论文部分内容阅读
【摘 要】随着社会对电力的需求不断上升，一些小型水电站也得到了相应的发展，但小型水电站的励磁系统却存在运行效率较低且故障率高等问题，这大大降低了水电站的效益。为此，本文详细分析了当前小型水电站励磁系统的运行现状，指出了存在的不足，并介绍了小型水电站励磁系统改造优化的技术措施，有效提高了水电站的效益，可供借鉴参考。
【关键词】小型水电站；励磁系统；现状；改造优化
1.小型水电站励磁系统的现状
小型水电站的励磁系统也是各种各样的。具体有三次谐波励磁恒压装置、电抗器移相式相复励励磁装置、电容器移相式相复励励磁装置、磁耦合电抗移相式相复励自励恒压装置、可控相复励自励恒压装置、可控硅自励恒压装置、无刷励磁等。由于投运年代久远，目前设备大多已老化，基于当时的资金和技术水平，采用的技术都已落后，尤其是没有调差的功能，不能多台机组并网运行，使各机组无功分配不均匀；同时其故障较多，严重影响了机组安全运行，影响了水电站的经济效益，故必须加以更新改造。
2.小型水电站励磁系统的改造优化
2.1三次谐波式励磁系统
三次谐波励磁发电机的结构简单，使用方便，但在设计该发电机的励磁系统时，即确定三次谐波绕组匝数时，往往要借助试验才能确定，而且波动性较大。这种发电机在单机孤网运行时，还是不错的，但是不能多台同网运行，尤其是并网困难。有些发电机是无刷励磁系统，有些发电机是有刷励磁系统，在小容量发电机中，有不少的使用。
2.2三次谐波式发电机的并网
（1）并网现象综述
因一些小水电站发电机励磁系统性能太差，使发电机不能并网运行，造成便宜的水电不能有效利用；但通过适当的技术改造，可以使小水电站容易并网，补充部分乡镇电网用电。
三次谐波励磁发电机组在单机运行时比较稳定，但与大电网并联时，会出现运行不稳定甚至并不上网的现象。
当机组并入电网瞬间，发电机空载电势低于电网电压Uc，并网后发电机将出现向电网吸收无功的现象，在过度欠励状态下，容易发生有功及无功振荡，甚至解列。因此如电网电压Uc偏高，为避免发电机过度欠励，必须降低发电机的有功出力，以维持它与电网的并联运行。
（2）改造优化措施
1）基波与三次谐波混合励磁
基波励磁电源取自发电机出线A及中性点N（220V），经行灯变压器B降压及桥式整流后，串接于原三次谐波励磁回路中，组成基波与谐波混合励磁（见图1）。其补偿优点是：它的容量稳定可靠，当电网电压Uc偏高时补偿增强；当Uc偏低时其补偿作用则减弱，使发电机能合理分配无功功率，达到并网稳定运行的目的。
2）三次谐波绕组并接电容器
如果无功功率发不足，则表示励磁功率不足。一种简易的解决办法是在三次谐波绕组的出口处并接电容器补偿，效果良好。实际应用时，C可由几组电容并联而成，可根据需要的补偿程度来增减调节并入的电容器组数。
图1基波加三次谐波混合励磁
电容器的选择可由XL=U励/I励来计算；当感抗与容抗值相等时（XC=XL）效果最佳，即电容器的容量为：
据此式计算结果，选用稍大于计算值的标准电容器，并根据需要分成若干组，并接于谐波绕组出口处，电容器的耐压要求为2.5U励～3U励值。
3）增加升压变压器高压线卷三次谐波励磁的发电机由于上网的无功不足，为了增加多发无功，拼命增加励磁电流，会使发电机电压超高，往往到420V以上。解决这一问题的有效措施是改造变压器的高压侧线卷。可将变压器一次增加线圈匝数，改原电压调整率±5%为±10%，改造后分接开关置于+10%，发电机运行稳定，调节灵活。
4）采用无刷励磁调节器
无刷励磁调节器控制无刷励磁同步发电机的励磁机的励磁电流，主要用于小型同步发电机组的励磁电源的自动调节，该调节器能满足发电机单机或并网等运行要求。在多台机组并网时，能合理地分配无功（即有好的调差功能）。
2.3双绕组电抗分流式励磁系统的改造优化
