西沟水电站励磁系统改造分析

姜宏君，苑庆山

(黑河辰能西沟水电有限责任公司，黑龙江 黑河 164300)

0 前言

西沟水电站是黑龙江北部电网装机容量较大的一座调峰电站，是我国20世纪80年代中期自行设计并开工建设、90年代初建成的老牌电站，在电网中担任调峰、调频和事故备用的任务。运行近20 a来，其综合效益良好，为缓解黑龙江北部电网的电力紧张、为当地的工农业生产和建设作出了巨大贡献。西沟水电站的机电设备均为国产80年代常规设备，设计落后，设备在前期运行情况良好，自1996年以来逐渐暴露出一些不稳定因素，给电厂的安全运行带来极大威胁。

西沟水电站励磁系统原采用KGL-500Q可控硅励磁装置，为了适应计算机监控系统的需要，1999年进行了更新改造，将原半导体模拟调节器改造为JSWL-1型STD双微机励磁调节器，自此励磁系统的功能和稳定性得到了改善。经过多年运行后，该调节器元器件日益老化，故障率逐年增多，维护工作量较大且备品备件不易购买;而且，该励磁系统电压增长速度缓慢，电压反应时间长，常出现不能正常动作以及FMK在操作过程中反复跳跃现象，已远不适应现代电网发展对水电厂管理的要求。2007年，西沟水电站经过充分的技术可行性论证后，再次对励磁系统进行了改造。

1 西沟水电站发电机及励磁系统参数

西沟水电站共装设2台单机容量为18 MW的立式混流水轮发电机组，采用一机一变的单元接线方式，110 kV线路与系统“π”接。水轮发电机组为武汉汽轮机厂制造的混流式机组，水轮机型号为HLA194-LJ-140，发电机型号为SF18-10/3000，发电机及励磁系统主要技术参数见表1。

2 励磁系统介绍

西沟水电站励磁系统采用的是DSP型MEC-21B3自并励可控硅励磁系统，每台机组设置一套，相互独立设置。该励磁系统主要由励磁变压器、MEC-21B3微机励磁控制器、STR-600A大功率可控硅整流装置、DM8-630A灭磁及过压保护柜等组成。盘柜布局见图1。

表1 西沟水电厂发电机参数(1F、2F)

本系统调节器属双自动通道并带有手动控制单元的全数字式微机励磁调节器，其中每一通道具有电压自动调节功能(AVR)、恒无功功率调节功能(RPR)、恒励磁电流运行(FCR)及电力系统稳定器(PSS)功能。当某一通道故障时自动进行通道切换，也可以手动进行通道切换，只有当自动调节功能(AVR)全部故障时才会切换到手动控制方式运行。人机界面采用液晶中文文本显示器，可以在线修改、整定各种限制参数，现场试验十分方便。系统大功率整流部分采用1个三相全控晶闸管整流桥，单桥可满足包括2倍强励的所有运行工况。装设盘顶风机，负压冷却，接线简单明晰，便于检修维护。灭磁装置正常时采用逆变灭磁，事故时采用DM8灭磁开关配合线性电阻灭磁，装设氧化锌复合式转子过电压保护。整个系统由1面调节器柜、1面可控硅整流桥和灭磁过压保护柜共2面柜组成，结构紧凑简单。整套装置具有调压精度高、速度快、操作简单、可靠性高、免维护以及运行稳定等特点。同时本系统可以现地和远方进行机组的手自动开停机。与电站计算机监控系统有良好的通信接口，能接收电站计算机监控系统的控制信号，并向电站计算机监控系统上传励磁系统有关信息。

图1 励磁系统盘柜布局图

2.1 励磁变压器

西沟水电厂1号发电机励磁变压器为GB-315/6.3型三相干式变压器，连接组别为△/YO-1，容量315 KVA，变比6 300 V/340 V，自冷，阻抗电压4.5%。高压侧为封闭母线连接，低压侧采用电缆连接;2号发电机励磁变压器为GB-400/6.3型三相干式变压器，连接组别为△/YO-1，容量400 KVA，变比6 300 V/340 V，自冷，阻抗电压4.5%。高压侧为封闭母线连接，低压侧采用电缆连接。两台发电机励磁变压器均接在发电机出口端，只要发电机运行，就有励磁电源，起励靠残压和他励电源实现。

