KLSF—01型可編程微機勵磁系統在瓦房城水電站的應用

針對電站老舊勵磁系統技術陳舊、設備老化，性能和可靠性差等問題，在項目建設中提出用KLSF-01型可編程微機勵磁系統替代原勵磁系統的改造方案；并簡要介紹了KLSF-01型可編程微機勵磁系統的構成、功能、性能和特點。實踐證明，微機勵磁系統結構簡單、功能完善、可靠性高，大大提高了水電站自動化運行和控制水平。

【關鍵詞】KLSF-01型 可編程微機勵磁系統 水電站 應用

瓦房城水電站地處甘肅省民樂縣南古鎮，座落于黑河流域東部支流的大堵麻河上，該河流發源于祁連山北麓的野牛山，多年平均流量2.62m3/s，多年平均年徑流量8310萬m3，水能蘊藏量3.78萬kw。電站始建于1978年，屬水庫壩后式電站，總裝機容量3×500kw，設計年發電量620萬kw.h，架設SJ1型主變1臺，10kv并網線路1回，發電機出口電壓6.3kv。其3臺發電機勵磁系統均采用TKL-11型晶閘管自并激靜止勵磁裝置，乃上世紀90年代逐漸更新改造后的產品，至今已運行20多年，技術相對落后，元部件老化嚴重，運行中穩定性差、故障率高，安全無保障。

1 原勵磁系統存在的問題

瓦房城水電站的勵磁系統經過多年運行，存在著技術陳舊、設備老化、性能和可靠性差， 以及自動化水平低等問題，影響了水電站的安全運行和經濟效益。原勵磁系統主要存在以下問題：

（1）發電機組勵磁系統由于運行年久，設備逐日老化，造成勵磁系統調節性能不穩定，故障查找困難。特別是晶閘管整流勵磁是比較復雜的技術，在發生故障時，需要經驗豐富的資深技術人員和完備儀器，故障排除效果難以保證，有時甚至擴大故障。

（2）勵磁元件、部件易發熱損壞，多次導致可控硅燒壞，導致事故停機。勵磁脈沖、過壓、測量放大集成電路插板插腳及勵磁調整電位器觸頭磨損老化嚴重，時常發生接觸不良、勵磁失控、調節失靈、滅磁開關不動作、誤動作等問題，使機組運行不穩定、不可靠。

（3）TKL-11型產品出廠時隔多年，隨著新興技術的推廣，原來的電路板和元配件已淘汰，其備品備件不易購置。

（4）勵磁系統中復雜的勵磁控制部分電路，故障發生率很高，經常因為某一個小小的元器件損壞而被迫停機，影響了發電運行的安全性和經濟效益。

為了改善電站運行條件，提高水電站自動化水平，提高電站綜合經濟效益，對老的勵磁系統改造已成為當務之急。

2 改造方案

2010年瓦房城水電站被國家水利部、發改委列入小水電代燃料建設項目，裝機容量擴大至2060kw（2*630+800kw）。為保證電站機組的安全穩定運行，實現水電站“無人值班、少人值守”的建設目標，提高小水電代燃料電站的經濟效益，根據瓦房城水電站機組參數配置，經多方研究論證，本著經濟實用的原則，決定選用KLSF-01型可編程微機勵磁系統替代原勵磁系統。改造方案如下：

（1）保留勵磁回路全部一、二次電纜。

（2）更換3臺發電機勵磁系統勵磁屏及與其相配套的勵磁變壓器（用油浸式或干式變壓器）。

（3）勵磁屏由核心部件PLC（日本進口）可編程微機勵磁調節器及相應的儀器儀表和繼電保護組成。

（4）配置機端PT（6300/380）9只（單相），機端CT（150/5） 9只。

（5）整流橋選用優質單個可控硅功率整流元件，組成全控橋，單個可控硅功率整流元件采用了熱管冷卻以及整個功率單元采取低噪聲風機冷。

（6）滅磁裝置采用快速滅弧直流短路器。

3 KLSF-01型勵磁系統構成

KLSF可控硅勵磁裝置主要由全控橋的勵磁功率單元和可編程勵磁調節器兩部分構成。功率單元主要是勵磁變、可控硅整流裝置、外接電源起勵回路，滅磁開關和滅磁回路等組成。其核心部件是勵磁調節器，勵磁調節器的作用就是根據發電機運行狀態自動調節功率單元輸出的勵磁電流，達到機組空載并網發電及負載無功的要求，并提供參數、儀表、指示燈等信號給運行人員。

3.1 勵磁柜

勵磁柜由調節器及功率單元組成。勵磁柜內安裝調節器、滅磁裝置及電阻、功率單元、控制信號設備和所有附件。勵磁柜采用通風冷卻系統。儀表和操作開關布置在便于監視和操作的位置。勵磁柜都設有出口勵磁電壓和勵磁電流出口，在勵磁柜上也裝設勵磁電壓表和勵磁電流表，以及發電機機端電壓表。勵磁屏外型尺寸為高2260mm，寬800 mm，深800 mm。

