西溝水電站勵磁系統改造分析

姜宏君，苑慶山

(黑河辰能西溝水電有限責任公司，黑龍江 黑河 164300)

0 前言

西溝水電站是黑龍江北部電網裝機容量較大的一座調峰電站，是我國20世紀80年代中期自行設計并開工建設、90年代初建成的老牌電站，在電網中擔任調峰、調頻和事故備用的任務。運行近20 a來，其綜合效益良好，為緩解黑龍江北部電網的電力緊張、為當地的工農業生產和建設作出了巨大貢獻。西溝水電站的機電設備均為國產80年代常規設備，設計落后，設備在前期運行情況良好，自1996年以來逐漸暴露出一些不穩定因素，給電廠的安全運行帶來極大威脅。

西溝水電站勵磁系統原采用KGL-500Q可控硅勵磁裝置，為了適應計算機監控系統的需要，1999年進行了更新改造，將原半導體模擬調節器改造為JSWL-1型STD雙微機勵磁調節器，自此勵磁系統的功能和穩定性得到了改善。經過多年運行后，該調節器元器件日益老化，故障率逐年增多，維護工作量較大且備品備件不易購買;而且，該勵磁系統電壓增長速度緩慢，電壓反應時間長，常出現不能正常動作以及FMK在操作過程中反復跳躍現象，已遠不適應現代電網發展對水電廠管理的要求。2007年，西溝水電站經過充分的技術可行性論證后，再次對勵磁系統進行了改造。

1 西溝水電站發電機及勵磁系統參數

西溝水電站共裝設2臺單機容量為18 MW的立式混流水輪發電機組，采用一機一變的單元接線方式，110 kV線路與系統“π”接。水輪發電機組為武漢汽輪機廠制造的混流式機組，水輪機型號為HLA194-LJ-140，發電機型號為SF18-10/3000，發電機及勵磁系統主要技術參數見表1。

2 勵磁系統介紹

西溝水電站勵磁系統采用的是DSP型MEC-21B3自并勵可控硅勵磁系統，每臺機組設置一套，相互獨立設置。該勵磁系統主要由勵磁變壓器、MEC-21B3微機勵磁控制器、STR-600A大功率可控硅整流裝置、DM8-630A滅磁及過壓保護柜等組成。盤柜布局見圖1。

表1 西溝水電廠發電機參數(1F、2F)

本系統調節器屬雙自動通道并帶有手動控制單元的全數字式微機勵磁調節器，其中每一通道具有電壓自動調節功能(AVR)、恒無功功率調節功能(RPR)、恒勵磁電流運行(FCR)及電力系統穩定器(PSS)功能。當某一通道故障時自動進行通道切換，也可以手動進行通道切換，只有當自動調節功能(AVR)全部故障時才會切換到手動控制方式運行。人機界面采用液晶中文文本顯示器，可以在線修改、整定各種限制參數，現場試驗十分方便。系統大功率整流部分采用1個三相全控晶閘管整流橋，單橋可滿足包括2倍強勵的所有運行工況。裝設盤頂風機，負壓冷卻，接線簡單明晰，便于檢修維護。滅磁裝置正常時采用逆變滅磁，事故時采用DM8滅磁開關配合線性電阻滅磁，裝設氧化鋅復合式轉子過電壓保護。整個系統由1面調節器柜、1面可控硅整流橋和滅磁過壓保護柜共2面柜組成，結構緊湊簡單。整套裝置具有調壓精度高、速度快、操作簡單、可靠性高、免維護以及運行穩定等特點。同時本系統可以現地和遠方進行機組的手自動開停機。與電站計算機監控系統有良好的通信接口，能接收電站計算機監控系統的控制信號，并向電站計算機監控系統上傳勵磁系統有關信息。

圖1 勵磁系統盤柜布局圖

2.1 勵磁變壓器

西溝水電廠1號發電機勵磁變壓器為GB-315/6.3型三相干式變壓器，連接組別為△/YO-1，容量315 KVA，變比6 300 V/340 V，自冷，阻抗電壓4.5%。高壓側為封閉母線連接，低壓側采用電纜連接;2號發電機勵磁變壓器為GB-400/6.3型三相干式變壓器，連接組別為△/YO-1，容量400 KVA，變比6 300 V/340 V，自冷，阻抗電壓4.5%。高壓側為封閉母線連接，低壓側采用電纜連接。兩臺發電機勵磁變壓器均接在發電機出口端，只要發電機運行，就有勵磁電源，起勵靠殘壓和他勵電源實現。

