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：①向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電源使得發(fā)電機機端電壓與所連接的電網(wǎng)電壓保持一致；②對機組的無功功率進行調(diào)節(jié)；③提高系統(tǒng)的各項穩(wěn)定性指標；④提高繼電保護的穩(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)截摵蓚?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，電能必須實時生產(chǎn)，實時消耗，但是整個電網(wǎng)的負荷卻是一個動態(tài)變化的過程。隨著近來各種新能源項目例如太陽能、風能、生物能的大規(guī)模并網(wǎng)，其峰谷特性與用電負荷也無法很好的擬合。所以在高負荷中心與煤炭資源豐富的資源地區(qū)相隔較遠，并且對于電能的需求量也在實時變化的情況下，電網(wǎng)需要時時刻刻調(diào)整機組的出力，電壓和頻率會受到一定的影響。而電網(wǎng)和機組是一個雙向反饋的系統(tǒng)，伴隨著電網(wǎng)規(guī)模、機組容量不斷的增加，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，功率單元主要負責為發(fā)電-電動機提供直流電流，調(diào)節(jié)單元根據(jù)發(fā)電-電動機的狀態(tài)對功率單元作出進一步的調(diào)整。

2.1 勵磁功率單元的選擇

（1）直流勵磁機

在早些年，為發(fā)電機配備一個專用的直流勵磁機在當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，但問題就是調(diào)節(jié)速度太慢和日常維護的繁瑣，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

（2）交流勵磁機

為解決直流勵磁的不足，有著穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速適應強和較好的進相運行方式的交流勵磁機應運而生。同時繼承了直流勵磁機可靠和穩(wěn)定的優(yōu)點，伴隨著大功率可控硅整流方式的出現(xiàn)，更是推進了交流勵磁機的發(fā)展。但是諧波分量和噪音的問題制約其進一步的發(fā)展。

（3）靜止勵磁方式

不再設(shè)置專用的勵磁機，而是在發(fā)電機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)電機定子電流回路上再另外串并聯(lián)變壓器的自復勵勵磁方式，簡單就是最突出的特點。同時帶來的就是維護和保養(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時又費力。在20世紀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。隨著機組容量的擴大，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70年代推向市場。其原理是采用相位補償，即提供機電振蕩時的機組附加阻尼力矩，抑制機電振蕩，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將電機的多個輸出量綜合形成控制量進行處理，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-電動機來說，其本身就是一個復雜的非線性系統(tǒng)，使用線性模型分析會使得其結(jié)果與實際有較大的偏差。縱然可以通過各種手段，例如各種擬合算法來彌補和逼近實際值，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的進步和發(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)不能完全的預測和指導半導體技術(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)負責加載VxWork操作系統(tǒng)，DSP為數(shù)字信號處理器，主要負責模擬量開入量，F(xiàn)PGA現(xiàn)場可編程邏輯門陣列負責勵磁邏輯的運算和控制。多個處理器互相配合使得運算精度和處理速度得到大幅提高。

圖1 NES5100

結(jié)合計算機技術(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)實中實現(xiàn)。各種模型可以在學習海量的數(shù)據(jù)以后擁有近似于人類的某些能力，依據(jù)這種能力來進行勵磁控制也不失為一種方法。國內(nèi)外的大學已經(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，綜合運用以上的方法來進行勵磁系統(tǒng)的控制可能也不失為一種辦法，由于發(fā)電-電動機是一個復雜的系統(tǒng)，以往的一招鮮吃遍天的辦法可能無法適應日益增長的對于精準快速的勵磁調(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α＞90°處在逆變狀態(tài)下時，能夠?qū)l(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的能量反饋到勵磁電源上進行逆變滅磁。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-電動機發(fā)生故障，迅速切除勵磁電流，從而達到釋放發(fā)電-電動機磁場繞組中龐大能量的目的，保護發(fā)電-電動機的安全。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)電機電壓降低。

（4）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要服務對象是可控硅。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)為雙路風機冷卻，正常運行時有一臺風機作為備用，當雙路風機都出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍然可以運行，但是需要加強監(jiān)控，如果溫度上升過快，則需要進行停機處理。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端電壓的穩(wěn)定。除此之外還要能夠合理分配機組的無功功率，對于故障能夠迅速反應，具備強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控制調(diào)節(jié)單元組成，每個通道有獨立的電源、采樣單元、報警單元?；ハ嗒毩⒌耐瑫r也互為備用，當其中一個通道作為主用時，備用通道實時進行跟蹤，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)電機并網(wǎng)帶負荷時，勵磁系統(tǒng)具有通過改變勵磁電流，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓和發(fā)電機無功功率的功能。

3.2 運行方式

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

3.2.1 啟動階段

（1）BTB啟動的拖動機

勵磁系統(tǒng)接到上位機BTB啟動指令后，勵磁強制于固定值方式加勵磁電流If0，遠方、近控均不可調(diào)節(jié)。當拖動機和被拖動機的轉(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，直至被拖動機并網(wǎng)后把拖動機解列。若勵磁電流超出0.9～1.3If0范圍，滅磁開關(guān)將跳閘。

（2）水輪機工況啟動

當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升到95%額定轉(zhuǎn)速時投入勵磁，在自動通道運行并自動跟隨系統(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

這時勵磁調(diào)節(jié)器強制在固定調(diào)節(jié)運行，If=If0；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到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，強制固定勵磁電流為：當f=0～10 Hz時，If=Icc/3；當f＞10 Hz時，If=Icc。

（5）黑啟動起勵方式

此種運行方式為當電網(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，當機組轉(zhuǎn)速達到95%額定轉(zhuǎn)速后自動投入直流起勵回路，直至機組電壓達到額定電壓50%后，10 kV勵磁變經(jīng)發(fā)電機開關(guān)帶電并使可控硅控制起勵電流（主勵磁回路投入）。此過程必須與機組的黑啟動流程相配合。

3.2.2 穩(wěn)態(tài)運行階段

機組并網(wǎng)至穩(wěn)態(tài)后，水輪機工況和水泵工況下，勵磁系統(tǒng)的運行方式基本一致，勵磁默認為定子電壓給定控制，運行人員可根據(jù)電網(wǎng)的實際情況，在上位機通過在“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現(xiàn)有效的勵磁調(diào)節(jié)。

3.2.3 停機階段

機組停機，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)接非線性電阻實現(xiàn)轉(zhuǎn)子滅磁。在停機過程中，電氣制動在轉(zhuǎn)速小于50%額定轉(zhuǎn)速時投入，當轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速時投機械制動，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，強制勵磁電流為Icc。發(fā)生電氣故障時，電氣制動退出，當轉(zhuǎn)速降至25%額定轉(zhuǎn)速時投入機械制動。

4 結(jié)語

勵磁系統(tǒng)作為電站重要設(shè)備之一，在日常運行和檢修中一直受到運行和檢修人員的密切關(guān)注，也是機動巡檢和日常巡檢的重點之一。 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)的純進口設(shè)備進行了國產(chǎn)化改造，改造后設(shè)備運行平穩(wěn)。