3.2 可編程控制器組成的勵磁調節器

可編程邏輯控制器簡稱PLC，KLSF勵磁裝置采用原裝置日本三菱公司的FX1N系列PLC，其存儲介質為EEPROM，程序和數據可在沒有電源的情況下長時間保持，而不需要專用電池。

勵磁調節器除了作為運算控制核心的PLC外，還設有電源和信號變換模塊、信號檢測模塊、移相觸發控制模塊。人機對話除設置了必要表計，指示燈，按鈕外，還配置了一臺漢字液晶觸摸屏。

3.3 勵磁變壓器

勵磁變壓器直接接于同步發電機機端，組成自并勵勵磁系統。其高壓側配備隔離刀閘和熔斷器。勵磁變連接方式為Y/Δ-1，容量：63KVA，變比：6300V/120V。

3.4 可控硅整流裝置

整流橋為三相全控整流橋。每一橋臂整流元件串聯快速熔斷器作為過電流保護，快速熔斷器配裝有熔斷信號器，該快熔熔斷時經微動開關發出熔斷器熔斷信號。在每一橋臂整流元件并聯電阻和電容，作為元件換相過電壓能量的吸收。功率整流元件采用自然風冷，冷卻風機裝于柜體的頂端，由功率屏的頂部排出熱空氣。

3.5 滅磁裝置與過電壓保護

勵磁系統設逆變滅磁和自動滅磁裝置滅磁兩種方式，機組正常停機一般采用逆變滅磁，事故停機采用自動滅磁裝置滅磁。在任何需要滅磁的情況下（包括發電機空載強勵）都將保證可靠快速滅磁。endprint

過電壓保護裝置保證發電機磁繞組兩端的電壓瞬時值不超過出廠耐壓試驗時該繞組對地耐壓試驗電壓幅值的70%。

自動滅磁裝置，采用快速滅弧直流斷路器，最小斷流能力不大于額定勵磁電流的6%，最大分斷電流不小于額定勵磁電流的200%，電壓大于強行勵磁時發電機勵磁繞組的頂值電壓。其操作電源額定電壓為直流220V，操作機構保證斷路器可靠合閘和分閘（采用雙跳閘線圈），并有電氣和機械防跳措施。

3.6 起勵裝置

起勵裝置采用殘壓起勵為主、直流起勵為輔的起勵方式。廠商提供直流起勵的成套設備，包括電源進線、開關及內部聯接的電線。采用直流起勵，電源來自廠用220V直流系統。設有起勵后自動退出和起勵不成功的控制、信號、保護、閉鎖回路。起勵電源的電流為15%發電機空載勵磁電源。

4 KLSF-01型勵磁系統功能、特點及性能

KLSF-01型勵磁系統的核心部件是可編程觸摸屏微機勵磁調節器，其主要功能及特點如下：

4.1 主要功能及要求

（1）發電機電壓自動調節。調節規律采用P、PI、PID可選。

（2）勵磁電流自動調節。按勵磁電流的給定值和實測值偏差進行調節。

（3）手動/自動相互跟蹤及切換。正常運行時，兩種方式可相互切換。自動故障時自動切換到手動。自動也可用手動方式切換到手動，所有切換均無擾動。

（4）系統電壓跟蹤。為實現機組與系統的快速同步，勵磁系統設置發電機電壓跟蹤系統電壓環節。

（5）過勵磁限制及最大勵磁限制。應根據磁場繞組的熱穩定要求對勵磁電流進行限制，按反時限曲線經過規定時間自動將勵磁電流限制在額定勵磁電流。

（6）欠勵限制。根據機組實發有功功率，對發電機勵磁電流最小值進行限制，其限制曲線比發電機失磁保護的有功功率—勵磁電壓判據留有一定裕度，以相互配合。

（7）V/Hz限制。根據發電機電壓、頻率的大小，調整勵磁電流，使發電機電壓不超過由頻率電壓關系所確定的數值，主要用來防止發電機和主變壓器過激勵、發電機不并網時空載誤強勵或勵磁誤調整造成的空載過電壓。V/Hz限制將發電機變壓器組的V/Hz保護配合，還與正常轉速調整范圍內的電壓調整的頻率特性配合，與電壓調節范圍相配合。

（8）控制參數的在線修改。可在線修改各種控制參數，進行在線修改時，不影響勵磁系統的正常運行。

（9）容錯功能。對于自動和手動，當發生被調量反饋信號丟失、各種給定指令信號丟失等故障時，首先考慮切換，在不能切換時將有容錯功能。當處于容錯運行時，仍保證安全運行。

（10）保護功能設置。a.勵磁（功率整流）柜的過電流和過電壓保護；b.電壓互感器斷線保護；c.勵磁（功率）柜冷卻風機故障、電源消失及斷相保護。

（11）現地人機聯系。在勵磁柜上除裝設測量儀表和控制信號設備外，還可在線選擇顯示重要的實時運行參數、給定參數以及計算參數。

（12）通信。備有R485串行通信口，具有和上位計算機通訊的功能。另外，有現地調試、顯示通信接口。

（13）自診斷、自恢復。a.能診斷到包括過程通信在內的每一個插件，并能提出故障性質；當硬件故障時，軟件可及時發現；b.當電源消失和恢復供電，以及調節器停止后又起動，能夠自動按實時狀態恢復工作。

