抽水蓄能电站励磁系统原理和应用

汤 勋，肖康乐

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 引言

在抽水蓄能电站中，励磁系统的作用有以下4点：①向发电机转子提供直流电源使得发电机机端电压与所连接的电网电压保持一致；②对机组的无功功率进行调节；③提高系统的各项稳定性指标；④提高继电保护的稳定性。但是各个电厂输出的电能需要经过例如变电站升降压等多个环节才能传输到负荷侧，并且我国煤炭能源的分布与电能需求在空间上的不平衡关系导致输电线动辄以公里为单位。最为重要的是作为一种难以大规模储存的能源，电能必须实时生产，实时消耗，但是整个电网的负荷却是一个动态变化的过程。随着近来各种新能源项目例如太阳能、风能、生物能的大规模并网，其峰谷特性与用电负荷也无法很好的拟合。所以在高负荷中心与煤炭资源丰富的资源地区相隔较远，并且对于电能的需求量也在实时变化的情况下，电网需要时时刻刻调整机组的出力，电压和频率会受到一定的影响。而电网和机组是一个双向反馈的系统，伴随着电网规模、机组容量不断的增加，对整个励磁系统提出了一定的要求。

由于抽水蓄能电站在电网中削峰填谷、调频、调相、黑启动等作用，使得机组启停频繁，可以说励磁系统的质量直接影响到了整个机组的稳定与安全。

2 励磁方式综述

励磁系统总体由功率单元和调节单元两个部分组成，功率单元主要负责为发电-电动机提供直流电流，调节单元根据发电-电动机的状态对功率单元作出进一步的调整。

2.1 励磁功率单元的选择

（1）直流励磁机

在早些年，为发电机配备一个专用的直流励磁机在当时看来是一个很自然的选择，简单和可靠是它最大的优点，但问题就是调节速度太慢和日常维护的繁琐，所以现在已经很少使用。

（2）交流励磁机

为解决直流励磁的不足，有着稳定、转速适应强和较好的进相运行方式的交流励磁机应运而生。同时继承了直流励磁机可靠和稳定的优点，伴随着大功率可控硅整流方式的出现，更是推进了交流励磁机的发展。但是谐波分量和噪音的问题制约其进一步的发展。

（3）静止励磁方式

不再设置专用的励磁机，而是在发电机出口或者厂用母线上直接通过变压器作为励磁电源，这样的简化使得整个励磁系统更加的简单。相比较于在发电机定子电流回路上再另外串并联变压器的自复励励磁方式，简单就是最突出的特点。同时带来的就是维护和保养的精简，使得系统更加可靠。此外由于是直接取电，其响应速度也得到了提高，在一定程度上也节约了造价，缩减了成本，所以静止励磁方式得到了较为广泛的应用。

2.2 励磁调节单元的选择

（1）手动调节

在行业刚起步的时候，受限于技术原因，手动调节这种事倍功半的方式费时又费力。在20世纪50年代，自动电压控制（AVR）的出现可以有效维持电压的稳定。随着机组容量的扩大，PID（比例积分微分）调节方式可以提高动静态的稳定性以及无功功率的调节。

（2）AVR+PSS的励磁控制方式

为了解决电力系统中的低频振荡以及事故后的振荡失步问题，电力系统稳定器(Power System Simulator for Engineering) 由美国电力技术公司自20世纪70年代推向市场。其原理是采用相位补偿，即提供机电振荡时的机组附加阻尼力矩，抑制机电振荡，采用各种算法改善系统阻尼[1]。

（3）线性最优励磁控制器（LOEC）

LOEC将电机的多个输出量综合形成控制量进行处理，其相比较于AVR+PSS最大的突破是将现有的多个量进行综合处理、整体考虑，并且将非线性的电力系统在小干扰的稳定性这一特定条件之下视为线性进行处理，使得稳定性大幅度提高，1985年的甘肃碧口电站就采用了这种控制方式[2]。

（4）非线性励磁控制

由于对于整个发电-电动机来说，其本身就是一个复杂的非线性系统，使用线性模型分析会使得其结果与实际有较大的偏差。纵然可以通过各种手段，例如各种拟合算法来弥补和逼近实际值，但是在受到干扰的情况下其模型的计算值依旧会有各种噪声和误差，所以直接使用非线性系统就可以改善以上的情况。随着近代微分几何学的进步和发展，非线性模型也有很大的发展和完善，例如哈密顿控制设计、鲁棒控制设计、自适应励磁控制设计等，其拟合结果相比较于线性计算有了较大的提升[3]。

