勵磁系統在中小型水電站的選擇

摘 要：在中小型水電站中，水輪發電機組是其主要設備，而勵磁系統則是維持發電機組安全、可靠運行的重要系統，它是一種較為復雜而又十分重要的系統，對水電站的正常運行有著重要保障作用。本人根據多年的實際工作經驗，分析了中小型水電站的常見勵磁系統，探討了勵磁系統的選擇原則。

關鍵詞：中小型水電站；勵磁系統；磁方式；勵磁調節器

我國水電資源蘊藏豐富，可用于經濟開發的水電資源達3.7億kW，裝機容量在300MW以下的中小型水電站約占到可開發資源量的50%。近年來，隨著我國經濟和社會的發展，對電力的需求的日益增長，使得現代電力工業獲得更充分、更快速的發展機遇，而隨著水電事業的發展和中小型電網的逐漸增多，對水電站的自動控制設備，尤其是勵磁方式和調速器的技術性能和可靠性提出了更高要求。因此，應根據中小型水電站的特點和各種勵磁系統的技術特性，在考慮其運行的穩定性及可靠性的同時，要選擇調試簡便，運行維護簡單，故障率小，經濟實用的勵磁系統。

1 中小型水電站勵磁系統概述

1.1 勵磁系統的基本概念

中小型水電站中的常用設備是發電機組，而勵磁系統則是發電機組的重要輔助設備，它通過向發電機的勵磁繞組提供一個可調的直流電流或電壓，來控制發電機的機端電壓保持恒定，調節發電機組間的無功功率，同時還具有強行增磁、減磁和滅磁的功能，以滿足發電機正常發電和電力系統安全運行的需要。

1.2 中小型水電站發電機組勵磁系統的主要作用

首先，在電力系統正常工作的情況下，將發電機機端電壓維持在一個給定的水平。

其次，在電力系統發生事故，致使發電機端電壓下降時，對發電機進行強行勵磁，以提高繼電保護動作的可靠性，并加強發電機并列運行的穩定性。

再次，在發電機的甩負荷電壓過高時，對發電機進行強行減磁，以限制由于轉速升高而引起的過電壓。

最后，當發電機內部及其引出線上發生短路時，迅速進行滅磁，以限制事故的擴大。

1.3 中小型水電站發電機組的常見勵磁方式

目前，我國內的中小型水電機組的勵磁方式可以分為直流勵磁、半導體靜止勵磁及無刷勵磁三種類型。

直流勵磁是中小型水電機組曾經廣泛使用的勵磁方式，其特點是簡單可靠，工作不易受系統影響，而且調節比較穩定，缺點是運轉時振動大、噪音大、機械磨損大，而且容易發生火花，碳刷和整流子維護比較麻煩，現在已經逐漸被半導體勵磁所取代。

半導體靜止勵磁就是從發電機的輸出功率中吸取一部分功率，經過半導體整流后，再通過碳刷和滑環送給發電機轉子繞組勵磁的一種勵磁方式。它克服了直流勵磁的缺點，調節性能較好，反映速度較快，大大減輕了維護工作，降低了成本，缺點是工作狀態受系統運行狀態的影響很大。在我國，目前中小型水電站發電機組采用的半導體靜止勵磁系統，主要有兩種：一種是三次諧波勵磁，即在發電機定子槽內同槽安裝一套為三分之一極距的諧波繞組，引出三次或三的整倍數次諧波，經整流后供給發電機勵磁，其特點是具有一定的強勵性和自勵性能，結構簡單，成本較低，缺點是多臺發電機并列運行時不夠穩定，在穩態短路工況下諧波功率不足，在使用上受到一定限制；另一種是自并勵勵磁，它的勵磁電源取自本機的機端電壓，優點是結構簡單、制造成本低、經濟劃算。目前，自并勵勵磁方式已發展成為中小型水電站中主要的勵磁方式。

無刷勵磁沒有滑環和炭刷，發出的電流通過硅整流管整流后直接進入轉子繞組，優點是不存在接觸不良及發熱現象，更不會產生電火花，而且發電機兩端比較干凈，維護工作少，缺點是如果整流管出現故障后維修困難，必須得停機檢修，影響到發電機組的正常運行，因此，只適用于較大型電機和要求無火花的特殊場所。

