒有限制保護功能，性能指標也較差，且隨著時間的推移，電路參數(shù)容易發(fā)生漂移，使運行的穩(wěn)定性和可靠性受到影響。建議進行改造。

單片微機型勵磁調節(jié)器是目前在水電站中應用較多的一種勵磁調節(jié)器。微機型勵磁調節(jié)器一般均設有完善的最大勵磁限制、過勵磁限制等限制保護功能，還配置有發(fā)電機端電壓調節(jié)和勵磁電流調節(jié)功能，且機端電壓調節(jié)和勵磁電流調節(jié)兩種方式之間具有自動跟蹤功能，可實現(xiàn)無擾動切換，完全可滿足小型水電站的各項運行要求。其主要問題是，單片機外圍電路為各廠家獨自研制，抗干擾性較差，另外，由于處理速度相對較慢，高速、高精度控制受限。

PLC型勵磁調節(jié)器是一種基于通用可編程邏輯控制器的勵磁控制設備，近幾年才開始在水電站中應用。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磁調節(jié)器中的一種根本原因。但正因為此，PLC輸入輸出的響應速度較慢，不能滿足勵磁控制的需要。由PLC構成的勵磁調節(jié)器一般在PLC前設有信號變送回路，將要采集的信號轉換為直流電壓信號送至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型勵磁調節(jié)器的動態(tài)性能指標較單片微機型勵磁調節(jié)器的差，而且需要大量的自制電路，其可靠性也不如預想的高。

DSP型勵磁調節(jié)器是一種基于高速處理平臺的勵磁控制器，具有功能完善、可擴充性強以及調節(jié)速度快等特點，適合大中小各類機組，是一種較好的勵磁調節(jié)器。其缺陷與單片微機型勵磁調節(jié)器類似，外圍電路等由各廠家自行設計，因此抗干擾性能較差。

PCC型勵磁調節(jié)器是一種結合PLC可靠性和微機靈活性的勵磁調節(jié)器，可靠性高、處理速度快，可實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的各種控制和限制保護功能，適合各種類型的發(fā)電機組，也是一種較好的勵磁調節(jié)器。當然，PCC勵磁調節(jié)器與其他的勵磁調節(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格。

4 結語

針對小型水電站普遍存在無功不足和功率送出困難等問題，分析了勵磁系統(tǒng)關鍵技術對水輪機組的影響。小型水電站在配置或更新勵磁系統(tǒng)時，建議勵磁方式采用自并激勵磁，整流回路采用三相全控整流橋，以有效降低發(fā)電機甩負荷時的電壓上升值，并減少滅磁開關的跳合次數(shù)；勵磁調節(jié)器應選用性價比較高的微機勵磁調節(jié)器、DSP型勵磁調節(jié)器和PCC型勵磁調節(jié)器，且設置合理的調節(jié)功能和基本的限制保護及容錯控制功能，同時合理配置備用設備，以提高電站的安全性和經濟性。

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