（5）智能控制方式

近年来虽然摩尔定律已经不能完全的预测和指导半导体技术尤其是高端处理器的发展，但是依托于技术积累，处理器的频率、速度、算力已经有了飞跃的进步，并且其功耗和面积也有了大幅的降低。大型抽水蓄能电站已经从原来的复杂指令集CISC转变为RISC精简指令集架构，如UNITROL6000、NES5100等。图1为由南瑞开发的NES5100芯片，其中ARM核采用RISC精简指令集微架构负责加载VxWork操作系统，DSP为数字信号处理器，主要负责模拟量开入量，FPGA现场可编程逻辑门阵列负责励磁逻辑的运算和控制。多个处理器互相配合使得运算精度和处理速度得到大幅提高。

图1 NES5100

结合计算机技术的发展，以卷积神经网络为代表的人工智能已经开始让电影中的景象在现实中实现。各种模型可以在学习海量的数据以后拥有近似于人类的某些能力，依据这种能力来进行励磁控制也不失为一种方法。国内外的大学已经开始了这方面的研究，相信在不久的将来可以有技术上的突破。

在现阶段，综合运用以上的方法来进行励磁系统的控制可能也不失为一种办法，由于发电-电动机是一个复杂的系统，以往的一招鲜吃遍天的办法可能无法适应日益增长的对于精准快速的励磁调节的要求，每种模型和算法都有自己的适用场景，灵活多变的组合使用，可能会有更好的结果。

3 沙河电站励磁系统

沙河电站励磁系统为南瑞继保公司的RCS-9400设备，主要由交流进线柜、灭磁柜、可控硅整流柜、励磁调节柜组成。励磁电源取自主变低压侧，经过励磁变降压为380 V后供给转子绕组。

3.1 励磁系统结构

励磁功率单元结构如图2所示，主要由变压器ET、励磁变低压开关ECB、可控硅整流装置THY、灭磁电阻R、灭磁开关FCB、励磁过电压装置及冷却单元组成（图2）。

图2 励磁系统主回路接线图

（1）可控硅整流装置

整流装置主要将励磁变提供的交流电经过全波整流和滤波后转化为直流电。由于全部使用可控硅管，通过切换控制角α，整个装置可以在整流和逆变的两种状态下切换。当α＞90°处在逆变状态下时，能够将发电机转子磁场的能量反馈到励磁电源上进行逆变灭磁。沙河电站可控硅桥位于两套互为备用的可控硅整流柜内，类型为ABB三相，峰值电压为1 800 V，每桥额定直流电流为1 825 A，冷却方式为风冷。

（2）励磁变压器

沙河电站励磁变为三相干式室内变压器，其位置在8楼励磁变与厂变室，变比为10.5 kV/0.35 kV，额定容量为644 kVA。

（3）灭磁开关和灭磁电阻

灭磁开关的作用是如果发电-电动机发生故障，迅速切除励磁电流，从而达到释放发电-电动机磁场绕组中庞大能量的目的，保护发电-电动机的安全。灭磁电阻使用碳化硅非线性电阻，可以尽快释放磁场能量，将发电机电压降低。

（4）冷却系统

冷却系统主要服务对象是可控硅。一般来说可控硅发热的原因是损耗，由通态损耗、断态和反向损耗、开关损耗以及门机损耗组成。通态损耗是主要的发热原因[4]。沙河电站冷却系统为双路风机冷却，正常运行时有一台风机作为备用，当双路风机都出现故障时，系统仍然可以运行，但是需要加强监控，如果温度上升过快，则需要进行停机处理。其电源取自厂用电的双路供电，其位置在可控硅整流柜的上方。

（5）励磁调节单元

对于抽水蓄能电站中的励磁调节单元来说，一般使用基于微处理器的数字电压调节器。调节器可以根据发电-电动机电压和工况的变化来调整功率单元输出的励磁电流，通过增大和减少可控硅的角度来维持机端电压的稳定。除此之外还要能够合理分配机组的无功功率，对于故障能够迅速反应，具备强行励磁等一系列控制功能，以提高暂态稳定性和改善系统的运行条件[5]。