2.2 MEC-21B3微机励磁控制器

MEC-21B3微机励磁控制器是整个励磁系统的控制部分，完成励磁系统各种状态开关量的采样和系统电气参数的采样计算，根据开关量状态和电气参数值进行系统运行状态分析、判断和处理，根据线性最优控制规律进行稳定计算，并按计算出的α角输出可控硅触发脉冲，保持励磁系统的稳定运行，同时也输出励磁系统异常运行状态的报警信号，实现励磁系统起励控制和正常逆变停机功能。

MEC-21B3微机励磁控制器由两套在软件、硬件及结构上完全相同的自动通道组成，100%冗余结构。而且在每一自动通道中设有手动控制单元。两通道采用热备用的运行方式，同时接受输入控制与调节信号并执行操作与调节，但只有处于工作状态的通道有输出和触发脉冲，一旦工作通道发生故障则备用通道自动投入运行，并闭锁故障通道，防止误切入故障通道，当励磁调节器2通道的电压调节(AVR)方式同时故障时，系统则自动切换至励磁电流(FCR)调节方式运行。通道间实时通信跟踪。保证系统不会因任何切换而发生扰动。

2.3 STR-630A大功率可控硅整流装置

STR-630A大功率可控硅整流装置是系统的功率部分，并通过灭磁开关为发电机提供所需要的励磁电流，它采用两只W2F200-HH38-1盘顶轴流冷却风机对整流功率单元进行冷却。因此整流柜和风机柜常常被认为是一个整体，称为整流系统。整流系统的输出电流由调节器提供的移相触发脉冲控制，并为调节器提供可控硅快熔熔断信号和停风信号，供调节器进行输出电流限制。

可控硅整流装置采用三相全控整流桥整流方式，强迫风冷，每套励磁系统的可控硅整流桥采用1个三相全控整流桥。单个整流桥的主要部件包括:①6只大功率可控硅;②1套智能脉冲检测单元;③6个带接点指示的快速熔断器;④1块具有屏蔽保护功能的脉冲功率放大盒监测风速的探测器;⑤便于检修、退出的交流隔离刀闸;⑥6个高耐压(15 kV)、高可靠性的环氧浇注脉冲变压器。

2.4 DM8-630A灭磁及过压保护柜

DM8-630A灭磁及过压保护柜是发电机组及电力系统故障快速灭磁保护装置和可控硅励磁系统过电压保护装置。

灭磁装置保证在任何需要灭磁的工况下(包括发电机空载灭磁、发电机甩额定负荷灭磁、误强励事故灭磁以及机端三相短路情况)快速、可靠灭磁。灭磁开关选用DM8-630A-2/1快速灭弧的双断口直流断路器。发电机正常停机时采用逆变灭磁，无需跳灭磁开关。事故停机时采用DM8型直流磁场断路器配合线性电阻灭磁，跳灭磁开关、投入线性电阻，将转子磁场能量转移线性电阻上灭磁。过电压保护采用氧化锌非线性电阻。在可控硅整流桥交流侧、直流侧及发电机转子侧同时装设氧化锌非线性电阻过电压保护装置，用以保护可控硅机发电机转子线圈。灭磁时保证励磁绕组两端的电压瞬时值不超过该绕组对地交接验收试验电压幅值的50%。

3 励磁系统主要特点

西沟水电站励磁系统采用DSP型MEC-21B3全数字式静态励磁系统。其显著特点是:硬件简单可靠、软件模块功能化、调节测量数字化、操作界面的人性化，其综合性能指标达国际领先水平。

3.1 LOEC线性最优控制理论(算法之一)

多变量(ΔVt、ΔP、Δf)控制与单变量(ΔVt)PID 控制相比，具有明显的优势，其主要表现为，显著增强系统阻尼，抑制低频振荡，有效提高发电机的静稳极限和与之相连的电力系统的运行稳定性，具有优于PID+PSS(Power System Stabilizer)的性能。除LOEC线性最优控制算法之外，励磁调节器还提供P、PI、PD、PID+PSS多种控制算法供用户选择。最优控制算法见图2。

