小型水电站励磁系统对水轮机组运行的影响分析

戴宗泉

（陕西省地方电力水电有限公司，陕西 西安 710061）

小型水电站目前在运行过程中普遍存在无功功率欠缺，以及小水电集中时功率难以送出的问题。小型水电站要送出功率必须具有比母线高的电压，如果水轮机组集中，就会导致母线电压过高，造成电站无功相对不足，同时无功负荷缺额大，有功功率消耗也非常大。产生这个问题的一个重要的原因是励磁系统选择不当，发电机的无功不能达到额定值，导致发电机组的无功达不到考核要求。另外由于小机组经过长距离输电线路与电网连接，线路对地电容可能引起同步发电机的自励磁现象，可能引起系统振荡导致机组解列。上述问题的产生均与励磁系统有着密切的关系。本文从励磁方式及功率回路、励磁功能和励磁调节器三项关键技术方面分析励磁系统对水轮机组运行的影响。

1 励磁方式及功率回路

同步发电机的励磁方式大致可分为三类，即直流励磁机励磁方式、交流励磁机励磁方式和静止可控硅励磁方式，其中静止可控硅励磁又分为自复激和自并激两种方式。

直流励磁机励磁方式具有结构简单，调节方便等优点，但其维护工作量大，调节时间常数大，不适宜在小水电站使用。交流励磁机励磁方式具有可靠性高等优点，但其调节速度较慢，维护工作量大，需要增加机组主轴长度，且在发电机出口或系统母线发生短路等故障时对电压的支撑不够，也不适宜在小水电站使用。静止可控硅励磁系统的调节速度快，且在发电机出口或系统母线发生故障时对电压具有较好的支撑作用，尤其是自并激励磁方式由于没有旋转部分，设备构成相对简单，且具有可靠性高、时间常数小、励磁调节速度快以及造价低、维护工作量小等诸多优点，因此小型水电站应优先采用这种励磁方式。

目前小型水电站常见的自并激静止性励磁功率回路有三相半控桥和三相全控桥两种。半控桥结构简单，但是可控硅脉冲消失后，容易失控，电压升高，当发电机组需要停机时，不能将转子的能量回馈。因此励磁系统比较适合的主回路为三相全控桥，其电路具有六个可控硅元件，三个共阴极，三个共阳极。在正常工作时，通过触发角的控制使励磁系统工作在整流状态。在发生事故时，可以进行强励等，使机组能够发出较高的电压。

利用三相全控桥电路的逆变特性，当发电机与系统突然解列时，使整流桥进入逆变状态，可快速地将储存在转子回路的磁场能量回馈给电网，有效地抑制发电机机端电压的上升，改善发电机及相关设备的运行条件。此外，当发电机正常停机时，利用逆变灭磁，可快速地将机端电压降为0，而不需跳灭磁开关，灭磁开关只在机组事故时跳开。这样可大大减少灭磁开关的跳合次数，延长使用寿命。

在丰水期，机组通常满额发电，如果原有励磁绕组的散热容量没有余量，为了适应电网电压过高的发电要求，必然使励磁绕组温升超限，从而影响机组运行的安全可靠性。这个问题在洋县荞麦山电站比较明显，由于受到励磁绕组温升的限制，采用增加励磁电流来增大无功输出的各种方案，均收效有限。因此，首先应提高励磁绕组的温升限制，再通过增加励磁电流来提高无功功率。在电磁设计时，按增大后的励磁电流来设计励磁绕组，并将发电机转子的温升控制在允许范围内，使其具有一定的调节空间。另外，提高励磁绕组的绝缘等级也可增大励磁绕组的温升限值。若在实际中难以对励磁绕组进行改造，可采用无功补偿的方法来改善无功，荞麦山电站采用无功补偿的方法解决了无功不足的问题，并在丰水期提高了电站的有功出力。

2 励磁功能

小水电在正常情况下主要以发有功和无功为主，在特殊情况下还需要维持机端电压，比如电网末端或固网情况下。对于励磁系统，为了保证无功发送的正常和机端电压的正常，应具有以下功能：

恒机端电压PID调节（自动调节的一种），可以实现良好的并网及维持电压恒定。小水电站往往处在电网的末端，电网的电压水平一般较低，需要在励磁系统采用PID调节来维持机端电压稳定。