2.2 MEC-21B3微機勵磁控制器

MEC-21B3微機勵磁控制器是整個勵磁系統的控制部分，完成勵磁系統各種狀態開關量的采樣和系統電氣參數的采樣計算，根據開關量狀態和電氣參數值進行系統運行狀態分析、判斷和處理，根據線性最優控制規律進行穩定計算，并按計算出的α角輸出可控硅觸發脈沖，保持勵磁系統的穩定運行，同時也輸出勵磁系統異常運行狀態的報警信號，實現勵磁系統起勵控制和正常逆變停機功能。

MEC-21B3微機勵磁控制器由兩套在軟件、硬件及結構上完全相同的自動通道組成，100%冗余結構。而且在每一自動通道中設有手動控制單元。兩通道采用熱備用的運行方式，同時接受輸入控制與調節信號并執行操作與調節，但只有處于工作狀態的通道有輸出和觸發脈沖，一旦工作通道發生故障則備用通道自動投入運行，并閉鎖故障通道，防止誤切入故障通道，當勵磁調節器2通道的電壓調節(AVR)方式同時故障時，系統則自動切換至勵磁電流(FCR)調節方式運行。通道間實時通信跟蹤。保證系統不會因任何切換而發生擾動。

2.3 STR-630A大功率可控硅整流裝置

STR-630A大功率可控硅整流裝置是系統的功率部分，并通過滅磁開關為發電機提供所需要的勵磁電流，它采用兩只W2F200-HH38-1盤頂軸流冷卻風機對整流功率單元進行冷卻。因此整流柜和風機柜常常被認為是一個整體，稱為整流系統。整流系統的輸出電流由調節器提供的移相觸發脈沖控制，并為調節器提供可控硅快熔熔斷信號和停風信號，供調節器進行輸出電流限制。

可控硅整流裝置采用三相全控整流橋整流方式，強迫風冷，每套勵磁系統的可控硅整流橋采用1個三相全控整流橋。單個整流橋的主要部件包括:①6只大功率可控硅;②1套智能脈沖檢測單元;③6個帶接點指示的快速熔斷器;④1塊具有屏蔽保護功能的脈沖功率放大盒監測風速的探測器;⑤便于檢修、退出的交流隔離刀閘;⑥6個高耐壓(15 kV)、高可靠性的環氧澆注脈沖變壓器。

2.4 DM8-630A滅磁及過壓保護柜

DM8-630A滅磁及過壓保護柜是發電機組及電力系統故障快速滅磁保護裝置和可控硅勵磁系統過電壓保護裝置。

滅磁裝置保證在任何需要滅磁的工況下(包括發電機空載滅磁、發電機甩額定負荷滅磁、誤強勵事故滅磁以及機端三相短路情況)快速、可靠滅磁。滅磁開關選用DM8-630A-2/1快速滅弧的雙斷口直流斷路器。發電機正常停機時采用逆變滅磁，無需跳滅磁開關。事故停機時采用DM8型直流磁場斷路器配合線性電阻滅磁，跳滅磁開關、投入線性電阻，將轉子磁場能量轉移線性電阻上滅磁。過電壓保護采用氧化鋅非線性電阻。在可控硅整流橋交流側、直流側及發電機轉子側同時裝設氧化鋅非線性電阻過電壓保護裝置，用以保護可控硅機發電機轉子線圈。滅磁時保證勵磁繞組兩端的電壓瞬時值不超過該繞組對地交接驗收試驗電壓幅值的50%。

3 勵磁系統主要特點

西溝水電站勵磁系統采用DSP型MEC-21B3全數字式靜態勵磁系統。其顯著特點是:硬件簡單可靠、軟件模塊功能化、調節測量數字化、操作界面的人性化，其綜合性能指標達國際領先水平。

3.1 LOEC線性最優控制理論(算法之一)

多變量(ΔVt、ΔP、Δf)控制與單變量(ΔVt)PID 控制相比，具有明顯的優勢，其主要表現為，顯著增強系統阻尼，抑制低頻振蕩，有效提高發電機的靜穩極限和與之相連的電力系統的運行穩定性，具有優于PID+PSS(Power System Stabilizer)的性能。除LOEC線性最優控制算法之外，勵磁調節器還提供P、PI、PD、PID+PSS多種控制算法供用戶選擇。最優控制算法見圖2。