3.2 DSP交流采样技术

交流采样定子电压和定子电流:发电机定子电压和定子电流经PT和CT副方转换、滤波以后直接进入智能DSP采样板，微机系统依此计算发电机定子电压VF、定子电流IF、有功功率P、无功功率Q、省去了模拟式变送器这种中间环节，简化了外围硬件，提高了响应速度和抗干扰能力，增强了装置的可靠性。

图2 线性最优控制算法

3.3 同步回路断线保护

独特的同步电路设计，保证了同步信号稳定、可靠。主要表现在以下两个方面:

1)在发电机电压从残压到130%额定电压范围内变化，同步方波始终稳定。

2)同步回路无论是在同步变压器原方还是在副方发生一相断线故障时，都能保证发电机在原工况下稳定运行，不受影响。

3.4 脉冲直接形成技术

采用新一代专业数据处理器DSP的高速输出作为智能脉冲处理。无需主控CPU干预，可以执行正常流程。这种脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲稳定可靠。

3.5 容错及自诊断功能

微机系统自身具有自我诊断能力。软件时刻对CPU板、DSP板、开关量板以及微机工作电源进行在线诊断，可以提前发现问题。发现故障立即由软件输出、硬件自动切换。完善的自诊断及软、硬件容错技术，保证设备稳定可靠运行，防止人为误操作。

3.6 欧式针孔连接器

欧式针孔连接器采用四面弹簧压紧结构，全封闭防尘，接触好，可靠性高，彻底取消了边缘金手指连接方式，具有抗强冲击和强震动的能力。可以在极其恶劣的环境中使用，满足运动目标以及有剧烈震动场合对工控机的要求。

图3 欧式针孔连接器

3.7 电路表面贴装工艺

励磁控制器采用先进的表面贴装技术，电子元器件功耗低，发热量小，可靠性高，不需进行额外的通风散热处理。同时采用了无源滤波、加装磁阻、使用工业级滤波器等多种电磁兼容技术，加强了对电源线路上的低频干扰的抑制能力，整体抗干扰能力达到4级。

图4 表面贴装工艺和标准机箱

3.8 液晶中文文本显示器

人机界面采用液晶中文文本显示器，可以在线修改、整定各种限制参数，现场试验十分方便。

4 MEC-21B3自并激励磁系统主要功能

MEC-21B3自并激励磁系统主要功能包括:①发电机恒电压控制;②发电机恒磁场电流控制;③恒功率因数控制;④恒无功控制:⑤软起励/强励功能;⑥P/Q限制功能;⑦过励磁限制;⑧低励磁限制;⑨最小励磁电流限制;⑩定子电流限制;B11V/Hz限制，V/Hz保护;B12无功电流补偿;B13PT断线保护;B14励磁自动投入/切除;B15电力系统稳定器(PSS)。

5 励磁系统运行情况

西沟水电站采用的MEC-21B3自并激励磁系统自改造投运至今已安全运行4 a，运行稳定，调节功能良好，可靠性高。运行人员可以通过液晶显示器监视各项参数，有功功率、无功功率、功率因数、机端电压、机组频率、励磁电压、励磁电流、调节输出以及各项限制设置和给定数据，励磁装置故障也能明确显示频率故障、风机故障、低励、过励等。采用逆变灭磁，可以瞬间把机端电压降到零，灭磁效果安全快速。检修方便，维护量少。总之，MEC-21B3自并激励磁系统运行安全可靠，完全满足我站“无人值班、少人值守”运行模式的要求。

6 结束语

随着科技的进步，越来越多人性化的电站控制设备被广泛应用，替代老式的控制设备，最终取代工人的重复体力劳动，实现“无人值班、少人值守”。MEC-21B3自并激励磁系统独特的动静态品质特性，较高的安全和可靠性，运行稳定，电路结构简单，检修维护方便，同时具有节能效应，是发电机励磁系统改造的方向，有较好的应用前景。

[1] 黑河辰能西沟水电有限责任公司.西沟水电站励磁系统改造技术协议[M].黑河:黑河辰能西沟水电有限责任公司，2007.

[2] 况明伟.大朝山水电站励磁系统介绍[J].水利水电技术，2005，28(4):50-53.