大藤峽水力發電廠勵磁系統設計及應用

覃 悅，羅紅云

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 南寧 537556）

1 引言

大藤峽水利樞紐位于廣西貴港桂平市，是南盤江紅水河水電基地綜合利用規劃10級梯級電站中的最后一級。大藤峽水利樞紐以防洪為主，兼顧灌溉航運和給珠江三角洲地區供水提供保障的作用。電站共8臺機組，單機容量200 MW，總裝機容量為1 600 MW。大藤峽水利樞紐水輪機為軸流轉槳式，截至2020年7月，是國內最大裝機容量的軸流轉槳式的水電站。首臺機組于2020年發電投產，目前大藤峽水利樞紐的勵磁系統采用廣州擎天實業有限公司的EXC9200型號的勵磁系統，設備已完成了裝置的現場調試以及72 h試運行，正式進入了生產階段。

2 大藤峽水利樞紐勵磁系統的基本結構

大藤峽水利樞紐勵磁系統是由廣州擎天實業有限公司設計生產的，勵磁裝置一共8個柜子，分別為1個調節柜、1個進線切換柜、4個功率柜、1個滅磁開關柜和1個SiC滅磁電阻柜。

大藤峽水利樞紐勵磁系統為自并勵靜止勵磁系統，從機端接收電能通過勵磁變壓器將電壓由15.75 kV降壓至0.89 kV，然后電能通過進線切換柜中ABB的進線開關進入交流母排，再經由4個功率柜三相全控整流橋整流后送入勵磁直流母排，先后經過滅磁開關、勵磁直流電纜、勵磁滑環、勵磁穿軸引線至轉子磁極。

2.1 勵磁調節器的硬件設計

數字式勵磁調節器分為半空橋勵磁調節器、單微機全控橋勵磁調節器、雙微機全控橋勵磁調節器。單微機全控橋勵磁調節器結構簡單、性價比高,但若其中一個觸發脈沖故障很容易燒毀可控硅,半空橋調節器由于有續流二極管不存在這種現象，卻容易引起可控硅失控。雙微機勵磁調節器，既解決觸發脈沖問題，又不存在失控,是最好的選擇。1985年南京自動化研究所首先研制成功的微機勵磁調節器,型號為WLF-I型,它結構比較復雜、價格昂貴,適用于10萬kW以上的大型機組。廣科生產的上一代勵磁系統EXC9000的升級版(型號為EXC9100)全數字式靜態勵磁系統,由兩個微機通道(含2個手動通道和2個自動通道)組成，這兩個通道(A、B通道)在測量回路(機端電壓互感器)和脈沖觸發回路方面各自獨立。該勵磁系統采用雙CPU協同工作，具有運算速度快、功耗低、分工合理的優點，并能在全封閉的環境下工作,因發熱量小，無需用風扇散熱，并且抗沖擊、抗振動能力強[1]。

大藤峽水利樞紐EXC9200勵磁系統采用的是3通道并聯運行的冗余設計，相比EXC9000的C通道為模擬通道而言[2]，EXC9200的A通道、B通道和C通道均為數字通道，也可以說是自動電壓調節的微機通道，相比于上一代的EXC9000勵磁系統，增加了系統運行的可靠性，其中核心控制器為32位處理器，將機端電壓、機端電流、勵磁電壓和勵磁電流采集至控制板，再由處理器進行處理。A、B通道調節方式互為主、備，正常情況下A通道作為主通道(含手動和自動單元),B、C通道(含手動和自動單元)作為備用通道。主、備調節通道各配有一套獨立的智能型的故障檢測系統,當B通道檢測到A通道輸入回路或輸出回路故障時，自動關閉A通道,B通道改為主通道并報警,只有在B通道檢測到A通道故障消除后才恢復A通道為主通道。其中A通道采集的信號由單獨的機端電壓互感器、機端電流互感器、勵磁變副邊電流互感器和勵磁變副邊電壓互感器提供，B通道和C通道的數據采集則是通過共用機端和勵磁變副邊的電壓互感器和電流互感器提供。