在小型水电站中，很多机组都采用双绕组电抗分流式自励恒压装置，其结构简单，运行方便，维护工作量小。这种发电机的定子有1个附加绕组，作为励磁的能源，并用1个分流电抗器，采用三相桥式整流励磁。这种励磁系统以简单的励磁结构，良好的恒压性能，赢得了在小水电中的重要地位。这种机型在单机运行时性能非常优越，但在几台机并列运行或与大电网联网运行时，就暴露出了缺点，如无功负载不能合理分配，运行不稳定，易发生振荡，有的机组甚至不能运行等。
改造办法之一是去掉分流电抗器，采用微机励磁控制器，小容量的发电机可以改为单相半控桥式整流励磁（见图2）。微机励磁控制器应该采集发电机电压和发电机电流，以此来调节励磁电压和励磁电流。如果还能采集励磁电压、励磁电流，加上RS485通讯口，可以组成少人值班或无人值班的水电站自动控制系统。
图2采用单相半控桥的微机励磁调节器
容量大的发电机采用三相半控桥式整流励磁。按此原理图改造后，经试验证明，电压调整范围、调压精度、调差率都非常满意，多台机组并联运行非常稳定，维护也很容易。
除了去掉分流电抗器外，还可以去掉附加绕组，这样就可以重绕发电机定子绕组，增加发电机容量，一般可以增加20%左右的容量。
2.4相复励变压器式励磁系统的改造优化
这种励磁系统由相复励变压器、可调电抗器和半导体整流器等部分组成。相复励变压器是1台三相三绕组变压器，它的每相有3个绕组，即电压绕组Wv、电流绕组Wi和输出绕组Wc；其中Wv和Wi是相复励变压器的输入绕组。
当发电机空载时，发电机副绕组电压通过变流器副方绕组Wo，经其激磁电抗器的移相作用，渠供1个与发电机电压相应的励磁电流分量，由整流桥整流后，供给发电机励磁绕组，自励建立给定的发电机电压。当发电机负载时，发电机负载电流I通过相复励变压器的电流绕组Wi，经变流后，输出绕组Wc提供1个与发电机负载电流相应的励磁电流分量，迭加整流后供给发电机负载时所需励磁电流，由于复励分量的相位补偿作用，使发电机端电压近于恒定。这种发电机能够自动维持发电机端电压在一定水平，一般维持电压变化在±5%额定电压范围内。
2.5励磁系统改造中应注意的问题
在水电站增效扩容的改造中，采用更换转轮、改造发电机（重绕定子线圈和转子线圈）等方式增容后，往往可以增加20%～25%的容量，此时应注意也要增加励磁系统的容量至少10%（注意励磁变也要配套增容），否则还是得不到预期的增容效果。有些水电站各种设备（包括励磁系统）都没有什么问题，就是无功不能满发，不管如何调节，总是无功不足。解决办法之一是采用发电机并接电容器的办法来增加无功，此时还可以增加有功功率，让发电机全部视在功率都发有功功率。
3.采用励磁系统的新技术
现在电子技术与计算机技术都在飞速发展，在增效扩容的改造中，应该优先选择励磁系统的新技术。
目前，晶闸管励磁技术已非常成熟，无论什么类型的发电机，都可以选择晶闸管励磁技术；尤其是6.3kV的发电机，毫无例外的应采用微机励磁的自并励系统。
为了使励磁系统更简单、可靠，已有采用绝缘栅双极型功率管IGBT的励磁系统，实现了发电机励磁电流的自动控制（见图3）。
采用IGBT自关断器件代替传统的可控硅元件作为功率元件，其工作原理是将三相电源经不控桥整流为脉动直流，控制IGBT的导通、关断时间，利用IGBT斩波方式，调节发电机励磁绕组电压。IGBT运行时只需一路脉冲，这样极大地简化了功率桥的结构。IGBT功率柜单柜额定电流可达2000A。IGBT自并激方式仅需一路控制脉冲，结构简单，可靠性高，该方式下不需同步。可控硅全桥整流方式下，逆变电流经过励磁变压器绕组；IGBT方式下，逆变电流经过续流二极管，可减小励磁变压器的设计容量约30%，大大减少了成本。
图3采用IGBT的励磁系统
4.结语
总之，一个良好的励磁系统直接关系到发电机组在发电站中的安全可靠性，也是提高发电机及其相联电力系统稳定性的技术要求。因此，应结合实际情况，注意进行配套改造优化，这样才能获得最佳的经济效益，保证水电站的安全运行。
参考文献：