（14）勵磁調節器具有限制起勵超調功能（采用可編程微機勵磁調節器）。

4.2 主要特點

（1）多通道模式，無擾動切換。機旁設置雙通道模式，恒壓，恒流通道。通過與上位機通訊，配合計算機監控可實現多種運行模式。

（2）簡潔的硬件結構。調節器由PLC，檢測模塊，觸發模塊，電源和信號變換模塊組成，結構簡單，維護方便。

（3）操作簡單。KLSF勵磁裝置設計了近方，遠方操作方式，無論是在現場還是在中控室，均能實現勵磁系統的全方位控制。

（4）標準通訊。配置了標準的RS232和RS485通訊接口，把PLC采集的發電機組參數，勵磁系統參數實時傳送出來，實現計算機監控。

（5）硬件“看門狗”。FX1N系列可編程控制器自帶硬件“看門狗”，實現PLC永不“死機”。

（6）美觀的人機操作界面。采用大屏幕的液晶觸摸屏，方便通過觸摸屏監視設備運行狀態，在線更改參數。

4.3 主要性能及技術參數

（1）自動勵磁調節器保證發電機機端調壓精度優于0.5%。

（2）自動勵磁調節器保證發電機機端電壓調差率整定范圍不小于±10%，并按1%的檔距分檔，調差特性有較好的線性度。

（3）自動勵磁調節器能在發電機空載電壓40%～110%額定值范圍內進行穩定、平滑的調節。

（4）在發電機空載狀態下，自動勵磁調節器和手動控制單元的整定電壓變化速度，不大于額定電壓1%/s，不小于額定電壓0.3%/s。

（5）自動勵磁調節器有自動電壓跟蹤回路，在機組同期并網之前使機組電壓迅速跟蹤系統電壓。

（6）手動控制單元的調節范圍，下限不得高于發電機空載勵磁電壓的40%，上限不得低于110%額定勵磁電壓。

（7）發電機空載運行，轉速在0.95～1.05額定轉速范圍內的情況下，突然投入勵磁系統，使發電機端電壓從零上升至額定值時，電壓超調量不大于額定電壓的15%，振蕩次數不超過3～5次，調節時間不大于5s。

（8）當發電機突然甩掉額定有功負載和額定無功負載后，發電機電壓超調量不大于15%～20%額定值，振蕩次數不超過3～5次，調節時間不大于5s。

5 KLSF-01型勵磁系統工作原理

KLSF-01型勵磁系統基于自并激勵磁方式，系統的勵磁電流取自發電機機端，經過整流變壓器降壓、三相全控整流橋整流后向發電機供給勵磁電流。勵磁裝置由測量單元、同步單元、放大單元、調差單元、穩定單元、限制單元及一些輔助單元構成。被測量信號（如電壓、電流等），經測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結果（偏差）經前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導通角，以達到調節發電機勵磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證可控硅的正確觸發，調差單元用于并聯運行的發電機能穩定和合理地分配無功負荷，穩定單元用于改善勵磁系統的穩定性，限制單元用于防止發電機在過勵磁或欠勵磁的條件下運。

6 效益

由于瓦房城水電站屬于季節性發電的水電站，效益最大化是企業追求的最終目標，爭分奪秒發好每一度電是企業員工的責任，再者電力調度對電站上網電能質量考核標準嚴格，因此水電站系統運行的穩定度和可靠度是實現這一目標的法寶。使用微機勵磁系統，通過改善勵磁條件，合理調節有、無功比例，解決了電站上網電能質量問題，有效提高了電站經濟效益；因調節品質的提高，調整時間縮短，并網更加迅速；節省了購買維修電氣元件的材料費和人工修理費。

7 結語

隨著電子技術的不斷發展，發電機勵磁技術也在不斷更新和升級，微機勵磁裝置的性價比逐漸降低，在新建或改擴建小水電站已普遍推廣應用。微機勵磁系統采用先進技術，按“無人值班、少人值守”的原則設計，具有結構簡單、可靠性高、使用維護方便、調節品質優良和功能完善等特點，人性化的人機交換界面，可減小運行人員勞動強度，為電站實現自動化運行并提高經濟效益奠定了良好基礎。實踐證明，微機勵磁系統結構簡單、功能完善、可靠性高，大大提高了水電站自動化運行和控制水平。

參考文獻

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[2]田煒.基于MSP430單片機中小型水輪機微機調速器的設計與研制[D].武漢大學，2005.

作者簡介

李榮（1975-），男，大專學歷。現為甘肅省民樂縣瓦房城水電站助理工程師，主要從事水電站生產運行及技術處理工作。

作者單位

民樂縣瓦房城水電站 甘肅省民樂縣 734506endprint