2.2 通信設計

大藤峽水利樞紐勵磁系統調節柜內部采用CAN總線進行數據傳輸（圖1），并通過CAN總線將調節柜與功率柜的數據進行交換，其中在調節柜內有兩塊勵磁電流采集板，為冗余設置。實際上，一塊勵磁電流采集板就能實現3通道的數據傳輸，但在安裝上則是兩塊勵磁電流采集板一塊給A通道提供勵磁變副邊的勵磁電流信號，另一塊給B和C通道提供勵磁變副邊的勵磁電流，同時通過調節柜內的勵磁電流采集板進行電流輸送，輸送至各個功率柜智能板，實現功率柜各橋臂的智能均流，均流系數能達到97%。在調節柜上還有一塊脈沖板，通過接收調節器同步變壓器送過來的同步電壓，經過調節器運算后，將可控硅的導通信號傳輸至脈沖板，由脈沖板將電信號轉換為光信號傳輸至功率柜內的脈沖板，再轉換為電信號輸送至脈沖變，由脈沖變的導通實現了三相全控整流橋的導通，其中的光纖傳輸更是增加了傳輸信號的穩定性，避免了不必要的損耗及外界的干擾。

對外接口中，調節柜采用的是IIU板，通過CAN總線接收勵磁系統信息，包括故障信息和狀態信息等，并通過繼電器接點輸出至電站監控系統，通過RS485串行通信口與電站監控系統相連，實現信息的互通（圖1）。

圖1 調節柜通信方案

2.3 整流柜的設計

大藤峽水利樞紐整流裝置共有4個整流柜，均采用三相全控可控硅整流橋進行整流輸出，柜子并聯在一起，通過脈沖板對可控硅進行導通控制。柜子為（n-1）冗余模式，當有1臺功率柜退出運行時，剩下的3臺功率柜仍能滿足強勵的需求，實現勵磁系統正常運行；當2臺功率柜退出運行時，剩下的2臺能滿足勵磁系統正常運行，但限制強勵功能。

在功率柜的交流回路和直流回路中，均設計了刀閘，所以在每個功率柜里有2把刀閘，可用以隔離功率柜。同時在交流回路中，每個可控硅均配有1個熔斷器配合使用，并設計了一個防止直流回路過電壓的阻容保護回路，用以將操作過電壓、雷擊過電壓、換向過電壓中的高電壓進行削峰吸收[3]，給勵磁系統提供了有效的保護。

在功率柜的頂端設計了冗余的兩組風機，兩組風機位置為一上一下疊裝。在每次開停時，實現風機主備用功能的輪換交替，在風機的頂部還有風量的傳感器，當1組風機停用時，風機上部擋板下落，觸動傳感器，使接觸器動作而切換風機，其中我廠的2組風機無制動功能，1組風機在運轉的時候，另1組風機也會運轉，不過方向相同，并不會影響冷卻質量，卻也可以對功率柜風機制動進行一定的改良。同時，出廠的動作設計并沒有2組風機同時動作的設計，但根據其他電廠的設計，為避免低壓啟動風機而導致風機燒壞，可以在零起升壓或他勵方式開機時強行啟動另1組風機，防止風機燒壞。

在功率柜的顯示面板上，還能監測每支橋臂的電流以及風道的溫度，并能在功能面板里實現對功能投入情況和故障的查詢以及功率柜溫度和電流的校準。我廠的功率柜智能板采用的是廣州擎天生產的K板，未能實現橋臂間的均流，僅實現了功率柜之間的柜內總電流的均流，而目前廣州擎天還有一款IEC的智能板，可以實現功率柜內6個整流橋臂的電流均流，但IEC板塊也有缺點，就是在電流調節的時候，產生的滯后會導致實際的導通角比定值要小。