[1] 李宁.水电站励磁系统改造探讨[J].城市建设理论研究，2012年第21期
[2] 董锋斌；皇金锋.小型水电站励磁系统的改造和优化[J].中国农村水利水电，2006年06期
【关键词】小型水电站；励磁系统；现状；改造优化
1.小型水电站励磁系统的现状
小型水电站的励磁系统也是各种各样的。具体有三次谐波励磁恒压装置、电抗器移相式相复励励磁装置、电容器移相式相复励励磁装置、磁耦合电抗移相式相复励自励恒压装置、可控相复励自励恒压装置、可控硅自励恒压装置、无刷励磁等。由于投运年代久远，目前设备大多已老化，基于当时的资金和技术水平，采用的技术都已落后，尤其是没有调差的功能，不能多台机组并网运行，使各机组无功分配不均匀；同时其故障较多，严重影响了机组安全运行，影响了水电站的经济效益，故必须加以更新改造。
2.小型水电站励磁系统的改造优化
2.1三次谐波式励磁系统
三次谐波励磁发电机的结构简单，使用方便，但在设计该发电机的励磁系统时，即确定三次谐波绕组匝数时，往往要借助试验才能确定，而且波动性较大。这种发电机在单机孤网运行时，还是不错的，但是不能多台同网运行，尤其是并网困难。有些发电机是无刷励磁系统，有些发电机是有刷励磁系统，在小容量发电机中，有不少的使用。
2.2三次谐波式发电机的并网
（1）并网现象综述
因一些小水电站发电机励磁系统性能太差，使发电机不能并网运行，造成便宜的水电不能有效利用；但通过适当的技术改造，可以使小水电站容易并网，补充部分乡镇电网用电。
三次谐波励磁发电机组在单机运行时比较稳定，但与大电网并联时，会出现运行不稳定甚至并不上网的现象。
当机组并入电网瞬间，发电机空载电势低于电网电压Uc，并网后发电机将出现向电网吸收无功的现象，在过度欠励状态下，容易发生有功及无功振荡，甚至解列。因此如电网电压Uc偏高，为避免发电机过度欠励，必须降低发电机的有功出力，以维持它与电网的并联运行。
（2）改造优化措施
1）基波与三次谐波混合励磁
基波励磁电源取自发电机出线A及中性点N（220V），经行灯变压器B降压及桥式整流后，串接于原三次谐波励磁回路中，组成基波与谐波混合励磁（见图1）。其补偿优点是：它的容量稳定可靠，当电网电压Uc偏高时补偿增强；当Uc偏低时其补偿作用则减弱，使发电机能合理分配无功功率，达到并网稳定运行的目的。
2）三次谐波绕组并接电容器
如果无功功率发不足，则表示励磁功率不足。一种简易的解决办法是在三次谐波绕组的出口处并接电容器补偿，效果良好。实际应用时，C可由几组电容并联而成，可根据需要的补偿程度来增减调节并入的电容器组数。
图1基波加三次谐波混合励磁
电容器的选择可由XL=U励/I励来计算；当感抗与容抗值相等时（XC=XL）效果最佳，即电容器的容量为：
据此式计算结果，选用稍大于计算值的标准电容器，并根据需要分成若干组，并接于谐波绕组出口处，电容器的耐压要求为2.5U励～3U励值。
3）增加升压变压器高压线卷三次谐波励磁的发电机由于上网的无功不足，为了增加多发无功，拼命增加励磁电流，会使发电机电压超高，往往到420V以上。解决这一问题的有效措施是改造变压器的高压侧线卷。可将变压器一次增加线圈匝数，改原电压调整率±5%为±10%，改造后分接开关置于+10%，发电机运行稳定，调节灵活。
4）采用无刷励磁调节器
无刷励磁调节器控制无刷励磁同步发电机的励磁机的励磁电流，主要用于小型同步发电机组的励磁电源的自动调节，该调节器能满足发电机单机或并网等运行要求。在多台机组并网时，能合理地分配无功（即有好的调差功能）。
2.3双绕组电抗分流式励磁系统的改造优化
在小型水电站中，很多机组都采用双绕组电抗分流式自励恒压装置，其结构简单，运行方便，维护工作量小。这种发电机的定子有1个附加绕组，作为励磁的能源，并用1个分流电抗器，采用三相桥式整流励磁。这种励磁系统以简单的励磁结构，良好的恒压性能，赢得了在小水电中的重要地位。这种机型在单机运行时性能非常优越，但在几台机并列运行或与大电网联网运行时，就暴露出了缺点，如无功负载不能合理分配，运行不稳定，易发生振荡，有的机组甚至不能运行等。