沙河电站励磁控制系统由互为冗余的双通道微机控制调节单元组成，每个通道有独立的电源、采样单元、报警单元。互相独立的同时也互为备用，当其中一个通道作为主用时，备用通道实时进行跟踪，以便在发生故障时能够顺利接手。

调节器由电源系统、信号测量系统、脉冲形成单元、AVR/FCR、PSS辅助控制单元等组成。发电机并网带负荷时，励磁系统具有通过改变励磁电流，从而调节发电机端电压和发电机无功功率的功能。

3.2 运行方式

1号、2号机组励磁系统运行方式一致。在开机过程中主要实现机组的平稳建压并网，停机过程实现快速灭磁并反向制动，机组稳态运行中则保证机端电压与电网一致，使机组运行平稳；励磁控制方式取决于机组的工作模式。按运行过程的不同，励磁系统运行可分为：启动、稳态运行和停机灭磁3个基本阶段。

3.2.1 启动阶段

（1）BTB启动的拖动机

励磁系统接到上位机BTB启动指令后，励磁强制于固定值方式加励磁电流If0，远方、近控均不可调节。当拖动机和被拖动机的转速大于95%额定转速时，励磁调节器切换至自动通道并自动跟随系统电压调节发电机电压，经过一定延时，由同步装置调整励磁电流同步，直至被拖动机并网后把拖动机解列。若励磁电流超出0.9～1.3If0范围，灭磁开关将跳闸。

（2）水轮机工况启动

当发电机的转速上升到95%额定转速时投入励磁，在自动通道运行并自动跟随系统电压，经延时2 s投入同期调节并网。

（3）BTB启动的被拖动机

这时励磁调节器强制在固定调节运行，If=If0；转子转速达到95%额定转速时，自动通道投入并跟随电网电压，延时5 s后由同期装置调节拖动机的励磁电流，直到并网。

（4）SFC启动方式的水泵

其控制过程与背靠背启动方式基本一致。不同的是，强制固定励磁电流为：当f=0～10 Hz时，If=Icc/3；当f＞10 Hz时，If=Icc。

（5）黑启动起励方式

此种运行方式为当电网电源丢失，由本站直流电源自起励过程。在灭磁开关合上的情况下，检测到励磁变电源、电制动备用电源丢失且允许直流起励时，当机组转速达到95%额定转速后自动投入直流起励回路，直至机组电压达到额定电压50%后，10 kV励磁变经发电机开关带电并使可控硅控制起励电流（主励磁回路投入）。此过程必须与机组的黑启动流程相配合。

3.2.2 稳态运行阶段

机组并网至稳态后，水轮机工况和水泵工况下，励磁系统的运行方式基本一致，励磁默认为定子电压给定控制，运行人员可根据电网的实际情况，在上位机通过在“PQF” 控制画面上设定无功或在“AVC”控制画面上设定电压等方式来控制调节励磁电流的大小。励磁调节器根据外部给定的参数，通过PID调节及过励限制、定子过电压限制、欠励限制等功能模块实现有效的励磁调节。

3.2.3 停机阶段

机组停机，出口开关跳开后，励磁给定电压、功率因素及无功功率均为0，调节器调整可控硅桥的触发角减少励磁输出电流至0，同时跳开灭磁开关并通过二极管联接非线性电阻实现转子灭磁。在停机过程中，电气制动在转速小于50%额定转速时投入，当转速小于5%额定转速时投机械制动，直到小于1%额定转速时退出。电气制动的电源来自励磁变，厂用交流380 V作为备用电源。电气制动时，强制励磁电流为Icc。发生电气故障时，电气制动退出，当转速降至25%额定转速时投入机械制动。

4 结语

励磁系统作为电站重要设备之一，在日常运行和检修中一直受到运行和检修人员的密切关注，也是机动巡检和日常巡检的重点之一。 由于设备备件昂贵，订货周期较长，技术保密和故障依赖供货商等原因，经过认真论证和考虑，沙河电站在2012年和2013年将已经使用了10年的原先由ALSTOM公司生产的纯进口设备进行了国产化改造，改造后设备运行平稳。