以下是晶閘管的選型計算：

（1）在選型時，對可控硅峰值電壓的選擇，采用的是在機組額定功率運行溫度下，可控硅在阻斷時的耐壓值，通過下式進行計算：

式中：

UW——可控硅耐受電壓；

UTresk——勵磁變二次電壓，我廠為890 V。

現實際選取的晶閘管重復峰值電壓為Urp=4 200 V，設計滿足要求。

（2）常溫下可控硅平均通態電流的選擇

式中：

KSA——電流儲備系數，取2；

Kji——電路系數，對三相全控橋取0.367；

K4——海拔高度系數，取1.1；

K6——風速降低，溫度上升，取0.9；

K2——風速系數，5 m/s取1.0；

KS——環境溫度系數，40 ℃取1.0；

Id——額定勵磁電流，取2 147 A；

Ip>(2×0.367×2 147×1.1)/0.9=1 926 A。

實際選取的晶閘管元件70 ℃時通態平均電流In=2 046 A，則并聯數

式中：K7為均流系數，若按最嚴重情況取0.85，計算nb=1.11，即三橋就能滿足所有工況運行，包括強勵，實際選取并聯支路數為4，留有很大裕量。

2.4 滅磁回路設計

大藤峽水利樞紐勵磁系統的滅磁開關采用的是德國GE的直流快速單級斷路器，移能滅磁回路采用的是非線性電阻SiC。

EXC9200滅磁回路在可控硅跨接器及其觸發板，即BOD板（圖2中的AP62）檢測到回路在正向過電壓時，觸發可控硅V1，導通滅磁電阻并入轉子回路，將過電壓能量消除；檢測到反向過電壓時，觸發V2或V3中的一個可控硅，接通轉子回路進行耗能，保護轉子回路。

圖2 滅磁回路

滅磁柜實現了智能化設計，滅磁柜的操作、控制、狀態監視、信息傳遞和信息顯示等功能均能在液晶屏面上進行操控和觀測，并且還能通過計算轉子繞組電阻實現轉子繞組溫度的柜面顯示。

2.5 電氣制動

針對機械制動中出現制動瓦磨損產生固體顆粒，污染發電機定轉子表面以及慣性大、停機慢的問題，我廠采用電制動搭配機械制動的停機方式，結合電制動力矩大，無污染的優點，使我廠停機速度加快，減少了停機過程產生的污染顆粒，對機組安全運行提供了多一分保障。

我廠電制動電源取自10 kV廠用電，經過電制動變，降壓后接至勵磁系統進線切換柜，電制動進線開關與勵磁變副邊的進線開關一起安置在進線切換柜內，采用的是ABB的斷路器。同時電制動和勵磁系統共用功率柜的可控硅整流回路，沒有增設單獨的整流柜，增加了設備空間利用的合理性。

圖3 我廠電制動自并勵接線方式

當我廠機組接到機組停機令時，檢查發電機出口斷路器在分、導葉全關、機組無事故和轉速下降到60%額定轉速后，投入電制動功能，分勵磁變副邊開關QL1，合短路開關REC，合電制動交流進線開關QL2，控制勵磁調節器轉入電制動模式，使得勵磁系統向轉子繞組輸出設定的勵磁電流值，形成制動力矩，實現電制動。我廠目前采用的是混合制動的停機方式，在轉速達到10%額定轉速的時候投機械制動，我廠在僅采用機械制動停機時，停機時間在4 min左右，在合理的時間范圍內。

3 調節器功能設計

勵磁調節器外部有兩個電壓采集點，1個是從發電機機端PT處采集機端電壓，勵磁調節器3個通道的機端電壓數值分別來自2個機端PT，其中A通道單獨使用1個PT提供的電壓數據，B通道和C通道共用另1個PT提供的電壓數據；還有1個電壓采集點則是在主變低壓側，該PT的電壓信號提供給調節器3個通道一起使用，主要作用則是提供同期合閘的電壓數據，也就是可以通過勵磁系統實現同期并網的功能。

其中，EXC9200勵磁系統的輔助控制功能還有：①限制勵磁電流頂值和強勵反時限限制器；②欠勵限制；③V/F限制；④過無功限制；⑤定子電流限制；⑥電力系統穩定器（PSS）。其中，PSS采用非線性魯棒NR-PSS，顯著改善了輸電通道的功率傳輸極限，能更大限度地利用機組的裝機容量，同時勵磁系統電力系統穩定器可支持PSS4B與PSS2B兩種穩定器，相比PSS2B來說，PSS4B為三級補償裝置，在低頻振蕩時的阻尼效果比PSS2B更穩定有效。

4 初期應用

電廠投產以來，勵磁系統調節正常，通道跟蹤正常，調節柜內的總電流實現了均流，差值滿足設計要求（均流系數97%）。電制動功能運行正常，機組在轉速達到60%時投入電制動，機械制動模式下25%轉速投入機械制動，設備按停機流程正常動作。在運行時切掉PT投入把手，勵磁系統電壓信號消失，自動切到電流調節模式，并能實現對負荷的平穩調節。

5 結束語

大藤峽水利樞紐EXC9200勵磁系統已經完成出廠驗收，并進入了商業運行模式，在運行階段中，勵磁系統運行穩定，各項運行參數正常。大藤峽水利樞紐勵磁系統選用的是國內的知名企業產品，是結合了國內先進技術量身打造的優質勵磁系統，為國內外電站的勵磁系統設計選型提供了寶貴的經驗。