2 中小型水電站勵磁系統的選擇原則

2.1 中小型水電站發電機組勵磁方式的選擇

首先，在我國的中小型水電站中，要以提高電能質量和運行安全性為基本原則，根據工作可靠、接線簡單、維護方便、投資少、運行費用低等條件選擇最適合的勵磁系統。由于自并勵勵磁與其他勵磁方式相比，具有可靠性高、成本低、接線簡單、電壓響應速度快、滅磁效果好的優勢，因此，中小型水電站應優先選擇自并勵勵磁系統。特別是一些新建的中小型水電站，由于自并勵勵磁比相同容量的直流勵磁相比，價格要低得多，而且控制速度更靈敏、調節范圍更大、抑制甩負荷時過電壓的能力更強，因此，現在的中小型水電站，絕大部份都選擇自并勵勵磁方式，來達到簡化發電機的軸系統、降低廠房高度、降低建設成本、減小噪音和提高自動化水平的目的。

其次，對于獨立運行的單機和小電網中的主力機組，因為負荷幅度變化很大，調速系統也存在缺陷，不宜采用自并勵方式，應選擇三次諧波勵磁方式，以提高其穩定性，但成本相對有所增加。

再次，在對現有的中小型水電站進行改造升級時，在注重改造方案的可行性和經濟性的基礎上，盡可能地選擇自并勵勵磁方式。同時，應當盡量地利用原有的舊設備，如舊的直流勵磁機可以改造為無刷勵磁交流勵磁機等，以減少改造成本。

最后，在同一地區，尤其是在同一電站內，勵磁方式必須盡量統一，以方便并列工作和提高運行的穩定性。

2.2 中小型水電站發電機組勵磁調節器的選擇

目前，微機型勵磁調節器已成為發電機勵磁調節器的主流。作為勵磁裝置控制核心的發電機勵磁調節器，其發展經歷了機電型、電磁型、晶體管分立元件型、模擬運算放大器型以及微機型等。其中，微機型勵磁調節器是最新一代的勵磁調節器，自使用以來，微機型勵磁調節器在生產運行中就顯示了優良的性能，它可以進一步改善勵磁系統的動態及靜態品質，技術性能指標更高。

微機式勵磁調節器與模擬式勵磁調節器相比較，具有以下優點：微機式調節器可以實現模擬式勵磁調節器很難實現的與動態響應相結合的PID控制規律、PSS電力系統穩定器、非線性控制、自適應控制及模糊控制等控制規律，具有較強的靈活性和通用性，并能夠根據用戶的不同要求組裝軟件的功能模塊；微機式調節器減少了可調電位器，通過微機的按鍵進行調節，調節更準確、精度更高，操作、調試及維護更加的方便，而且具有在線顯示、改變參數的能力和故障錄波功能，更有利于故障原因的查找和排除；微機式調節器運行的可靠性更高，它的大部份的使用功能都由軟件完成，無故障工作時間長；微機式調節器的勵磁系統功能組態更靈活、操作更簡單，系統的維修和試驗實現了智能化，促進了水電站自動化、智能化的發展，并實現了“無人值班、少人值守”的模式；微機式調節器與系統的通信更方便，便于遠方控制和實現發電機組的計算機綜合協調控制；系統軟件具有更強的開放性和向上兼容的能力，有利于軟件的升級、發展。

由于中小型水電站對勵磁的動態和靜態特性要求比較高，所以，現在我國中小型水電站絕大部份都是采用微機調節器，只有少量采用模擬運算放大器為核心的勵磁調節器，其他類型的調節器已基本被淘汰。對于新建的中小型水電站或者是對中小型水電站進行升級改造，基本上都選擇微機勵磁調節器，以提高水電站的自動化水平。

3 結束語

隨著我國水電事業的快速發展，中小型水電站已逐漸成為水電建設的主力軍，在中小型水電站的建設中，我們只有更科學、更合理的選擇勵磁系統，才能讓水電站充分發揮其應有的作用，為我國的經濟發展注入更強大的活力。

參考文獻

[1]許光能.中小水電站勵磁系統的技術改造探索-以大新縣中軍潭水電站為例[J].企業科技與發展，2011（15）.

[2]李江.水電站中勵磁系統的穩定性分析[J].中國科技博覽，2012（20）.