湖南涔天河水電站勵磁系統(tǒng)主要配置選型淺析

何衛(wèi)東

（湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州425599）

0 前言

涔天河水電站位于湖南永州市江華瑤族自治縣涔天河鎮(zhèn)，電站裝機4臺立式混流機組，容量為4×50 MW。

本項目的勵磁裝置采用EXC9100微機型靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，主要由調(diào)節(jié)器柜、整流功率柜、滅磁開關(guān)柜等幾部分組成。

本文從勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，探討勵磁系統(tǒng)主要部件的配置和選型。

1 勵磁調(diào)節(jié)器通道配置

勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁系統(tǒng)的核心，為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性，調(diào)節(jié)通道宜采用冗余配置方式。涔天河水電站EXC9100勵磁調(diào)節(jié)器采用三微機勵磁調(diào)節(jié)通道（A、B、C 3個通道）架構(gòu)，工作+備用工作方式。A、B通道為對等冗余通道，互為備用；C為A、B的后備通道，當(dāng)A、B通道均故障時切至C通道運行。每個調(diào)節(jié)器通道包含有2種運行方式：自動AVR與手動FCR控制單元。

A、B通道的測量信號分別通過發(fā)電機機端勵磁專用的電壓互感器BV1、BV2和電流互感器BA1、BA2取得。C通道的測量信號，如現(xiàn)場具備條件，可由發(fā)電機機端第3套BV3、BA3提供，也可取自A、B通道。取自勵磁變副邊的三相同步電壓信號及勵磁電流信號，為3個通道所共用。

系統(tǒng)默認(rèn)A通道為主運行通道、B通道為主備用通道，并可通過程序設(shè)定主運行通道。通道間采用熱備用的運行方式，主備用通道、后備備用C通道同時跟蹤主運行通道的脈沖輸出，確保各通道的脈沖輸出一致，通道切換時平穩(wěn)且擾動小。并且，各通道同時接收控制與調(diào)節(jié)信號，并執(zhí)行操作與調(diào)節(jié)，但只有該通道處于主運行通道狀態(tài)時，通道才輸出信號和觸發(fā)脈沖。在工作通道出現(xiàn)運行故障時備用通道瞬間自動進入工作狀態(tài)，同時關(guān)閉和退出有問題的通道，不再投入。如勵磁調(diào)節(jié)器工作和備用通道的電壓調(diào)節(jié)方式（AVR）同時出現(xiàn)問題，將立即投入FCR工作。工作和備用通道間采用智能即時信號聯(lián)系，確保勵磁調(diào)節(jié)器工作方式的無擾變換。

EXC9100調(diào)節(jié)器對通道可用狀態(tài)進行智能分級管理，使調(diào)節(jié)器熱備用組合更加合理。通道工作狀態(tài)分為 0、1、2、3四個等級，3級為最高，0級為最低。3級是工作狀態(tài)，所有必要的、備用的輸入均正常；0級是通道存在嚴(yán)重問題，必要的輸入異常，必須退出工作。

備用通道即時監(jiān)控工作通道。A、B工作通道之間互為主備用，其邏輯關(guān)系為兩個通道優(yōu)先級別變更時，系統(tǒng)會自動切換到高級別通道工作。備用通道優(yōu)先級別最高時，備用通道便會自動替換工作通道工作，這種分級管理，使勵磁系統(tǒng)工作有序，運行更穩(wěn)定。

通道狀態(tài)級別定義見表1。

表1 通道狀態(tài)級別定義

當(dāng)通道運行在自動（AVR）方式，正常運行時狀態(tài)級別為3級；PT故障時，調(diào)節(jié)器切到備用通道，原通道變?yōu)槭謩樱‵CR）方式且狀態(tài)降為2級，該狀態(tài)一直保持直至PT故障消除；若機端電壓大于10%時，未檢測到同步信號，則本通道優(yōu)先級降為0，即本通道不可用，該狀態(tài)保持直至同步信號故障消除。

1.1 勵磁調(diào)節(jié)器硬件

勵磁調(diào)節(jié)器主要由A/B/C 3個對等通道、開入量板、開出量板、人機界面、智能IIU以及特殊功能通信模塊（可選配）等組成。

3通道配置方案圖如圖1。

圖1 3通道配置方案

根據(jù)國內(nèi)調(diào)研情況，其他國產(chǎn)調(diào)節(jié)器普遍由2套標(biāo)準(zhǔn)6 U機箱組成的AVR控制單元、操作回路及開關(guān)量輸入輸出構(gòu)成，與本項目方案相比，少了一套通道硬件。

1.2 勵磁調(diào)節(jié)器各個通道板件

1.2.1 主控制板

勵磁調(diào)節(jié)器主控板采用ARM+FPGA多CPU架構(gòu)，其中ARM芯片主要用以實現(xiàn)調(diào)節(jié)器邏輯運算、對外通信等，F(xiàn)PGA用以實現(xiàn)同步采集控制、同步交流采樣及脈沖的形成和觸發(fā)等。

勵磁調(diào)節(jié)器的核心主控制板使用16位數(shù)字分辨率A/D采樣芯片，其特點是瞬時、快速、高效和準(zhǔn)確地處理獲取的數(shù)據(jù)，完全滿足勵磁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和處理需求。

1.2.2 模擬量處理板

模擬量處理板負(fù)責(zé)將從調(diào)節(jié)器采集到的電壓、電流、同步信號和白噪聲等模擬量轉(zhuǎn)化成直流電壓（-10～+10 V）信號，為主控制板的AD采樣功能提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號。主控制板頻率測量信號也來自模擬量處理板。