改造办法之一是去掉分流电抗器，采用微机励磁控制器，小容量的发电机可以改为单相半控桥式整流励磁（见图2）。微机励磁控制器应该采集发电机电压和发电机电流，以此来调节励磁电压和励磁电流。如果还能采集励磁电压、励磁电流，加上RS485通讯口，可以组成少人值班或无人值班的水电站自动控制系统。
图2采用单相半控桥的微机励磁调节器
容量大的发电机采用三相半控桥式整流励磁。按此原理图改造后，经试验证明，电压调整范围、调压精度、调差率都非常满意，多台机组并联运行非常稳定，维护也很容易。
除了去掉分流电抗器外，还可以去掉附加绕组，这样就可以重绕发电机定子绕组，增加发电机容量，一般可以增加20%左右的容量。
2.4相复励变压器式励磁系统的改造优化
这种励磁系统由相复励变压器、可调电抗器和半导体整流器等部分组成。相复励变压器是1台三相三绕组变压器，它的每相有3个绕组，即电压绕组Wv、电流绕组Wi和输出绕组Wc；其中Wv和Wi是相复励变压器的输入绕组。
当发电机空载时，发电机副绕组电压通过变流器副方绕组Wo，经其激磁电抗器的移相作用，渠供1个与发电机电压相应的励磁电流分量，由整流桥整流后，供给发电机励磁绕组，自励建立给定的发电机电压。当发电机负载时，发电机负载电流I通过相复励变压器的电流绕组Wi，经变流后，输出绕组Wc提供1个与发电机负载电流相应的励磁电流分量，迭加整流后供给发电机负载时所需励磁电流，由于复励分量的相位补偿作用，使发电机端电压近于恒定。这种发电机能够自动维持发电机端电压在一定水平，一般维持电压变化在±5%额定电压范围内。
2.5励磁系统改造中应注意的问题
在水电站增效扩容的改造中，采用更换转轮、改造发电机（重绕定子线圈和转子线圈）等方式增容后，往往可以增加20%～25%的容量，此时应注意也要增加励磁系统的容量至少10%（注意励磁变也要配套增容），否则还是得不到预期的增容效果。有些水电站各种设备（包括励磁系统）都没有什么问题，就是无功不能满发，不管如何调节，总是无功不足。解决办法之一是采用发电机并接电容器的办法来增加无功，此时还可以增加有功功率，让发电机全部视在功率都发有功功率。
3.采用励磁系统的新技术
现在电子技术与计算机技术都在飞速发展，在增效扩容的改造中，应该优先选择励磁系统的新技术。
目前，晶闸管励磁技术已非常成熟，无论什么类型的发电机，都可以选择晶闸管励磁技术；尤其是6.3kV的发电机，毫无例外的应采用微机励磁的自并励系统。
为了使励磁系统更简单、可靠，已有采用绝缘栅双极型功率管IGBT的励磁系统，实现了发电机励磁电流的自动控制（见图3）。
采用IGBT自关断器件代替传统的可控硅元件作为功率元件，其工作原理是将三相电源经不控桥整流为脉动直流，控制IGBT的导通、关断时间，利用IGBT斩波方式，调节发电机励磁绕组电压。IGBT运行时只需一路脉冲，这样极大地简化了功率桥的结构。IGBT功率柜单柜额定电流可达2000A。IGBT自并激方式仅需一路控制脉冲，结构简单，可靠性高，该方式下不需同步。可控硅全桥整流方式下，逆变电流经过励磁变压器绕组；IGBT方式下，逆变电流经过续流二极管，可减小励磁变压器的设计容量约30%，大大减少了成本。
图3采用IGBT的励磁系统
4.结语
总之，一个良好的励磁系统直接关系到发电机组在发电站中的安全可靠性，也是提高发电机及其相联电力系统稳定性的技术要求。因此，应结合实际情况，注意进行配套改造优化，这样才能获得最佳的经济效益，保证水电站的安全运行。
参考文献：
[1] 李宁.水电站励磁系统改造探讨[J].城市建设理论研究，2012年第21期
[2] 董锋斌；皇金锋.小型水电站励磁系统的改造和优化[J].中国农村水利水电，2006年06期