3.2 DSP交流采樣技術

交流采樣定子電壓和定子電流:發電機定子電壓和定子電流經PT和CT副方轉換、濾波以后直接進入智能DSP采樣板，微機系統依此計算發電機定子電壓VF、定子電流IF、有功功率P、無功功率Q、省去了模擬式變送器這種中間環節，簡化了外圍硬件，提高了響應速度和抗干擾能力，增強了裝置的可靠性。

圖2 線性最優控制算法

3.3 同步回路斷線保護

獨特的同步電路設計，保證了同步信號穩定、可靠。主要表現在以下兩個方面:

1)在發電機電壓從殘壓到130%額定電壓范圍內變化，同步方波始終穩定。

2)同步回路無論是在同步變壓器原方還是在副方發生一相斷線故障時，都能保證發電機在原工況下穩定運行，不受影響。

3.4 脈沖直接形成技術

采用新一代專業數據處理器DSP的高速輸出作為智能脈沖處理。無需主控CPU干預，可以執行正常流程。這種脈沖產生方式非常簡單自然，硬件、軟件均很簡單，產生的脈沖穩定可靠。

3.5 容錯及自診斷功能

微機系統自身具有自我診斷能力。軟件時刻對CPU板、DSP板、開關量板以及微機工作電源進行在線診斷，可以提前發現問題。發現故障立即由軟件輸出、硬件自動切換。完善的自診斷及軟、硬件容錯技術，保證設備穩定可靠運行，防止人為誤操作。

3.6 歐式針孔連接器

歐式針孔連接器采用四面彈簧壓緊結構，全封閉防塵，接觸好，可靠性高，徹底取消了邊緣金手指連接方式，具有抗強沖擊和強震動的能力。可以在極其惡劣的環境中使用，滿足運動目標以及有劇烈震動場合對工控機的要求。

圖3 歐式針孔連接器

3.7 電路表面貼裝工藝

勵磁控制器采用先進的表面貼裝技術，電子元器件功耗低，發熱量小，可靠性高，不需進行額外的通風散熱處理。同時采用了無源濾波、加裝磁阻、使用工業級濾波器等多種電磁兼容技術，加強了對電源線路上的低頻干擾的抑制能力，整體抗干擾能力達到4級。

圖4 表面貼裝工藝和標準機箱

3.8 液晶中文文本顯示器

人機界面采用液晶中文文本顯示器，可以在線修改、整定各種限制參數，現場試驗十分方便。

4 MEC-21B3自并激勵磁系統主要功能

MEC-21B3自并激勵磁系統主要功能包括:①發電機恒電壓控制;②發電機恒磁場電流控制;③恒功率因數控制;④恒無功控制:⑤軟起勵/強勵功能;⑥P/Q限制功能;⑦過勵磁限制;⑧低勵磁限制;⑨最小勵磁電流限制;⑩定子電流限制;B11V/Hz限制，V/Hz保護;B12無功電流補償;B13PT斷線保護;B14勵磁自動投入/切除;B15電力系統穩定器(PSS)。

5 勵磁系統運行情況

西溝水電站采用的MEC-21B3自并激勵磁系統自改造投運至今已安全運行4 a，運行穩定，調節功能良好，可靠性高。運行人員可以通過液晶顯示器監視各項參數，有功功率、無功功率、功率因數、機端電壓、機組頻率、勵磁電壓、勵磁電流、調節輸出以及各項限制設置和給定數據，勵磁裝置故障也能明確顯示頻率故障、風機故障、低勵、過勵等。采用逆變滅磁，可以瞬間把機端電壓降到零，滅磁效果安全快速。檢修方便，維護量少。總之，MEC-21B3自并激勵磁系統運行安全可靠，完全滿足我站“無人值班、少人值守”運行模式的要求。

6 結束語

隨著科技的進步，越來越多人性化的電站控制設備被廣泛應用，替代老式的控制設備，最終取代工人的重復體力勞動，實現“無人值班、少人值守”。MEC-21B3自并激勵磁系統獨特的動靜態品質特性，較高的安全和可靠性，運行穩定，電路結構簡單，檢修維護方便，同時具有節能效應，是發電機勵磁系統改造的方向，有較好的應用前景。

[1] 黑河辰能西溝水電有限責任公司.西溝水電站勵磁系統改造技術協議[M].黑河:黑河辰能西溝水電有限責任公司，2007.

[2] 況明偉.大朝山水電站勵磁系統介紹[J].水利水電技術，2005，28(4):50-53.