1.2.3 I/O接口板

后臺設(shè)備對勵磁調(diào)節(jié)器的功能操作、調(diào)節(jié)器對外的傳送信號，都是通過I/O接口板轉(zhuǎn)駁實現(xiàn)。

1.3 小結(jié)

EXC9100勵磁調(diào)節(jié)器采用3通道冗余的方式，通道間無擾動切換，極大提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時每個調(diào)節(jié)通道都選用高性能硬件，為各個通道的可靠性提供了足夠的保障。

2 功率整流單元散熱方式選擇

可控硅元件在勵磁控制回路中需具有較高的可靠性，優(yōu)良的散熱系統(tǒng)是可控硅元件可靠工作的重要保障。功率柜中主要的熱量是由可控硅元件及高功率器件產(chǎn)生，可控硅散熱方式的選擇是整個勵磁功率柜散熱性能的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)、外勵磁廠家采用的散熱方式有強迫風(fēng)冷和熱管散熱等方式。熱管散熱與強迫風(fēng)冷散熱的目標(biāo)都是把半導(dǎo)體元件工作時產(chǎn)生的熱量高效地傳輸?shù)皆O(shè)備之外。

熱管散熱是將熱管散熱器壓裝在可控硅金屬表面，熱管內(nèi)充有介質(zhì)，通過抽真空降低介質(zhì)沸點，利用介質(zhì)在熱管中液態(tài)→氣態(tài)→液態(tài)的轉(zhuǎn)化過程把可控硅產(chǎn)生的熱量快速帶離可控硅表面，散發(fā)到柜體中，再通過自然對流或者強迫風(fēng)冷循環(huán)傳輸?shù)焦裢狻Ｈ魺峁軆?nèi)真空度下降，則熱管的性能會大打折扣。

熱管散熱器可以較快地將熱量從散熱器的熱源端傳遞到冷凝端，若要將熱量交換到柜外，并達到理想效果，需加大散熱器體積或者輔以強迫對流，相應(yīng)的熱管散熱器分為“無風(fēng)熱管”與“有風(fēng)熱管”。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的“無風(fēng)熱管”整流柜，熱管散熱器體積較大，對環(huán)境要求較高，對電磁兼容性指標(biāo)有一定影響；“有風(fēng)熱管”的單柜出力比“無風(fēng)熱管”方式有所增加，此方式接近于強迫風(fēng)冷，散熱效率明顯提高，運行中不可停風(fēng)，武漢某廠家功率整流采用的STR功率整流柜即為“有風(fēng)熱管”方案。

強迫風(fēng)冷同樣是將金屬型材散熱器壓裝在可控硅表面，利用金屬的良好導(dǎo)熱性能把熱量傳遞到發(fā)散型的金屬翼片，通過風(fēng)機將翼片的熱量快速帶到柜外，風(fēng)機同時可把功率柜內(nèi)其他高功率器件，如阻容回路元件的熱量一并帶出。

強迫風(fēng)冷需用到轉(zhuǎn)動部件，有噪音、易積塵。但隨著制造工藝的提升，這些影響已大大降低，比如選用高性能風(fēng)機可有效降低噪音，功率柜的進風(fēng)口裝有空氣濾芯可有效減少灰塵，實心金屬型材散熱器翼片間隙較大，便于日常清理。

兩種散熱方式各有優(yōu)缺點，通過調(diào)研，目前國內(nèi)投入使用的勵磁系統(tǒng)中，強迫風(fēng)冷方式應(yīng)用更廣泛，技術(shù)成熟、容易監(jiān)測、方便維護。

因此，涔天河水庫擴建項目勵磁系統(tǒng)整流裝置采用實心鋁型材散熱器組件雙面壓裝、并聯(lián)風(fēng)道強迫風(fēng)冷方式。

3 勵磁功率整流柜智能均流的選擇

多面并聯(lián)運行整流柜的均流系數(shù)，是晶閘管選型的主要參數(shù)之一，關(guān)系到設(shè)備可靠穩(wěn)定運行的年限。根據(jù)GBT7409.3《同步電機勵磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定，功率整流柜的均流系數(shù)應(yīng)不小于0.85。

常規(guī)均流方案一般采用硅元件參數(shù)選配及交直流進出線的處理，再加上通過調(diào)節(jié)器算法反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)設(shè)備運行一段時間后，可控硅及電阻的特性會發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)器的算法未必能保持理想的均流效果。

EXC9100采用基于脈沖控制的智能均流技術(shù)，自動調(diào)節(jié)過程中，功率柜控制板對本柜電流進行實時采集和比對。EXC9100核心特點是在功率柜交流側(cè)進行電流采集：EXC9100勵磁功率整流柜交流輸入側(cè)有3個電流互感器，如圖2所示中的BA21、BA22、BA23。這3個CT既是該柜輸出電流的測量CT，又是EXC9100按相均流測量CT。功率柜交流三相測量均流的自動均流方式，是目前領(lǐng)先的智能動態(tài)均流技術(shù)解決方案。相比其他只計算各并聯(lián)功率柜之間的均流方案，橋臂換流的暫態(tài)過程才是比較準(zhǔn)確、更貼近真正意義的智能均流。

圖2

因此，根據(jù)涔天河擴機工程情況及現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，勵磁功率整流柜智能均流的選擇符合電廠使用要求。

4 結(jié)語

本文著重介紹了涔天河水電站勵磁調(diào)節(jié)器和功率柜的配置與選型，勵磁調(diào)節(jié)器采用3調(diào)節(jié)通道冗余配置，功率柜冷卻單元采用強迫風(fēng)冷方式并配備基于脈沖控制的智能均流方案，確保電站設(shè)備運行的安全性和可靠性。