湖南涔天河水電站勵磁系統主要配置選型淺析

何衛東

（湖南涔天河工程建設投資有限責任公司，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，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微機型靜態勵磁系統，主要由調節器柜、整流功率柜、滅磁開關柜等幾部分組成。

本文從勵磁系統的穩定性、可靠性出發，探討勵磁系統主要部件的配置和選型。

1 勵磁調節器通道配置

勵磁調節器是勵磁系統的核心，為了提高勵磁系統的可靠性，調節通道宜采用冗余配置方式。涔天河水電站EXC9100勵磁調節器采用三微機勵磁調節通道（A、B、C 3個通道）架構，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A、B通道均故障時切至C通道運行。每個調節器通道包含有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，如現場具備條件，可由發電機機端第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。

系統默認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，通道切換時平穩且擾動小。并且，各通道同時接收控制與調節信號，并執行操作與調節，但只有該通道處于主運行通道狀態時，通道才輸出信號和觸發脈沖。在工作通道出現運行故障時備用通道瞬間自動進入工作狀態，同時關閉和退出有問題的通道，不再投入。如勵磁調節器工作和備用通道的電壓調節方式（AVR）同時出現問題，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系，確保勵磁調節器工作方式的無擾變換。

EXC9100調節器對通道可用狀態進行智能分級管理，使調節器熱備用組合更加合理。通道工作狀態分為 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，所有必要的、備用的輸入均正常；0級是通道存在嚴重問題，必要的輸入異常，必須退出工作。

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

通道狀態級別定義見表1。

表1 通道狀態級別定義

當通道運行在自動（AVR）方式，正常運行時狀態級別為3級；PT故障時，調節器切到備用通道，原通道變為手動（FCR）方式且狀態降為2級，該狀態一直保持直至PT故障消除；若機端電壓大于10%時，未檢測到同步信號，則本通道優先級降為0，即本通道不可用，該狀態保持直至同步信號故障消除。

1.1 勵磁調節器硬件

勵磁調節器主要由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

根據國內調研情況，其他國產調節器普遍由2套標準6 U機箱組成的AVR控制單元、操作回路及開關量輸入輸出構成，與本項目方案相比，少了一套通道硬件。

1.2 勵磁調節器各個通道板件

1.2.1 主控制板

勵磁調節器主控板采用ARM+FPGA多CPU架構，其中ARM芯片主要用以實現調節器邏輯運算、對外通信等，FPGA用以實現同步采集控制、同步交流采樣及脈沖的形成和觸發等。

勵磁調節器的核心主控制板使用16位數字分辨率A/D采樣芯片，其特點是瞬時、快速、高效和準確地處理獲取的數據，完全滿足勵磁系統的數據采樣和處理需求。

1.2.2 模擬量處理板

模擬量處理板負責將從調節器采集到的電壓、電流、同步信號和白噪聲等模擬量轉化成直流電壓（-10～+10 V）信號，為主控制板的AD采樣功能提供所需的基礎數據信號。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

后臺設備對勵磁調節器的功能操作、調節器對外的傳送信號，都是通過I/O接口板轉駁實現。

1.3 小結

EXC9100勵磁調節器采用3通道冗余的方式，通道間無擾動切換，極大提高了調節系統的穩定性，同時每個調節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，優良的散熱系統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鍵。目前，國內、外勵磁廠家采用的散熱方式有強迫風冷和熱管散熱等方式。熱管散熱與強迫風冷散熱的目標都是把半導體元件工作時產生的熱量高效地傳輸到設備之外。

熱管散熱是將熱管散熱器壓裝在可控硅金屬表面，熱管內充有介質，通過抽真空降低介質沸點，利用介質在熱管中液態→氣態→液態的轉化過程把可控硅產生的熱量快速帶離可控硅表面，散發到柜體中，再通過自然對流或者強迫風冷循環傳輸到柜外。若熱管內真空度下降，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，相應的熱管散熱器分為“無風熱管”與“有風熱管”。當前國內生產的“無風熱管”整流柜，熱管散熱器體積較大，對環境要求較高，對電磁兼容性指標有一定影響；“有風熱管”的單柜出力比“無風熱管”方式有所增加，此方式接近于強迫風冷，散熱效率明顯提高，運行中不可停風，武漢某廠家功率整流采用的STR功率整流柜即為“有風熱管”方案。

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

強迫風冷需用到轉動部件，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，比如選用高性能風機可有效降低噪音，功率柜的進風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缺點，通過調研，目前國內投入使用的勵磁系統中，強迫風冷方式應用更廣泛，技術成熟、容易監測、方便維護。

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

3 勵磁功率整流柜智能均流的選擇

多面并聯運行整流柜的均流系數，是晶閘管選型的主要參數之一，關系到設備可靠穩定運行的年限。根據GBT7409.3《同步電機勵磁系統大、中型同步發電機勵磁系統技術要求》規定，功率整流柜的均流系數應不小于0.85。

常規均流方案一般采用硅元件參數選配及交直流進出線的處理，再加上通過調節器算法反饋調節，當設備運行一段時間后，可控硅及電阻的特性會發生變化，通過調節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，自動調節過程中，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進行電流采集：EXC9100勵磁功率整流柜交流輸入側有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，是目前領先的智能動態均流技術解決方案。相比其他只計算各并聯功率柜之間的均流方案，橋臂換流的暫態過程才是比較準確、更貼近真正意義的智能均流。

圖2

因此，根據涔天河擴機工程情況及現有技術發展水平，勵磁功率整流柜智能均流的選擇符合電廠使用要求。

4 結語

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