何衛(wèi)東

（湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州425599）

0 前言

涔天河水電站位于湖南永州市江華瑤族自治縣涔天河鎮(zhèn)，電站裝機(jī)4臺(tái)立式混流機(jī)組，容量為4×50 MW。

本項(xiàng)目的勵(lì)磁裝置采用EXC9100微機(jī)型靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，主要由調(diào)節(jié)器柜、整流功率柜、滅磁開(kāi)關(guān)柜等幾部分組成。

本文從勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，探討勵(lì)磁系統(tǒng)主要部件的配置和選型。

1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通道配置

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁系統(tǒng)的核心，為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，調(diào)節(jié)通道宜采用冗余配置方式。涔天河水電站EXC9100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用三微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)通道（A、B、C 3個(gè)通道）架構(gòu)，工作+備用工作方式。A、B通道為對(duì)等冗余通道，互為備用；C為A、B的后備通道，當(dāng)A、B通道均故障時(shí)切至C通道運(yùn)行。每個(gè)調(diào)節(jié)器通道包含有2種運(yùn)行方式：自動(dòng)AVR與手動(dòng)FCR控制單元。

A、B通道的測(cè)量信號(hào)分別通過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端勵(lì)磁專用的電壓互感器BV1、BV2和電流互感器BA1、BA2取得。C通道的測(cè)量信號(hào)，如現(xiàn)場(chǎng)具備條件，可由發(fā)電機(jī)機(jī)端第3套BV3、BA3提供，也可取自A、B通道。取自勵(lì)磁變副邊的三相同步電壓信號(hào)及勵(lì)磁電流信號(hào)，為3個(gè)通道所共用。

系統(tǒng)默認(rèn)A通道為主運(yùn)行通道、B通道為主備用通道，并可通過(guò)程序設(shè)定主運(yùn)行通道。通道間采用熱備用的運(yùn)行方式，主備用通道、后備備用C通道同時(shí)跟蹤主運(yùn)行通道的脈沖輸出，確保各通道的脈沖輸出一致，通道切換時(shí)平穩(wěn)且擾動(dòng)小。并且，各通道同時(shí)接收控制與調(diào)節(jié)信號(hào)，并執(zhí)行操作與調(diào)節(jié)，但只有該通道處于主運(yùn)行通道狀態(tài)時(shí)，通道才輸出信號(hào)和觸發(fā)脈沖。在工作通道出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)備用通道瞬間自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉和退出有問(wèn)題的通道，不再投入。如勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作和備用通道的電壓調(diào)節(jié)方式（AVR）同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，將立即投入FCR工作。工作和備用通道間采用智能即時(shí)信號(hào)聯(lián)系，確保勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作方式的無(wú)擾變換。

EXC9100調(diào)節(jié)器對(duì)通道可用狀態(tài)進(jìn)行智能分級(jí)管理，使調(diào)節(jié)器熱備用組合更加合理。通道工作狀態(tài)分為 0、1、2、3四個(gè)等級(jí)，3級(jí)為最高，0級(jí)為最低。3級(jí)是工作狀態(tài)，所有必要的、備用的輸入均正常；0級(jí)是通道存在嚴(yán)重問(wèn)題，必要的輸入異常，必須退出工作。

備用通道即時(shí)監(jiān)控工作通道。A、B工作通道之間互為主備用，其邏輯關(guān)系為兩個(gè)通道優(yōu)先級(jí)別變更時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到高級(jí)別通道工作。備用通道優(yōu)先級(jí)別最高時(shí)，備用通道便會(huì)自動(dòng)替換工作通道工作，這種分級(jí)管理，使勵(lì)磁系統(tǒng)工作有序，運(yùn)行更穩(wěn)定。