恒励磁电流PID调节（手动调节），在功率及电压测量信号异常时保证机组运行。在水电自动控制系统出现故障时，继续保持水电的运行，实现水电的生产效益具有重要作用。

保证机组无冲击地进行手动/自动切换。机组在励磁系统自动控制系统出现故障时，如功率变送器、电压互感器出现故障，需要由自动控制转换到手动控制时，励磁系统不能出现大的波动而保持稳定运行，该功能是系统带故障运行的重要保证。

保证机组甩负荷时机端电压能迅速稳定在额定电压水平。在系统发生事故导致系统解列时保证机组的安全。

恒无功运行（自动调节的一种），保证机组发出无功可控。该功能在机组正常运行时是主要运行方式。

无功调差，正负调差可设定，且调差大小连续可调。由于小型水电机组位于电网的非末端中，一般需要根据调差系统控制发电机组承担的无功，因此调差的可调节有利于机组根据需要调解无功功率。

限制和保护功能，对于机组的安全具有重要作用。一般包括机组欠励保护，防止机组进相运行过深；过励保护，防止励磁系统长时间大电流运行损坏发电机转子绕组，从而造成事故；电压/频率保护，主要限制发电机端电压和频率的比值，防止发电机及与其连接的主变压器由于电压过高和频率过低，引起铁芯饱和发热。

PT断线检测与保护、容错功能，保证机组在个别信号异常时不停机，严重信号异常时机组安全停机。

3 励磁调节器

在小型水电站中，采用的励磁调节器主要有模拟电路型、基于单片微机型、基于PLC型、基于DSP型和基于PCC型。

模拟电路型励磁调节器直观，运行时间较长，价格较低，在小型水电站中应用较多。但其功能比较单一，往往仅具有端电压或励磁电流调节功能，几乎没有限制保护功能，性能指标也较差，且随着时间的推移，电路参数容易发生漂移，使运行的稳定性和可靠性受到影响。建议进行改造。

单片微机型励磁调节器是目前在水电站中应用较多的一种励磁调节器。微机型励磁调节器一般均设有完善的最大励磁限制、过励磁限制等限制保护功能，还配置有发电机端电压调节和励磁电流调节功能，且机端电压调节和励磁电流调节两种方式之间具有自动跟踪功能，可实现无扰动切换，完全可满足小型水电站的各项运行要求。其主要问题是，单片机外围电路为各厂家独自研制，抗干扰性较差，另外，由于处理速度相对较慢，高速、高精度控制受限。

PLC型励磁调节器是一种基于通用可编程逻辑控制器的励磁控制设备，近几年才开始在水电站中应用。由于PLC具有用于顺序逻辑控制功能，高可靠性是吸引人们将其引入到励磁调节器中的一种根本原因。但正因为此，PLC输入输出的响应速度较慢，不能满足励磁控制的需要。由PLC构成的励磁调节器一般在PLC前设有信号变送回路，将要采集的信号转换为直流电压信号送至A/D模块，而同步移相触发完全由外配的硬件电路完成，成本较高。从目前的使用情况来看，PLC型励磁调节器的动态性能指标较单片微机型励磁调节器的差，而且需要大量的自制电路，其可靠性也不如预想的高。

DSP型励磁调节器是一种基于高速处理平台的励磁控制器，具有功能完善、可扩充性强以及调节速度快等特点，适合大中小各类机组，是一种较好的励磁调节器。其缺陷与单片微机型励磁调节器类似，外围电路等由各厂家自行设计，因此抗干扰性能较差。

PCC型励磁调节器是一种结合PLC可靠性和微机灵活性的励磁调节器，可靠性高、处理速度快，可实现励磁系统的各种控制和限制保护功能，适合各种类型的发电机组，也是一种较好的励磁调节器。当然，PCC励磁调节器与其他的励磁调节器相比较成本较高，很多小型水电站目前还不能接受其价格。

4 结语

针对小型水电站普遍存在无功不足和功率送出困难等问题，分析了励磁系统关键技术对水轮机组的影响。小型水电站在配置或更新励磁系统时，建议励磁方式采用自并激励磁，整流回路采用三相全控整流桥，以有效降低发电机甩负荷时的电压上升值，并减少灭磁开关的跳合次数；励磁调节器应选用性价比较高的微机励磁调节器、DSP型励磁调节器和PCC型励磁调节器，且设置合理的调节功能和基本的限制保护及容错控制功能，同时合理配置备用设备，以提高电站的安全性和经济性。

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