通道狀態(tài)級(jí)別定義見(jiàn)表1。

表1 通道狀態(tài)級(jí)別定義

當(dāng)通道運(yùn)行在自動(dòng)（AVR）方式，正常運(yùn)行時(shí)狀態(tài)級(jí)別為3級(jí)；PT故障時(shí)，調(diào)節(jié)器切到備用通道，原通道變?yōu)槭謩?dòng)（FCR）方式且狀態(tài)降為2級(jí)，該狀態(tài)一直保持直至PT故障消除；若機(jī)端電壓大于10%時(shí)，未檢測(cè)到同步信號(hào)，則本通道優(yōu)先級(jí)降為0，即本通道不可用，該狀態(tài)保持直至同步信號(hào)故障消除。

1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要由A/B/C 3個(gè)對(duì)等通道、開(kāi)入量板、開(kāi)出量板、人機(jī)界面、智能IIU以及特殊功能通信模塊（可選配）等組成。

3通道配置方案圖如圖1。

圖1 3通道配置方案

根據(jù)國(guó)內(nèi)調(diào)研情況，其他國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)器普遍由2套標(biāo)準(zhǔn)6 U機(jī)箱組成的AVR控制單元、操作回路及開(kāi)關(guān)量輸入輸出構(gòu)成，與本項(xiàng)目方案相比，少了一套通道硬件。

1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器各個(gè)通道板件

1.2.1 主控制板

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主控板采用ARM+FPGA多CPU架構(gòu)，其中ARM芯片主要用以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器邏輯運(yùn)算、對(duì)外通信等，F(xiàn)PGA用以實(shí)現(xiàn)同步采集控制、同步交流采樣及脈沖的形成和觸發(fā)等。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的核心主控制板使用16位數(shù)字分辨率A/D采樣芯片，其特點(diǎn)是瞬時(shí)、快速、高效和準(zhǔn)確地處理獲取的數(shù)據(jù)，完全滿足勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和處理需求。

1.2.2 模擬量處理板

模擬量處理板負(fù)責(zé)將從調(diào)節(jié)器采集到的電壓、電流、同步信號(hào)和白噪聲等模擬量轉(zhuǎn)化成直流電壓（-10～+10 V）信號(hào)，為主控制板的AD采樣功能提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)。主控制板頻率測(cè)量信號(hào)也來(lái)自模擬量處理板。

1.2.3 I/O接口板

后臺(tái)設(shè)備對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能操作、調(diào)節(jié)器對(duì)外的傳送信號(hào)，都是通過(guò)I/O接口板轉(zhuǎn)駁實(shí)現(xiàn)。

1.3 小結(jié)

EXC9100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用3通道冗余的方式，通道間無(wú)擾動(dòng)切換，極大提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)每個(gè)調(diào)節(jié)通道都選用高性能硬件，為各個(gè)通道的可靠性提供了足夠的保障。

2 功率整流單元散熱方式選擇

可控硅元件在勵(lì)磁控制回路中需具有較高的可靠性，優(yōu)良的散熱系統(tǒng)是可控硅元件可靠工作的重要保障。功率柜中主要的熱量是由可控硅元件及高功率器件產(chǎn)生，可控硅散熱方式的選擇是整個(gè)勵(lì)磁功率柜散熱性能的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)、外勵(lì)磁廠家采用的散熱方式有強(qiáng)迫風(fēng)冷和熱管散熱等方式。熱管散熱與強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的目標(biāo)都是把半導(dǎo)體元件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量高效地傳輸?shù)皆O(shè)備之外。

熱管散熱是將熱管散熱器壓裝在可控硅金屬表面，熱管內(nèi)充有介質(zhì)，通過(guò)抽真空降低介質(zhì)沸點(diǎn)，利用介質(zhì)在熱管中液態(tài)→氣態(tài)→液態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程把可控硅產(chǎn)生的熱量快速帶離可控硅表面，散發(fā)到柜體中，再通過(guò)自然對(duì)流或者強(qiáng)迫風(fēng)冷循環(huán)傳輸?shù)焦裢?。若熱管?nèi)真空度下降，則熱管的性能會(huì)大打折扣。

熱管散熱器可以較快地將熱量從散熱器的熱源端傳遞到冷凝端，若要將熱量交換到柜外，并達(dá)到理想效果，需加大散熱器體積或者輔以強(qiáng)迫對(duì)流，相應(yīng)的熱管散熱器分為“無(wú)風(fēng)熱管”與“有風(fēng)熱管”。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的“無(wú)風(fēng)熱管”整流柜，熱管散熱器體積較大，對(duì)環(huán)境要求較高，對(duì)電磁兼容性指標(biāo)有一定影響；“有風(fēng)熱管”的單柜出力比“無(wú)風(fēng)熱管”方式有所增加，此方式接近于強(qiáng)迫風(fēng)冷，散熱效率明顯提高，運(yùn)行中不可停風(fēng)，武漢某廠家功率整流采用的STR功率整流柜即為“有風(fēng)熱管”方案。

強(qiáng)迫風(fēng)冷同樣是將金屬型材散熱器壓裝在可控硅表面，利用金屬的良好導(dǎo)熱性能把熱量傳遞到發(fā)散型的金屬翼片，通過(guò)風(fēng)機(jī)將翼片的熱量快速帶到柜外，風(fēng)機(jī)同時(shí)可把功率柜內(nèi)其他高功率器件，如阻容回路元件的熱量一并帶出。

強(qiáng)迫風(fēng)冷需用到轉(zhuǎn)動(dòng)部件，有噪音、易積塵。但隨著制造工藝的提升，這些影響已大大降低，比如選用高性能風(fēng)機(jī)可有效降低噪音，功率柜的進(jìn)風(fēng)口裝有空氣濾芯可有效減少灰塵，實(shí)心金屬型材散熱器翼片間隙較大，便于日常清理。

兩種散熱方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)投入使用的勵(lì)磁系統(tǒng)中，強(qiáng)迫風(fēng)冷方式應(yīng)用更廣泛，技術(shù)成熟、容易監(jiān)測(cè)、方便維護(hù)。

因此，涔天河水庫(kù)擴(kuò)建項(xiàng)目勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置采用實(shí)心鋁型材散熱器組件雙面壓裝、并聯(lián)風(fēng)道強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

3 勵(lì)磁功率整流柜智能均流的選擇

多面并聯(lián)運(yùn)行整流柜的均流系數(shù)，是晶閘管選型的主要參數(shù)之一，關(guān)系到設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行的年限。根據(jù)GBT7409.3《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定，功率整流柜的均流系數(shù)應(yīng)不小于0.85。

常規(guī)均流方案一般采用硅元件參數(shù)選配及交直流進(jìn)出線的處理，再加上通過(guò)調(diào)節(jié)器算法反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，可控硅及電阻的特性會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)調(diào)節(jié)器的算法未必能保持理想的均流效果。

EXC9100采用基于脈沖控制的智能均流技術(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，功率柜控制板對(duì)本柜電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和比對(duì)。EXC9100核心特點(diǎn)是在功率柜交流側(cè)進(jìn)行電流采集：EXC9100勵(lì)磁功率整流柜交流輸入側(cè)有3個(gè)電流互感器，如圖2所示中的BA21、BA22、BA23。這3個(gè)CT既是該柜輸出電流的測(cè)量CT，又是EXC9100按相均流測(cè)量CT。功率柜交流三相測(cè)量均流的自動(dòng)均流方式，是目前領(lǐng)先的智能動(dòng)態(tài)均流技術(shù)解決方案。相比其他只計(jì)算各并聯(lián)功率柜之間的均流方案，橋臂換流的暫態(tài)過(guò)程才是比較準(zhǔn)確、更貼近真正意義的智能均流。

圖2

因此，根據(jù)涔天河擴(kuò)機(jī)工程情況及現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，勵(lì)磁功率整流柜智能均流的選擇符合電廠使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹了涔天河水電站勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和功率柜的配置與選型，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用3調(diào)節(jié)通道冗余配置，功率柜冷卻單元采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式并配備基于脈沖控制的智能均流方案，確保電站設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。